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AMESim HCD液压元件设计库教程 完整版


AMESim HCD 液压元件设计库教程(2012 年 4 月译自 AMESim4.2 HCD 手册)

使用 HCD 液压元件设计库
济南铸造锻压机械研究所液压技术中心 张友亮 250022 zylisbest@163.com 1、引言 HCD(Hydraulic Component Design)指液压元件设计(以前被命名为液压AMEBel,表 示AMESim的基本元素库),可以使用该库中一系列的基本模块来构建组件的子模型。HCD 大大增强了AMESim的功能, 在开始使用HCD之前, 最好能够彻底熟悉标准AMESim子模型。 为什么有必要创建这个库?这个问题将在本部分找到答案。 在此之后, 将给出关于HCD 应用的五个例子。在最后一部分,则给出关于HCD应用的一些基本规则,以使您能更加有 效地运用HCD。 前四个例子主要针对绝对运动,您将使用的绝大多数HCD应用都可能属于这一类。第五 个例子则关于相对运动,推荐您使用AMESim重复练习前四个例子。使用AMESim时,您可 以通过一系列组件构建工程系统模型。对于这些组件,AMESim最初使用基于标准表示方法 (诸如液压元件的ISO符号)的图形符号或图标。对于特定领域的工程师,这使得最终的系 统方案看起来很标准,也很容易理解。然而,这里存在两个问题: 组件的多样性; 技能的多样性; 组件问题的多样性可以简单描述为:无论有多少组件模型,但还是不够的。拿液压缸作 为例子,有一些可能性: 该液压缸可能有一个或两个液压容腔; 可能有一个或两个活塞杆; 可能有一个或两个或零个弹簧; 这样将给出 12 种组合,每一种组合都需要单独的图标,每个图标都至少对应一个子模 型。然而对于多数 AMESim 图标来说,一个子模型就已经足够。在这种情况下,将有 12 子 模型。如果考虑到伸缩式液压缸,可能性的数量将翻倍。通常,需要在元件端口处设置不同 的因果关系,与其他元件端口因果关系相组合,将可能有超过一百种的液压液压缸子模型。 在标准 AMESim 库中不可能提供如此庞大数量的图标和子模型, 因此只提供比较常见的 图标和子模型。当然,AMESim 专家级用户也可以通过 AMESet 创建扩展的图标和子模型, 但在这一点上,我们将遇到的第二个多样性问题。 要创建 AMESim 或者其他软件中优良的子模型, 到底需要什么样的技能呢?现列表如下: 对于组件结构和作用的理解; 对于组件物理运行规律的理解; 将物理模型转化为数学算法,以便从输入得出子模型输出的能力; 将算法转化为可执行代码的能力; 除此之外还包括对子模型进行检验、调试、校正的能力,这意味着子模型开发人员需要 工程、物理、数学和计算机技术等领域的能力,这就是技能多样性的问题。完全具备所有这 些能力的人屈指可数,因此构建良好的子模型是一种专家级行为。 开发 HCD,是为解决这些问题的多样性。我们已经知道,传统的 AMESim 库使用基于标 准 ISO 符号的图标,这些图标将模型细分为子模型,很显然这个细分并不是唯一的,也不是 最佳的方法,我们可以使用基于更大或者更小单元的细分。 HCD 使用这样的细分: 能够利用最小数量的图标和子模型来构建最大数量的工程系统模 型。返回到上面所述液压液压缸的例子,我们可以清楚地看到,液压缸所有可能的模型都是 由下列元素的组合构建而成: 压力作用下的液压流体;

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环形可变容腔; 机械弹簧; 由压力和面积产生作用力的活塞; 以上表明,这将是一个很好使用的划分。与基于标准 ISO 符号的划分相比较,可以清楚 地看到基本模块会少很多。 每一元素都是工程师眼中有形的实体, 因此可以将这样的划分描 述为技术单元。用户可以到工程模块库中,寻找物理模型对应的图标,使用他们组装成需要 的组件。 方案清单: 活塞×1 个 环形可变容腔×2 个 机械弹簧×2 个 液压油×2 听 在接下来的第二章中将继续这个例子,还有一系列逐步介绍 HCD 特性的其他例子。 2、教程实例 2.1 运用 HCD 构建液压单向阀 本节中,您将创建的液压单向阀如图 1 所示,选用这些组件是因为其工作方法清楚,即 使非专业人士也能明白。 标准 AMESim 库已经提供了这类元件的子模型,其对于液压系统的通用仿真很有用。它 们不包含任何动力学,因为与系统其余部分相比较,它们的反应速度被假定足够快。

图 1

图2

图 3

图2所示是HCD中的图标,而此类目下的所有组件示于图4。前17个组件用于绝对运动,而接 下来的18个组件用于相对运动。图3表示两个特殊的纯液压组件。在相对运动图标中,每个 实体都内嵌于另一实体,两者都能运动;而在绝对运动图标中,若有外部实体,则认为固定 不动。首先关注绝对运动的图标:

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对于大多数绝对运动图标,有两个线性轴端口和至少一个提供压力的液压 端口,最重要的是液压作用的活动区域。图标中使用比较宽的直线或曲线 表示该活动区域,为更清楚起见,还有箭头指向该区域。这些图标通常通 过线性轴端口连接起来,以组成一实体,可能是滑阀、液压执行器,也可 以是单向阀。然而,其它的实体像液压制动元件,自动变速箱或燃油注射 系统等也可以以相同的方式来构造。 最常使用的液压图标则是具有压缩性的液压容腔,其与所计算液压压力的子模 型相关。该模型有四个液压端口,用以接收来流的流量和体积,可据此计算总 体积和总流量。如果流量为正,则压力升高;如果流量为负,则压力降低。 最简单的单向阀包含在有限位移内自由移动的钢球,在极限位置完全关闭阻断 通流,而在另一位置则完全打开。平衡状态时,钢球位置取决于两液压端口的液压力。

HCD包含两个液压流道中阀芯为球形的图标,一个 位于平面圆形阀座,另一个则位于锥形阀座,与平 面圆形阀座相关联的子模型如图5所示。请注意: 有两个液压流量端口,任一端口接受压力作为输入; 如果钢球在最右位置,流道会被阻塞; 如果钢球在最左位置,流道开口最大; 子模型中与钢球相连的杆默认直径为零;
钢球受压力支配,如果不平衡,钢球将会移动。这意味着,我 们必须考虑钢球的惯性。由于单向阀钢球的运动受限,我们需 要如图所示右手侧的图标,详细外部变量如图 6 所示。

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图 6

图 7 显示了我们正在构建系统的两个可能的版本, 每一个都包含单向阀和两压力源, 为什么 会有两个版本呢?原因很简单,为使 HCD 尽可能的易于使用,许多 HCD 图标都与两个子模 型相关联。再来看图 5,可以看到子模型 BAP21 的外部变量,而子模型 BAP22 的外部变量则 与其互为镜像。上述两系统能得到相同的结果,为使本实例易于理解,建立如图 7(a)所 示系统,请注意,零力源 F000 添加到自由机械端口。

图 7

在子模型模式下,通过选择首选子模型可以很方便地设置元件的子模型。然而,如果手动设 置惯性子模型,会发现有两种可能的子模型,差别在于应对位移限制的方式不同,通常与有 无终点挡板有关,应对终点挡板处接触的两种建模的方法: 理想无弹性碰撞,速度瞬时降至零; 机械弹簧和阻尼器; 每种方法都很有意义,但第二种方法需要知晓如何设置弹簧和阻尼器阻尼值,MAS005 子模

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型使用第一种方法。 在参数模式下, 设置子模型 MAS005 质量为 10g, 位移下限为 0mm, 位移上限为 4mm, 该子模型考虑重力, 因此需要设置角度。 在我们假定的情况下, 重力与液压力相比微不足道, 所以角度的设置并不重要。 设置库伦摩擦力和静摩擦力可能是不恰当的, 非零粘性摩擦可能 使单元更加稳定,但实际上单向阀是完全开启或关闭。设置粘性摩擦力为零,其他参数与斯 特里贝克摩擦有关,在 HCD 库中引入与摩擦相关的其他参量,是为实现从静摩擦到库伦摩 擦的平滑过渡。通常情况下,斯特里贝克摩擦参数去默认值。我们若设置库伦摩擦力和静摩 擦力为零,那么这些量在任何情况下都不起作用。 子模型 BAP22 两杆的直径必须设置为零, 最大流量系数不能偏离默认值 0.7, 临界流量

数可以控制达到这个系数的快慢,通常也是保留其默认值。 钢球上的合力由作用于其上的液压力和外部力来计算,而液压力的计算基于如 图 7(a)的假设:右手端压力作用于临近孔口的区域,左手端压力作用于钢球剩余 区域。这种假设在多数情况下可以得到满意的结果,但这里有规定的修正项:液动 力,该力使钢球趋于关闭。液动力系数通常用于禁用或启用该量,默认值是 0 禁用 该量,设置为 1 则启用该量,也可以通过实验数据设置为其他值,以得到符合要求 的子模型。 设置左手压力源为恒定值 50Bar, 右手压力源则在 1S 内由 0Bar 上升至 100Bar, 再在 1S 内将至 0Bar。运行一时长为 2S 的仿真,设置通讯间隔为 0.01S。图 8 所示为 不同压差下通过单向阀的典型流量曲线,这是一动态子模型,当压差为负时,流量 也不为零。尽管压力下降的稳态特性使单向阀关闭,但惯量引起的钢球在离开稳态 位置后的滞后导致了反向流动,需要注意的是,由于类似的原因,导致开关曲线不 一致。

图 8

为得到稳态特性,要让压力变化的更加缓慢,相应的增加仿真时间。 需要注意的是, 钢球子模型还需要在两流动端口计算外部变量的容积, 这种解释将顺延 至下一节关于液压液压缸的例子,这些量起重要作用。

图 9

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接下来,你将增加弹簧 SPR000,使单向阀转变为弹簧加载单元,修正后的系统如图 9 所示,增加零速度源 V001 至弹簧另一端。 必须注意: 弹簧通常处于压缩状态; 构建如图 9(a) 、 (b)所示单向阀有两种方法,惯性力作用于单向阀的哪一侧无关 紧要,然而, ,弹簧必须在左侧,否则它将会打开单向阀而不是关闭;

弹簧在两端口都有作用力, 所以左边的弹簧端口必须用一个零速度源关闭而 不是零力源。
必须调整弹簧刚度和预紧力以求得到所需的特性, 通过选择合适的值, 可以得到开启压 力和流量压力特性。

图 10

在质量块子模型 MAS005 中计算出基本位移和相应的速度,正如图 5、图 6 所示,这些 值通过子模型 BAI21 传递。图 10 示出弹簧子模型的外部变量,弹簧 SPR000 接受来自 BAP21 和 V001 的速度。

图 11

当设置弹簧的参数时,给单向阀一个尽可能小的预紧力,以确定其开启压力。图 11 所示参 数中,给定预紧力 10N。

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图 12

采用与前一个例子相同的压力源重新运行仿真, 图 12 是单向阀在开启压力约为 5Bar 的情况下的流量—压力特性曲线,在压力约为 22Bar 时出现的斜率变化是由于 钢球到达它的行程极限。图 13 显示钢球的速度,注意到在单向阀部分开启时出现了 不稳定的现象(最好将间隔时间降至 0.001S,会看的更清楚) ,可通过增加阻尼孔口 来解决这个问题,在第三个例子中我们将会遵从这个理念。

图 13

图 14

作为选择性练习,可以按照图 14 所示改造单向阀。该阀检测两个系统的压力,将连接 至提供系统压力较大的系统, 中间的两个端口事实上只有一个, 确保连接球阀到节点的两

条管路都被设置为直接连接(DIRECT) 。 建立阀的测试系统,两压力源输入至系统,同时还有一恒流源。 设置流量源流量在 10S 内从 0 变化到 10L/Min, 左压力源从 0 Bar 到 100Bar, 右

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压力源从 100 Bar 到 0Bar。为使两钢球都可运动,还必须设置左钢球相对零位移时 的推力,设置质量块终点挡板的位移下限为 0,上限为 5mm。对右钢球,将其相应 于 0 位移的开度设为 0,左钢球开度设为 5mm,运行仿真 10 秒,绘制通过每个钢球 的流量和输出压力。

2.2 利用 HCD 构建液压液压缸

图 15

本节我们回到在引言中讨论的液压液压缸,其简图如图 15(a)所示。注意到,该模型 包含一质量块,为 AMESim 中标准的模块,最简单的 HCD 构建如图 15(b)所示。 按图 16 所示开始构建系统,以便对 HCD 和标准 AMESim 库各自运行的结果进行对照。 注意惯性力的图标改变了方向, 它给出了同标准子模型 HJ000 相一致的位移符号约定。 利用 首选子模型功能为尽可能多的元件自动选择子模型,设置质量块子模型带有理想终点挡板, 在参数模式下对两个系统进行参数设置,使其尽可能相同,这点需要特别注意,以下是几点 建议:

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子模型 BAP11 和 BAP12 分别代表活塞和活塞两侧的容积, 这里不是两个活塞而是一个, 活塞两侧每个子模型都和压力源相连, 箭头和粗直线指出了压力的作用区域。 注意质量块子 模型可以被放置在左侧也可以在两半活塞之间, 左侧子模型活塞杆直径要设为零, 而两子模 型的活塞直径必须设置为 25mm,以同标准子模型 HJ000 保持一致,右侧子模型活塞杆直径 则设置为 12mm,这是不要急着设置标签为零位容腔长度的参数,过后我们再来设置该值。

图 16

必须注意,在设置 HCD 子模型参数时,以下特征非常有用: 全局参数; 复制参数; 通用参数; 活塞直径可引入全局参数 pdiam,值为 25mm,一经手动设置好后,还可以复制到其他 子模型,当然还可以将其设置为通用参数。 子模型 HJ000 默认行程 0.3m,默认质量为 1000Kg,因此将带有理想终点挡板的质量子 模型设置为 1000Kg,位移下限设为 0,位移上限设为 0.3m。箭头和加号表示,当位移为零 时,质量块在最左极限位置。子模型 HJ000 初始位移为零,并且假设活塞在左侧,因此设置 子模型 MAS005 初始位移为零。 设置供油压力为 100Bar,调整输入信号频率为 1HZ,运行仿真,图 17 为位移的典型仿 真结果。 为什么结果会有些不同呢?原因很简单,图 16(b)所示系统中,阀与液压缸之间采用 直连子模型,这意味着该段管道不存在动态效应,也就是说,阀直接与液压缸相连,压力的

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动态特性主要由液压缸和活塞两侧的液容引起。与此相反,图 16(a)中没有这部分液容, 但阀与液压缸之间的存在液压管道子模型 HL000,其存在动态效应,只是基于固定液容。 将这部分变化的液容加入液压缸系统也很简单,修正之后的系统如图 19 所示。

图 17

图 19

这里的关键图标是与两半活塞流量端口相连接的液压容腔,对应的子模型为 BHC11,用于模拟压力的动特性。该子模型有四个端口,都一端口的输入都是流量 L/Min 或者容积 。该子模型对四个体积量求和,再加上一闭死容积,同时也对 流量求和,通过这些可以计算出压力的导数值。 该模型用于模拟包含一些独立液容的复杂仿真, 也可用于模拟泄露流动。 当前这个案例 只需要两个端口,另外两端口可分别连接零流量源和零体积源予以封闭,如图 18 所示。 改造后的系统如图 19 所示,设置 BHC11 闭死容积为 50 ,与 HJ000 相一致。 当质量块位移为零时,活塞位于最左极限位置,这意味着右侧液压容腔长度为 0.3m, 左侧容腔长度则为 0,故此设置 BAP11 中零位时容腔长度为 0.3m,相应的 BAP12 中长度为 零。 为什么会有 m 和 mm 两种单位?因为 HCD 子模型不仅用于液压缸,还用于各种阀的仿 真。通常以 m 为单位太大,而以 mm 为单位则显得更方便。质量块子模型使用 m 单位,主 要是因为其通常与标准 AMESim 子模型相对应。

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图 20 是分别使用 HCD 和 HJ000 建模得到的位移对比结果,两方法得到的结果相同。 图 21 显示 BHC11 两容腔体积变化规律。

图 20

图 21

图 22

在上面 HCD 构造的模型中,没有考虑流经活塞的泄露。可以在两半活塞之间插入泄露 图标,如图 22 所示,相对应的子模型 BAF11(其镜像为 BAF12)计算的泄露流量则为端口 1,2 的输出, 还提供了一通常为零的体积量, 也就是说这些端口可以连接到液压容腔 BHC11。 泄漏量由活塞直径、间隙、活塞长度和粘度来计算,粘性摩擦也随之计算而来。

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现在考虑左图所示液压缸,它并不包含于标准 AMESim 库中,但 确定的是,可以按图 24 所示构建构建出来。

图 24 要注意的是,利用 HCD 子模型,很容易就能看到基于系统进行的假设。从图 24 可以清楚的 看到,压力动特性综合考虑了泄露和终点挡板的影响,而在图 23 中不能看到这点。 2.3 搭建滑阀 我们将搭建定值压力调节阀,如左图所示。端口 P 输入压力,端口 A 负载输出,A 口输出压力为阀的先导压力,用于维持 A 口输出压力为 预定值不变。弹簧使阀趋于开启,而先导压力使阀趋于关闭。若负载压 力下降,弹簧使阀开度增大以通过更多流量;若负载压力升高,先导压 力使阀部分或完全关闭,泄露流量接入油箱。 左图是该调节阀典型单元的简图,图 27 为利用 HCD 构建的简图。 必须注意: 液压容腔动特性通过管道子模型 HL000 来模拟; 不考虑泄露; 输出端口 A 处包含有固定或动态液阻,否则元件工作不理想; 压力作用于活塞上三处圆形或圆环形区域,与弹簧力同向或者反向。

图 27

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图 28 为在图 27 基础上改进的系统, 管道子模型 HL000 用可压缩子模型 BHC11 代替, 必须强 调,先导容腔的容积变化传递到子模型 BHC11。与图 27 相比,图 28 中阻尼和先导端口之间 的管道子模型 HL000 中加入通用阻尼, 这意味着用固定容积代替先导腔的可变容积, 因此会 有所不同,但假如设置 HL000 的参数与先导压力容腔平均容积相一致,结果将非常接近。

图 28

与阻尼孔相对应的子模型为 BHO11,与 OR000 相比,BHO11 每端口都是零体积、零流 量输出。 还可能有许多不同的变化,我们当然也可以考虑质量动特性,但这将不会改变结果。其 他的变化则基于不同的假设,可能会导致结果明显的变化。图 27 用了两个可压缩性管道 HL000,先导容腔的容积并不包含在压缩性影响之中。 图 28 综合考虑了左侧阻尼和输入端口之间的泄露,这相当于给阻尼孔口附加一并行孔 口。 哪种假设更好呢?如果先导容腔的容积与它连接的管道相比很小, 就没有必要在两者之 间加以限制,图 27 所以已足够。但如果阻尼孔口与先导容腔直接相连,或先导容腔随阀行 程而有所变化,图 28 所示模型较好。然后,利用 HCD 可以测试不同的组合,比较它们的结 果。

图 29

图 29 代表搭建弹簧腔的另一种方式,图 27 与图 28 更接近于带排油腔的物理情形,然 而仔细检查发现,没有泄露。可以很容易地引入一泄漏量,但可能非常小。由此可见,处理 弹簧容腔的唯一区别如图 29 所示,压力始终为零,而图 27 与图 28 中,只有当油箱的压力 为零时才为零。 搭建图 28 所示系统,利用首选子模型功能设置子模型。 在参数模式下, 通过指定两孔口的直径来设置其特性, 设置孔口变量的最大直径为 8mm, 不要忘记设置整体参数,以便能指定该孔口的直径特性。设置阻尼孔口直径为 0.5mm,设 置与可变孔口相连的信号源在前 5S 从 0 变化到 1,后 5S 从 1 变化到 0。这将模拟可变载荷

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的周期循环。 设置子模型 BAP12 和 BAO011 默认的活塞、阀芯直径为 10mm,设置 BAO011 和中间的 BAP12 子模型活塞杆直径为 4mm,而另一 BAP12 和 BAP16 则设置活塞直径为 0,这将保证 中间容腔的压力平衡,而左手容腔压力与弹簧力反向。对于泄露子模型 BAF11,设置其直径 和接触长度均为 10mm,在适当的地方使用全局变量。 设置 MAS005 质量为 0.03Kg,粘性摩擦为 10 N/(m/s),位移下限为 0,位移上限为 0.7mm, 端口 2 初始位移为 0.7mm。 当位移为 0 时, 滑阀在最左极限位置, 阀口全开, 因此设置 BAO011 零位时开口量为 0。 BAP16 的弹簧刚度和预紧力决定了阀将要维持的负载压力,而位移则由质量块子模型 MAS005 来确定。当位移为 0 时,滑阀处于最左极限位置,因此位移为零时,弹簧将处于最 大长度状态,将此时弹簧力设为 200N,弹簧刚度则为 10N/mm,此时先,导容腔的长度也 将最大,设为 40mm,用以计算容腔容积。然而,不考虑压力动态特性,将除 BAP12 以外的 子模型保持为默认参数,其为液压容腔子模型提供容积。当位移为 0 时,容腔长度最小,故 设为 0。 我们本应该用一更大的值来给定闭死容积, 但是在液压容腔子模型 BHC11 中这将是 允许的,因此设定左侧 BHC11 控制容腔的闭死容积为 2 ,右侧输出容腔的闭死容积为 100 。

图 30

设置供油压力为常值 100Bar,运行 10S 的一次仿真,图 30 显示负载压力变化,可以看 出该阀将试图维持压力在 25Bar 左右, 但在 5S 时压力发生了什么变化?在位移变化曲线中, 会发现此时阀口处于全开位置。 可以看出,某些特定参数影响了阀的稳定性,尝试设置阻尼孔口直径为 1mm,再绘制负 载压力和阀芯位移曲线图,可以发现系统将变得不稳定,接下来再将阻尼孔口直径设为 0.8mm,结果表明先导压力容腔或 HL000 的一很小的体积将会使系统趋于不稳定。 2.4 三位三通方向控制阀

图 31

本节将搭建方向控制阀,图 31 为三位三通控制阀单元。在没有任何驱动力时,阀芯在

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弹簧力作用下处于中间位置。如果阀芯向左移动,供油压力 P 口将接通 A 口;如果阀芯向 右移动,A 口将接通 T 口。如果弹簧力较小,那么很小的驱动力将能使阀全开或在另一方向 上全关,因此该阀总是趋于全开或者全关位置。如果弹簧力很大,将需要比阀芯开启更大的 力才能使阀芯全开。若弹簧力足够稳定,阀芯将被保持在既非全开也非全关的中间位置。 图 31 并未示出任何形式的驱动力,该阀可以被手动、电磁驱动、先导液压驱动控制, 为保持稳定,弹簧容腔通过阻尼孔口连接至中间容腔。 图 32 为利用 HCD 搭建的简单机械操控方向阀。

图 32

图 33

图 34

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应当注意: 代表阀芯质量的子模型处于中间位置; 两弹簧/活塞子模型同中间容腔相连,左侧的则通过阻尼孔口连接; 每一液压容腔需要 5 个流量/体积作为输入量,一次需要一液压节点; 用可变孔口代表典型的负载; 用一简单压力源代表供油压力; 用一力源提供手动作用。 搭建系统并利用首选子模型功能设置子模型, 所有活塞直径和活塞杆直径都保留其默认 值,这正适用于本例。设置质量子模型 MAS005 质量为 50g,位移下限为-0.002m,位移上限 为 0.002m,即阀芯总行程为 4mm,中间位置为 0。设置所有的 BAP16 如图 33 所示,子模 型 BAO011 容腔长度为 20mm,设定可变孔口直径为 4mm 以代表负载,确保连接至可变孔 口的信号源为常值 1,设定阻尼孔口直径为 0.8mm,驱动力的工作周期按图 34 所示设置, 常值供油压力为 150Bar。 运行 10S 的仿真,绘制不同的结果。图 35 所示分别为滑阀位移随时间变化,阻尼负载 流量随阀芯位移变化的情况。

图 35

应当注意: 阀芯在两个方向都到达了极限位置; 中间位置时,流量锐减; 此时,我们返回到阀芯子模型 BAO011 和 BAO012,差异之处在于一个是另一个的镜像。在 当前系统中,因质量块处于中间,只有子模型 BAO011 可用。假如质量块被置于最左或最右 极限位置,这两个子模型都将可用。BAO011 当前参数如图 36 所示。

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图 36

零位时开口量这个参数极其重要,默认值为 0。图 37 表示零位时零开口,正开口,负开口 情况。分别设置阀芯子模型的该参数为 1mm 和-1mm 并运行仿真,会发现第一种情况时中 间位置有泄露,而第二种情况时存在死区效应。

图 37

必须要提及的另外两个参数是: 对应于最小过流面积的开口量; 对应于最大过流面积的开口量; 默认情况下,开口量为 0 时,过流面积为 0,并随正开口量线性增加;第一个参数为过 流面积的下限,可能由泄露或某些固定节流孔产生;第二个参数则为过流面积的上限,可能 由环形节流孔流经某孔口区域,或是如图 38 所示,阀芯行程过大以致环形节流窗口完全打 开。

图 38

所有这些结果均假设阀芯与阀套完美配合,但实际上,阀芯与阀套之间存在间隙,且阀 芯带有圆整的棱边,这些将产生泄漏。在子模型模式下,设置阀芯子模型为 BAO013, (如果 质量块不在两阀芯中间, 你要指定其中一阀芯子模型为 BAO014) , 这两个子模型均考虑配合 间隙和阀芯圆整棱边的影响。 图 39 显示这些子模型的参数,注意对应于最小过流面积的开口量参数并未出现在列表 中,因为该子模型中泄露明确考虑了配合间隙和圆整棱边的影响。将子模型 BAO011 换成 BAO013,再运行仿真,会发现即使阀芯处于中间位置时,负载孔口也会有小流量通过,这 通常总是从 P 口向 T 口的泄露。 尝试着增大配合间隙和阀芯棱边圆角半径, 会发现泄露流量

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相应增大。

图 39

利用高级细节特征,该例子模型被修改。这对于此类控制阀设计者来说是合适的,但对于大 多数使用者来说,简洁的表示方法可能更合适。因此,在大多情况下,阀及其控制系统的动 特性近似简化为二阶传递函数,这些数据通常可在元件供应商样本中找到,图 40 表示高度 简化的系统。应当注意: 动态特性由二阶滞后所产生,应当给定自然频率和阻尼系数; 位移则由饱和环节加以限制; 辨识位移最终值,用以产生恒定的速度; 其他需要加以考虑的是子模型 BAO011 和 BAO012 的尺寸数据;

图 40
2.5 带有移动缸体的液压缸 通常情况下,液压缸缸体刚性固定,假定为不可移动。然而,在其他情况下为得到更真 实的结果有必要将缸体的运动加以考虑, HCD 中相对运动的图标和子模型可以实现这些要求。 我们将搭建一带有移动缸体的液压缸,并将其与缸体固定的液压缸相比较,搭建图 41 所示系统,注意: 当有一系列 HCD 元件时,不要将相对运动和绝对运动图标相混淆,相对运动图标位于 模型库的下方,而绝对运动图标则位于模型库的上方; HCD 中相对运动子模型所有终点挡板具有弹性, 这是因为在撞击中, 两质量块是有限的, 两者之间必然存在接触力。 本系统中,底部液压缸缸体连接至一弹簧减震器,而该弹簧减震器连接至一零速度源, 用以模拟带有柔性支座的液压缸。 使用首选子模型功能设置子模型, 设置其他一些合理的参 数并运行仿真,图 42 显示有移动和固定缸体的液压缸活塞杆位移变化情况。

AMESim HCD 液压元件设计库教程(2012 年 4 月译自 AMESim4.2 HCD 手册)

图 41

图 42

3 一些基本规则 3.1 引言 HCD 库的设计使用户能够构建标准 AMESim 库中所没有的元件,而不需使用 AMESet, 也不需要编写代码,使用相对不多的技术元素,却能构建出大量的元件。HCD 摆脱了传统的 模型构建技术, 但未完全脱离。 自然而然地假定用户具有工程技术背景以便能理解元件或系 统工作的基本原理,解释和分析仿真结果。此外还有两个技术上的要求: 理解因果关系(即理解输入与输出的关系) ; 理解物理规律,不是在深入的数学层级上,而是在能评估重要问题的层次上。

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3.2 因果关系 每一元件图标的背后都有一子模型,子模型用以收集一系列已知量,称之为输入,来计 算另一些量,称之为输出。但输入从何而来?来源于其它子模型的输出。

图 43

子模型通过端口互相连接, 因果关系的基本原则是两子模型要连接在一起, 其中一个要为另 一个提供输入。图 43 显示原动机子模型 PM001 与泵子模型 PU001 之间的连接,箭头表示 信息传递的方向。轴的转速 这一物理量,既是 PM001 的输出,也是 PU001 的输入,而转 矩 T 则是 PU001 的输出,也是 PM001 的输入,每一子模型都有它需要的输入。相比之下, 图 44 试图在孔口子模型 OR000 与溢流阀 CV000 之间建立连接,每一子模型都输出流量 Q, 都需要输入压力 P,这种连接在 AMESim 中是不允许的。应用键图理论的术语,这称之为因 果冲突,其他领域的一些软件允许因果冲突,而在 AMESim 中则不提倡这种冲突,有必要在 孔口和单向阀之间插入一特定子模型, 如图 45 所示。 这是一特殊的、 冒险使用的子模型, 风 险在于压力,不像电压、力那样有自身的限制,如果压力试图达到-100Bar,那么仿真将会 失败。 在使用 HCD 时,这一原则很简单但特别重要。

图 44

图 45

3.3 使用特殊功能设置参数 这些特殊功能有: 全局参数; 复制参数; 通用参数; 在利用 HCD 元素构建元件时,经常需要多次定义同一物理量。若使用四个 HCD 元件构 建一滑阀模型, 需要将这四个元件中的阀芯直径设为相同的值, 这种情况下可以引入一全局 参数,然后根据该参数定义直径。 3.4 使用动态质量块 在液压缸、液压阀和其他元件中,经常有一些元件能够进行一维运动。通常可使用一标 准动态质量块来建模,但只能使用一个,否则将会出现因果问题。而使用成链的两个动态质 量块的最好方法是用弹簧、减震器或两线性机械端口都能输出力的其他元件来使它们分开,

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也就是说,链不再是刚性,而是引入了柔性连接。 动态质量块每一端口都输出位移、速度、加速度,输出加速度主要是使之可附加连接加 速度传感器,而速度、位移则通过一系列 HCD 元件传递下来,用于计算: 由速度引起的流量; 容腔的长度; 容腔的体积; 当然,唯一需要设置的、导致出现各种问题的参数是零位时的容腔长度,这将是下一节 讨论的主题。 3.5 设置零位时容腔长度 这里所关心的位移将是子模型的一个输入, 通常来源于动态质量块, 在其上可以设置初始位 移与位移上下限。当位移为零时,必须要设置容腔长度,该值用以计算容腔体积。虽然在有 些情况下用不到该体积, 但如果它被传递到压力动态特性模块 BHC11, 就必须有正确的体积, 且不能为负。 3.6 多数重构

图 46

利用 HCD 创建图 46(a)所示系统,需要设置一系列互相兼容的子模型。而当我们希望 更改系统到图 46(b)所示系统时,这时会出现问题,因为旧的子模型变得互不兼容。该问 题的解决方法是,在重建模型之前,从 HCD 元件链中移除所有的子模型。在方案模式下, 可通过右键进行手动操作。 然而,还有另外一种方法,使用映射子系统功能。这种方法较好,因为不太容易丢失参 数值。 在方案模式或子模型模式下使用该功能,开始时系统如图 46(a)所示,选择该系统适 当的部分,选择 Edit 下拉菜单中的 Copy to Shadow 命令。这时,将所有选中的元件和管道 子模型参数记录在特定的备份系统——映射子系统之中。 此时,可重构系统如图 46(b)所示并设置新的子模型,AMESim 将尝试从映射子系统 中复制所需的参数。


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