FluidSim 和AMESim在液压与气动课程教学中的应用——以《液压同步回路》为例

师 平 白亚琼

（西安航空职业技术学院，西安 710089）

《液压与气动》课程是高职液压与气动专业的专业核心课，具有很强的工程实践性，通过学习，要求学生掌握液压与气动的基础知识，掌握各类液压与气压元件的结构特点和工作原理，具备一定的分析设计液压与气动系统的能力。但是，学生在学习过程中很难理解和分析液压与气动系统，对静止和抽象的内容很难掌握，同时实践教学中，学生依照实验步骤按部就班地做，缺乏思考、创新的过程，无法达到培养学生实践能力和创新能力的目的，这是《液压与气动》教学中的难点[1]。本文提出将FluidSim和AMESim软件应用到该课程的教学环节中，通过对液压同步回路搭建、液压元件性能分析以及液压回路仿真分析等，激发学生学习兴趣，提高教学质量，为高职院校液压与气动课程教学提供参考。

FluidSim软件是由德国Festo公司Didactic教学部门和Paderborn大学联合开发的，可以实现液压系统、气压系统及电气控制系统的原理图绘制及系统的状态仿真。在FluidSim软件中提供了两个功能子系统，FluidSim-H用于液压系统仿真，FluidSim-P用于气动系统仿真[2]。

AMESim为多学科领域复杂系统建模仿真平台的发展，为多物理场的分析提供了有力的支持。用户可以在单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，在此基础上对元件或系统的稳态及动态特性进行仿真和分析，帮助用户对各类系统进行参数选定、功能评价、响应分析或控制逻辑设计，从而降低物理样机试制的风险[3]。

1 液压同步回路系统的建模与仿真

在液压设备中，如冲剪机床、大型压机中经常会遇到这样的问题，比如，如何保证在压力油同时进入几个工作部件的液压缸时，让它们以相同速度或相同的位置进行动作，即实现同步，但实际上由于每个缸所受外负载不同，泄漏损失不一样以及缸内径加工误差等，都会造成液压缸速度或位置的不同步。为使液压缸尽可能同步动作，除提高其加工精度外，还可通过回路的组合来保证输油量不随外负载的变化而变化，那我们研究一下液压同步回路的特性。假设液压系统中的启动液压泵电机转速为3000r/min，液压泵（齿轮泵）的的转速也为1000r/min，液压缸运动时间为2s，液压缸的活塞直径为25mm，抽油杆直径为12mm，负载的的重量分别为100kg，液压缸活塞行程长度为0.1m，摩擦阻力为1N，溢流阀最大压力为40MPa（因为它是FluidSim软件的溢流阀最大压力值，不能在增加，而AMESim软件可以根据实际工况任意设置压力）。用以上参数进行液压同步回路建模仿真。如图1、2分别在FluidSim和AMESim建立的液压同步回路模型。

图1 在FluidSim建立的液压同步回路模型

2 液压同步回路系统仿真分析

图2 在AMESim建立的液压同步回路模型

下面详细介绍两种软件对液压同步回路的仿真分析的不同。图3为FluidSim软件中液压同步回路某时间段运行状态仿真图，从图3可以看出，在此时两个液压缸同步的压力、流量、速度以及液压缸的负载的数值。在FluidSim软件仿真时也可以观看液压缸的活塞杆动态的伸出和缩回仿真过程。图4为AMESim软件中液压同步回路的两个液压缸进出口的压力在时间2s的整个变化过程，从图4可以看出，两液压缸进出口端的压力变化基本是相同的，但在0.9～1.7s的时间端压力变化略微不同，为我们研究液压缸实际过程中不是很精确的同步动作提供参考依据。同时，液压缸为克服负载瞬间就升到大约18MPa，而液压缸出口端的压力在随后的时间段与出口压力保持大约4MPa的上下幅度。在1.75s左右进口压力升到溢流阀的最大压力40MPa，溢流阀启动保压泄压。因此，从两种软件的分析结果可以看出，FluidSim软件适合在液压与气动课程的教学过程中给学生演示回路动作过程，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示，这样就使回路图绘制和相应液压（气压）系统仿真相一致，能够在设计完回路后，验证设计的正确性，但无法用于工程仿真。AMESim软件可以使物理系统模型直接转换成实时仿真模型，依照所建模型，用户能灵活地利用智能求解器挑选最适合模型求解的积分算法，为缩短仿真时间和提高仿真精度，用户能在不同仿真时刻根据系统的特点动态切换积分算法和调整积分步长，可以分析整个系统的参数特性，为实际的工程液压系统提供参考依据。

图3 在FluidSim中液压回路某时间运行状态仿真

3 结论

本文通过以液压同步回路实例，分别对比了FluidSim和AMEsim软件在液压系统搭建、液压元件性能分析以及液压回路仿真分析等方面的应用，可以看出FluidSim软件适合在液压与气动课程的教学过程中使用，方便学生理解抽象的液压系统原理；AMESim可以模拟分析液压系统的各个参数（压力、流量、加速度、位移等）特性，为实际的工程液压系统和高职院校液压与气动课程教学提供参考依据。