AMESim HCD液压元件设计库教程 完整版.docx
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AMESimHCD液压元件设计库教程完整版
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*****************
1、引言
HCD（HydraulicComponentDesign）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；
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：
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。
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
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
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。
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0Bar到100Bar，
右
压力源从100Bar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：
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
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。
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。
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
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
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10N/（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
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
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。
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
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