FluidSim 和AMESim在液壓與氣動課程教學中的應用
——以《液壓同步回路》為例

師 平 白亞瓊

（西安航空職業技術學院，西安 710089）

《液壓與氣動》課程是高職液壓與氣動專業的專業核心課，具有很強的工程實踐性，通過學習，要求學生掌握液壓與氣動的基礎知識，掌握各類液壓與氣壓元件的結構特點和工作原理，具備一定的分析設計液壓與氣動系統的能力。但是，學生在學習過程中很難理解和分析液壓與氣動系統，對靜止和抽象的內容很難掌握，同時實踐教學中，學生依照實驗步驟按部就班地做，缺乏思考、創新的過程，無法達到培養學生實踐能力和創新能力的目的，這是《液壓與氣動》教學中的難點[1]。本文提出將FluidSim和AMESim軟件應用到該課程的教學環節中，通過對液壓同步回路搭建、液壓元件性能分析以及液壓回路仿真分析等，激發學生學習興趣，提高教學質量，為高職院校液壓與氣動課程教學提供參考。

FluidSim軟件是由德國Festo公司Didactic教學部門和Paderborn大學聯合開發的，可以實現液壓系統、氣壓系統及電氣控制系統的原理圖繪制及系統的狀態仿真。在FluidSim軟件中提供了兩個功能子系統，FluidSim-H用于液壓系統仿真，FluidSim-P用于氣動系統仿真[2]。

AMESim為多學科領域復雜系統建模仿真平臺的發展，為多物理場的分析提供了有力的支持。用戶可以在單一平臺上建立復雜的多學科領域的系統模型，在此基礎上對元件或系統的穩態及動態特性進行仿真和分析，幫助用戶對各類系統進行參數選定、功能評價、響應分析或控制邏輯設計，從而降低物理樣機試制的風險[3]。

1 液壓同步回路系統的建模與仿真

在液壓設備中，如沖剪機床、大型壓機中經常會遇到這樣的問題，比如，如何保證在壓力油同時進入幾個工作部件的液壓缸時，讓它們以相同速度或相同的位置進行動作，即實現同步，但實際上由于每個缸所受外負載不同，泄漏損失不一樣以及缸內徑加工誤差等，都會造成液壓缸速度或位置的不同步。為使液壓缸盡可能同步動作，除提高其加工精度外，還可通過回路的組合來保證輸油量不隨外負載的變化而變化，那我們研究一下液壓同步回路的特性。假設液壓系統中的啟動液壓泵電機轉速為3000r/min，液壓泵（齒輪泵）的的轉速也為1000r/min，液壓缸運動時間為2s，液壓缸的活塞直徑為25mm，抽油桿直徑為12mm，負載的的重量分別為100kg，液壓缸活塞行程長度為0.1m，摩擦阻力為1N，溢流閥最大壓力為40MPa（因為它是FluidSim軟件的溢流閥最大壓力值，不能在增加，而AMESim軟件可以根據實際工況任意設置壓力）。用以上參數進行液壓同步回路建模仿真。如圖1、2分別在FluidSim和AMESim建立的液壓同步回路模型。

圖1 在FluidSim建立的液壓同步回路模型

2 液壓同步回路系統仿真分析

圖2 在AMESim建立的液壓同步回路模型

下面詳細介紹兩種軟件對液壓同步回路的仿真分析的不同。圖3為FluidSim軟件中液壓同步回路某時間段運行狀態仿真圖，從圖3可以看出，在此時兩個液壓缸同步的壓力、流量、速度以及液壓缸的負載的數值。在FluidSim軟件仿真時也可以觀看液壓缸的活塞桿動態的伸出和縮回仿真過程。圖4為AMESim軟件中液壓同步回路的兩個液壓缸進出口的壓力在時間2s的整個變化過程，從圖4可以看出，兩液壓缸進出口端的壓力變化基本是相同的，但在0.9～1.7s的時間端壓力變化略微不同，為我們研究液壓缸實際過程中不是很精確的同步動作提供參考依據。同時，液壓缸為克服負載瞬間就升到大約18MPa，而液壓缸出口端的壓力在隨后的時間段與出口壓力保持大約4MPa的上下幅度。在1.75s左右進口壓力升到溢流閥的最大壓力40MPa，溢流閥啟動保壓泄壓。因此，從兩種軟件的分析結果可以看出，FluidSim軟件適合在液壓與氣動課程的教學過程中給學生演示回路動作過程，可對基于元件物理模型的回路圖進行實際仿真，并有元件的狀態圖顯示，這樣就使回路圖繪制和相應液壓（氣壓）系統仿真相一致，能夠在設計完回路后，驗證設計的正確性，但無法用于工程仿真。AMESim軟件可以使物理系統模型直接轉換成實時仿真模型，依照所建模型，用戶能靈活地利用智能求解器挑選最適合模型求解的積分算法，為縮短仿真時間和提高仿真精度，用戶能在不同仿真時刻根據系統的特點動態切換積分算法和調整積分步長，可以分析整個系統的參數特性，為實際的工程液壓系統提供參考依據。

圖3 在FluidSim中液壓回路某時間運行狀態仿真

3 結論

本文通過以液壓同步回路實例，分別對比了FluidSim和AMEsim軟件在液壓系統搭建、液壓元件性能分析以及液壓回路仿真分析等方面的應用，可以看出FluidSim軟件適合在液壓與氣動課程的教學過程中使用，方便學生理解抽象的液壓系統原理；AMESim可以模擬分析液壓系統的各個參數（壓力、流量、加速度、位移等）特性，為實際的工程液壓系統和高職院校液壓與氣動課程教學提供參考依據。