基于UG和AMESim軟件液壓傳動技術課程教學應用研究

李玉軍

(酒泉職業技術學院,甘肅 酒泉 735000)

0 引言

液壓傳動技術是理論與實踐結合非常緊密的一門課程,是高職院校機電機制專業類學生必修的一門課程[1]。要求學生掌握液壓傳動理論知識,能拆裝典型液壓元件和診斷故障,能安裝調試基本液壓回路系統。如何在液壓傳動技術課程教學過程中結合UG和AMESim軟件進行同步教學,幫助學生理解理論知識、提高學生綜合實踐能力、改進課堂教學質量是急需解決的重要問題,同時也是本論文研究的重點。

1 液壓傳動技術課程教學中面臨的困境

1.1 理論知識難懂,元件結構難以掌握

液壓傳動技術課程在流體傳動方面理論知識較多,其中涉及流體力學的許多原理和公式,推導繁瑣,學生學習起來較為吃力,困難重重,學生學習興趣不高[2]。液壓元件結構復雜,種類多,雖然學生已學過制圖等課程,但在學習液壓元件結構時由于識圖基礎較弱,對元件的結構掌握較困難。

1.2 液壓回路工作原理抽象,教學直觀性差

液壓回路是一個密封的工作系統,由液壓元件與管道按一定控制功能相連,其運行控制過程比較抽象,需要對其有很深的了解,才能對回路的故障進行調整和排除。但是,由于閥體內部構造、工作機理以及流體流動狀況,肉眼不能觀察到,因此也就不能觀察到氣穴現象的存在[3]。所以,學生們對理論知識的理解和印象都不深刻,很難做到拆卸和診斷典型液壓元件及系統,了解液壓系統安裝和調試的教學目的。

1.3 缺乏全面的認知和實踐訓練

傳統教學內容主要是以教材中“單元-基本回路-典型系統”為主線,在一定程度上出現了知識“碎片化”的問題,這也違背了學生對液壓系統的一般認知規則[4]。在試驗臺上,學生要對液壓回路進行搭接,往往需要花費很多的時間。此外,如果出現故障,很難找到問題所在,學生幾乎沒有進行實際操作的機會,這就造成了理論與實踐之間的脫節,從而導致學生所掌握的實際知識和技能水平都不高[5],無法達到職業教育崗位對專業技能的培養要求。

2 UG與AMESim軟件引入課程教學設計

在液壓傳動技術的課程教學過程中,以UG和AMESim軟件為基礎,按照“教師引領,學生主體”的原則,通過虛擬仿真技術達成教學目標。下面以快速運動回路為例,說明該教學設計過程。首先,對齒輪泵體通過UG軟件進行虛擬拆裝,然后對齒輪泵的運動進行仿真分析,加深泵體內部結構和工作原理的理解;其次,將齒輪泵模型導入AMESim軟件,通過系統軟件進行詳細計算;最后,構建以齒輪泵為基礎的液壓缸差動連接快速運動回路,對差動動態特性進行仿真與分析[6]。

2.1 齒輪泵的三維裝配建模

利用UG軟件建立齒輪泵的三維模型,利用爆炸視圖對其分解。在課堂上,以圖1為依據,講解齒輪泵內部構造及各零件間的相互關系。齒輪泵是由一對嚙合齒輪、端蓋、泵體組成,這一對嚙合齒輪具有相同的模數和齒數;密封容腔由齒輪嚙合線、端蓋、泵體組成;吸油腔和壓油腔是由齒輪嚙合線分割而成。通過三維模型,學生容易清晰分辨出液壓泵體的組成零件和各零件之間的裝配關系。

圖1 齒輪泵裝配體爆炸圖

2.2 建立齒輪泵三維模型運動仿真

利用UG軟件進行運動仿真,建立齒輪泵總成內零件的運動關系,并利用仿真動畫說明其工作原理。在課堂上,根據圖2進行分析,當齒輪轉動時,吸進齒輪之間的油被引向左邊。左壓油腔中的齒輪連續嚙合,使得密封件的體積不斷縮小,將油從齒縫中排出并壓入系統。在課堂上以三維動態的方式呈現齒輪泵的結構和工作原理,讓學生對泵體內主動輪和從動輪之間的配合,以及油的傳輸路徑有一個清晰的認識。

圖2 齒輪泵三維模型

2.3 液壓基本回路系統仿真

2.3.1 齒輪泵液壓元件子模型生成與仿真

首先,以STEP格式存儲所繪制的齒輪泵三維模型;其次,利用AMESim軟件中CAD輸入函數,在齒輪泵的3D建模中,將齒輪泵的進口區域、出口區域、主動輪位置、從動輪位置、齒輪輪廓曲線等參數,與AMESim機械設計庫中的齒輪泵零件模型進行參數相關性分析;最后,給出一個齒輪泵模型示意圖(圖3)。將3D模型引入到AMESim建模中,使實體模型與三維模型之間架起了一座橋梁,減少了繁瑣的建模流程,大大縮短了建模時間,同時也提高了模擬的準確性和可信度。

圖3 齒輪泵工作系統仿真模型

在此例中,齒輪泵轉速參數分別設置為2 000,4 000,6 000 r/min,圖4即為齒輪泵轉速與流量關系的曲線分析圖。仿真結果表明,在齒輪泵轉速為6 000 r/min和4 000 r/min的情況下,其流速曲線是一致的。通過對試驗結果的分析,發現在齒輪泵傳動軸上存在一個較低的壓強區域,當油壓達到汽化壓力后,油液由液體轉變為氣體,產生油氣和空穴現象,對泵工作性能有很大影響,這將導致油泵出油速度大幅度下降,產生噪音和振動,加劇油泵磨損。因此,選擇適當的轉速可有效減少液壓系統的能量消耗,進而提高系統的工作效率。

圖4 齒輪泵轉速與流量關系曲線

徑向間隙泄漏是指在齒輪齒頂圓和泵本體接合部位處存在的泄漏。在制造過程中，為確保齒輪泵在傳動時不出現“刮膛”,應盡量保留最佳的徑向間隙,否則會對泵的工作效率產生不利影響。從理論上講,在分析齒輪泵失效時,首先要考慮的就是內部泄漏,并且在實際工作中,因泄漏是在泵體內部,所以很難被檢測出來。從仿真齒輪泵徑向間隙系數對其工作性能的影響可以看出(圖5),隨著齒輪泵的徑向間隙系數增加,泵內的工作壓力和出口流量都會減小,徑向間隙系數小于0.1 mm時,對其工作性能的影響較小,當徑向間隙系數為0.3 mm時,泄漏最大,此時泵內的最大壓力僅能提高1.3 MPa,從而造成系統壓力無法滿足要求。在3.7 s之后,泵出口的流速急劇下降,導致泵的容積效率也相應下降。

圖5 齒輪泵徑向間隙系數對工作性能的影響

圖6、圖7為主動輪和從動輪在進入嚙合與脫離嚙合期間,各齒腔內的壓力變化規律。仿真結果表明,主動輪的壓力比從動輪稍大,且存在明顯波動。通過對試驗結果的分析,發現齒輪嚙合間隙內的壓力突然增加,從而引起了齒輪疲勞。閉塞體積大小會隨著齒輪旋轉而改變,導致流體壓力迅速上升或下降。

圖7 從動輪每個齒腔壓力變化曲線

通過AMESim仿真,將不能觀察到的液流狀態轉化成數字曲線,實現了泵體內部的流動參數可視化。通過可視化的理論分析,解決了教學中的難點,使學生能更深入、直觀地了解泵的結構特征,分析問題成因,為以后的學習應用打下良好基礎。

2.3.2 基于AMESim的差動連接快速運動液壓回路系統構建

基于齒輪泵的數學模型,將其引入到液壓元件庫中的控制單元和執行單元,建立一個基于差動連接的快速運動回路模型(圖8)。在此液壓回路系統中,通過設置階梯函數對電磁閥閥座的位置進行控制,使油路中的流體流向發生變化,從而改變缸內柱塞的速度和位移,該回路在組合機床液壓傳動滑臺和各種特殊機床中得到了廣泛應用[7]。

圖8 液壓缸差動連接的快速運動回路模型

從仿真結果圖9、圖10分析了循環動力學和靜態性能。0～1 s時(圖9),電磁閥3三位四通電磁換向閥和5二位三通電磁換向閥右位工作,液壓缸有桿腔和無桿腔同時進油,形成差動連接。從圖10可以看出油缸入口壓力快速升高,達到最大值,此時最大轉速可達0.78 m/s,活塞桿快速前進;1～3 s時,閥5切換到左位工作,差動連接被切斷,壓力快速下降,轉速降到0.37 m/s,并進一步證實了仿真結果中的速度值[8];3～4 s時,閥門3轉換成左位工作,液壓缸有桿腔進油,在無桿腔中的液壓油通過油路返回,使活塞桿以0.22 m/s的速度快速向后退回,由于外部載荷的反向作用,使活塞桿在加速后退過程中更快,僅在4 s內就返回到終點;4～5 s時,閥3切換到中間位置,液壓油缸停止動作。因此在高速、低速換接過程中,電路平穩性差,差動沖擊大,應注意操作過程中防止過速。

圖9 活塞桿速度與位移曲線

圖10 液壓缸的進口壓力和流量曲線

2.3.3 基于UG與AMESim軟件的學習效果

通過該學習方式,學生能夠更好了解液壓執行機構、控制機構、動力機構的原理和工作過程,突破以往“碎片化”的教學方式,讓學生能夠更好地了解液壓元件的工作機理,更好地掌握液壓元件在液壓系統中的應用及選用。這將為今后在試驗臺上進行回路搭接奠定基礎,極大地提高系統搭接成功率,減少試驗的風險性。

3 結論

通過UG與AMESim相結合,對齒輪泵進行建模和仿真,將其用于液壓傳動技術課程教學,使先進的建模仿真技術與理論教學相結合,豐富教學內容和教學方式。

1)應用UG三維建模技術,對零部件的辨識進行了較好處理,為齒輪泵組合體的裝配和拆卸試驗奠定了基礎。利用UG軟件對齒輪泵進行運動仿真,并著重介紹齒輪泵的工作機理。

2)運用AMESim中的物理模型,以及液壓泵的三維模型,對齒輪泵內部結構和漏油、現象進行仿真分析,學生可以直觀地找到這些現象存在的原因,同時進一步探索齒輪泵參數對其工作性能的影響。

3)通過AMESim仿真,將差動連接的操作與控制流程轉化為可操作、可視化的虛擬過程,從而達到所講即所見的目的。在仿真結果的基礎上,對各元件的操作、控制作用進行對比分析,使“虛”“實”有機地融合在一起,理論聯系實際,培養了學生綜合實踐能力。