液压系统Amesim计算机仿真进阶教程

本书是用AMESim仿真软件进行液压系统计算机仿真的进阶教程，主要通过实例来介绍用AMESim仿真软件进行液压系统建模和仿真的基本理论和操作技巧。所列举的实例，涵盖了流体力学、泵、缸、蓄能器、控制阀、回路及比例伺服系统等领域。读者通过实例的学习，既能够掌握AMESim基本操作技巧，又能够学习液压传动基础知识，一举多得。

目录

前言

第1章液压系统仿真基础知识1

11仿真概述1

12Amesim中液压仿真的总体介绍4

121Amesim中的库4

122液压系统的组成6

123简单实例9

13系统代数环的概念与解决方案14

131代数环的概念14

132代数环的解决方法15

第2章液压油和液压流体力学的仿真方法16

21流体的基本属性16

211概述16

212流体密度16

213流体的可压缩性17

214黏性20

215存在空气和气泡的流体21

216气穴和气蚀现象22

217液压流体属性子模型22

218流体属性仿真实例25

22流体静力学28

221液体的静压力及其特性28

222静压力基本方程式29

223液体静压力的仿真29

224帕斯卡原理30

225帕斯卡原理仿真30

23流体动力学33

231液体连续性原理33

232流体连续性原理仿真34

233理想液体的伯努利方程36

234实际液体的伯努利方程36

235动量方程36

24孔口和缝隙流量37

241孔口流动37

242缝隙流动40

243Amesim中的节流孔40

244总结41

245孔口流量公式的仿真42

246参考压力下的流量44

247孔口出流45

25液体流动时的压力损失48

251液体的流动状态48

252压力损失49

253流体属性对层流紊流的影响50

26动量方程的应用54

261滑阀液动力54

262锥阀阀口通流面积及压力流量方程56

263锥阀的稳态液动力57

264圆柱滑阀液动力仿真57

265锥阀的稳态液动力59

第3章液压泵的仿真方法61

31采用液压库的液压泵仿真方法61

311流量源的使用方法61

312定量泵模型的使用方法62

313变量泵模型的使用方法62

314恒压变量泵模型的使用方法63

32液压泵液压元件设计库仿真基础知识64

321常见泵的机械结构及工作原理64

322Amesim中构建泵模型常用库元件65

33柱塞泵的仿真68

第4章液压缸的仿真方法84

41液压缸仿真的基础知识84

42液压库中的液压缸模型84

43柱塞缸仿真85

431柱塞缸仿真模型85

432柱塞缸仿真实例86

44活塞缸仿真90

441单杆双作用90

442双杆双作用91

443差动式91

444单杆单作用92

445增压缸92

446增速缸93

447多级缸仿真93

第5章蓄能器的仿真方法96

51蓄能器仿真简介96

511蓄能器技术概述96

512蓄能器功用97

513蓄能器的计算和选型97

514Amesim中的蓄能器参数99

52蓄能器仿真实例101

521蓄能器数学模型的简单验证101

522较复杂的蓄能器仿真103

第6章液压控制阀的仿真方法109

61液压控制阀Amesim仿真概述109

62单向阀109

63方向控制阀的仿真114

631方向控制阀的系统级仿真114

632方向控制阀的元件级仿真115

64压力控制阀的仿真121

641溢流阀仿真121

642减压阀仿真132

643顺序阀仿真136

644压力继电器仿真145

65流量控制阀的仿真149

651节流孔的仿真149

652节流阀的仿真156

653调速阀的仿真156

66插装阀的仿真158

661插装方向控制阀158

662插装压力控制阀163

663插装流量控制阀164

664插装阀仿真综合实例165

第7章液压回路的仿真169

71液压回路仿真的基础知识169

72调速回路的仿真169

721进油节流调速回路169

722回油节流调速回路174

723旁路节流调速回路179

73方向控制回路的仿真181

74压力控制回路的仿真189

75平面机构库和液压库的仿真195

第8章比例伺服系统的仿真方法201

81伺服系统仿真基础知识201

811比例换向阀的流量计算202

812流量计算实例203

813仿真实例1203

82不考虑负载和摩擦的双活塞杆阀控缸系统204

821理论分析204

822仿真实例2206

83不考虑负载和摩擦力的单活塞杆阀控缸系统209

831单活塞杆液压缸的面积比209

832前进行程：两腔的压力和控制边上的压力降210

833后退行程：两腔的压力和控制边上的压力降211

834速度计算212

835使用三位四通比例换向阀的阀控缸系统前进后退速度的比较213

836使用三位四通开关阀的阀控缸系统前进后退速度的比较213

837仿真实例3213

84考虑负载和摩擦的双活塞杆阀控缸系统216

841驱动活塞的最大力216

842匀速运动时的活塞力216

843负载压力、腔体压力和通过控制边的压力降217

844运动速度的计算217

845泵的大小218

846仿真实例4（考虑负载和摩擦力的双活塞缸液压缸速度的计算）218

847负载力对运动速度的影响221

85考虑负载和摩擦的单活塞杆阀控缸系统222

851驱动活塞的最大力222

852恒定运动速度的输出力223

853负载压力、腔体压力和控制边的压力差223

854前进和后退行程的速度计算224

855负载力的影响224

856泵的规格224

857仿真实例5（考虑负载和摩擦力的单活塞杆阀控缸速度的计算）225

参考文献227

 

前言随着计算机技术的飞速发展，各行各业涌现出了名目繁多的仿真软件，流体传动与控制领域也不例外。通常所说的流体传动与控制系统指液压系统，也包括气动系统。本书主要讲解液压系统的计算机软件仿真方法，并且主要介绍的是液压传动系统的静态特性仿真，不涉及伺服系统的动态性能仿真。

    目前市面上流行的液压系统计算机仿真软件主要包括FluidSim、Automation Studio、HOPSAN、HyPneu、Easy5、DSHplus、20sim、Amesim、MATLAB等。本书介绍利用Amesim软件进行液压系统计算机仿真的基本方法，以期为Amesim软件在中国的普及贡献一点绵薄的力量，促进国内相关领域的发展。

    本书介绍的是液压系统仿真的基本知识，要想看懂本书，必须拥有一定的液压基础知识。笔者在写作本书的过程中，深深地体会到液压技术本身的功底对液压仿真的重要性，建议读者在学习本书的同时也应该更深入地学习液压工程知识。但反过来，笔者认为，Amesim完全能够胜任液压虚拟实验室的功能，对提高用户的液压工程能力，也能够起到一定的作用。

    本书的体系结构参考了国内通行的液压传动教材的结构，目的是想介绍一种思想，一种用Amesim解决液压工程问题的思想。本书旨在证明一点，Amesim可以解决绝大多数液压工程的仿真问题，它提供了从流体力学到液压传动、直到伺服控制的完整的液压解决方案。

    阅读这本书，读者首先要知道用Amesim进行仿真的基本步骤，即建立模型草图，赋予子模型，参数设置，最后是仿真。本书关注用Amesim解决液压问题，因此许多关于Amesim的基本操作方法，介绍得不多，比如仿真结果的显示和处理、批处理的设置方法、超级元件的设置方法、图标的绘制和创建等。这些操作方法，读者可以从本书的姊妹篇《液压系统Amesim计算机仿真指南》和Amesim的帮助文件中找到相关答案。所以读者学习Amesim，最好拥有一定的英文基础。

    本书的特色是介绍了Amesim液压库中没有的元件的仿真模型构建方法，比如增压缸、多级缸、压力继电器、插装阀、柱塞泵等元件的Amesim仿真方法。通过学习这些元件仿真模型的建立方法，读者最重要的是掌握其建模思想，一旦掌握了建模思想，就能够举一反三，从而能够建立从前没有见过或Amesim库中没有提供的元件的仿真模型，进而解决实际工程问题。

    本书第1章介绍了液压系统仿真基础知识，读者可以先大致阅读一下本章，重点是了解用Amesim进行液压系统计算机仿真所需要的四个步骤，待到学习逐渐深入后，可以再返回来重新详细阅读，这样读者就能够加深对Amesim的理解，从而提高能力，解决更深层次的问题；第2章介绍了液压油和液压流体力学的仿真方法，主要介绍了流体的属性及其仿真实例、流量静力学及其仿真实例、流体动力学及其仿真实例、流体流动时的压力损失、孔口和缝隙的流动，这一章的内容在后面的章节中会经常用到，并且内容比较抽象，读者要细心研读；第3章介绍了液压泵的仿真方法，重点介绍了柱塞泵的仿真建模方法，这一章的仿真实例比较复杂，完整再现了柱塞泵的Amesim仿真建模方法，并且涉及到了液压库、液压元件设计库、机械库、信号库等内容，有一定难度；第4章介绍了液压缸的仿真方法，包括柱塞缸、活塞缸等内容；第5章介绍了蓄能器的仿真方法，并给出了仿真实例；第6章介绍了液压控制阀的仿真方法，着重介绍了液压库中方向阀、压力阀和流量阀的性能特点和参数设置方法，还介绍了用液压元件设计库搭建插装阀仿真模型的方法，本章对液压系统建模有很大的参考价值；第7章介绍了液压回路的仿真，包括调速回路、方向控制回路、压力控制回路，还介绍了利用Amesim的平面机构库和液压库联合进行仿真的方法；第8章介绍了比例伺服系统的仿真方法，由于本书的目的不是介绍液压系统动态特性的仿真方法，因此这一章没有介绍动态系统的常见内容（如时域分析、频域分析和校正等），而是通过循序渐进的设计实例，介绍了比例伺服液压系统的设计方法，并用仿真验证了设计方法的可行性，对提高读者的液压系统设计能力有一定的帮助。另外，本书所有的液压原理图图形符号都采用了《GB/T 7861—2009流体传动系统及元件图形符号和回路图》标准。本书所有的仿真实例均由Amesim Rev13创建。本书还附带了包含所有仿真实例文件的光盘。

    本书在编写过程中，得到了西门子公司仿真工程师聂利卫、谢基晨的大力帮助和支持，特别是谢基晨工程师不厌其烦的解释和讲解，帮助作者克服了许多仿真难题，并且两位工程师也对全书的体系结构给出了良好的意见建议，并亲自撰写了部分章节，在此对两位工程师的帮助表示深深的感谢！

    Amesim软件庞大复杂、功能众多，液压技术体系严谨、博大精深，笔者自知自己液压功底尚浅，写作本书，只希望能够起到抛砖引玉的作用，希望对提高国内的液压元件、液压系统设计分析能力，贡献自己的一点力量。

    写作时间仓促，必然存在这样或那样的错误和疏漏之处，恳请国内同行批评指正，联系方式：[email protected]。

    梁全