FluidSIM仿真技術在“液壓與氣壓傳動技術”實踐教學中的應用

朱敬花 莊燕 汪小涵

摘 ?要：FluidSIM仿真軟件具有繪圖簡便、模擬工作過程直觀的特性。文章針對高職機電類“液壓與氣壓傳動技術”課程教學過程中存在的學生積極性不高、參與度低的問題，提出在課程教學中引入FluidSIM仿真軟件。以1HY40型動力滑臺液壓系統為例，介紹了FluidSIM仿真軟件在教學中的具體應用。FluidSIM逼真的仿真效果，極大地調動了學生參與課堂教學的積極性，教師在教學過程中也更加得心應手，在提高教學效率的同時有效突破了教學重難點。

關鍵詞：FluidSIM;1HY40型動力滑臺;液壓系統

中圖分類號：TP39;G420 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0194-05

Abstract： FluidSIM simulation software has the characteristics of simple drawing and intuitive simulation of working process. Aiming at the problems of low enthusiasm and low participation of students in the teaching of “hydraulic and pneumatic transmission technology” electromechanical course in higher vocational colleges， this paper puts forward the introduction of FluidSIM simulation software into the course teaching. Taking the hydraulic system of 1HY40 power slide as an example， this paper introduces the specific application of FluidSIM simulation software in teaching. The vivid simulation effect of FluidSIM has greatly mobilized the enthusiasm of students to participate in classroom teaching， and teachers are more handy in the teaching process. While improving the teaching efficiency， they have effectively broken through the key and difficult points of teaching.?

Keywords： FluidSIM; 1HY40 power slide; hydraulic system

0 ?引 ?言

在工業生產過程中，液壓與氣壓傳動是一種非常重要的傳動方式，對國民經濟的發展起著舉足輕重的作用，同時也是高職機電類課程中理論性比較強的一門專業基礎課程。該課程的概念多且復雜，流體力學分析抽象。由于液壓泵、液壓缸及各種控制閥體結構密閉，且高職類學生缺乏足夠的空間想象能力，雖然教師利用各種多媒體教學手段來增強課堂教學活力，提高教學效果，但很多同學對于工作原理的認識還是不夠透徹。液壓與氣壓傳動課程中的難點在于對各種控制回路的理解，雖然很多高校已經建立了液壓與氣壓實訓室，但是大多數管路不是透明的，學生也不能根據自己的需要任意搭建回路，難以檢查回路的正確性，也很難分析各元器件的工作性能。此外，傳統多媒體教學手段有限，網上能查到的動態回路很少，對于高職機電類學生來說，對回路的透徹理解始終是一個痛點。為了實現課程的教學目標，提高學生的學習興趣，將FluidSIM仿真軟件引入課程的教學中，直觀逼真的仿真效果，讓原本沉悶的課堂活躍起來，有效激發了學生的學習熱情，同時也提高了教學效果。

1 ?FluidSIM仿真軟件簡介

FluidSIM軟件是集繪圖和仿真于一體，專門用于液壓、氣壓控制回路設計與仿真的綜合性教學軟件。FluidSIM軟件用戶界面直觀，擁有豐富的元件庫，右鍵單擊圖標即可查看元件詳細的說明資料，有利于初學者的學習。FluidSIM軟件繪圖簡單方便，通過鼠標將左側元件庫中的相應圖標拖拉至新建窗口，即可繪制出液壓系統原理圖和相應的電氣控制回路圖，便于初學者快速掌握繪圖技巧。單擊FluidSIM軟件的仿真按鈕，即可對系統動作原理和工作過程進行模擬仿真，通過設定不同的元器件參數對系統工作性能進行直觀分析，并可以根據實際需要對系統進行調整設計。

2 ?1HY40型動力滑臺液壓系統設計

液壓動力滑臺是利用液壓缸將泵站所提供油液的壓力能轉變成機床滑臺運動所需的機械能。由于液壓動力滑臺的機械結構比較簡單，配上電器系統后可以非常方便地實現所需速度要求的進給運動，因此它的應用非常廣泛。

若要滿足實際工況下液壓系統對執行元件的速度要求，1HY40型動力滑臺的液壓系統必須具有良好的速度換接和無極調速特性。根據滑臺實際工作需求，可以實現的工作循環是“快進—I次工進—II次工進—止擋鐵停留—快退—原位停止”半自動循環?？紤]到滑臺的動作為直線往復運動，選擇單桿式單作用液壓缸作為液壓系統執行元件。根據滑臺工作特性（需要實現不同的進給速度），將系統設計為采用限壓式變量泵（葉片式結構）為整個系統供給液壓油，借助行程閥實現快進速度和兩次工進速度的切換，采用電液換向閥實現滑臺方向的轉換。表1為1HY40型動力滑臺液壓系統名稱。

2.1 ?用FluidSIM軟件繪制液壓系統原理圖

打開FluidSIM—H軟件，新建空白文檔后將左側元件庫中所需的元件拖至右側繪圖區，對管線進行連接，對元件貼標簽，最后單擊菜單欄中的啟動按鈕，檢查線路的連接情況。最終繪制出的1HY40型動力滑臺液壓系統原理圖如圖1所示。

2.2 ?1HY40型動力滑臺液壓系統電氣控制回路設計

在FluidSIM—H軟件中，不僅可以設計液壓系統回路原理圖，還可以對液壓系統回路中的電氣控制回路進行設計。將FluidSIM—H軟件元件庫中所需的電氣元件拖曳到新建文件中原理圖的左側就形成了配套的電氣控制系統，利用標簽將電氣元件和液動元件進行關聯（將液壓系統圖中YA1和YA2電磁換向閥與電氣控制回路圖中的YA1和YA2電磁線圈進行關聯），啟動菜單欄工具條中的仿真操作按鍵可以直觀地顯示液壓系統的整個控制過程。將液壓系統原理回路圖與電氣控制回路圖置于同一個界面，直觀地體現了電氣控制回路對液壓回路進行控制的過程，使抽象的控制過程變得形象具體，不但便于學生的理解掌握，同時也提高了學生的學習興趣，激發了他們的學習積極性。如圖2所示為1HY40型動力滑臺液壓系統電氣控制回路圖。

2.3 ?1HY40型動力滑臺液壓系統的仿真

在FluidSIM—H軟件中，完成系統液壓結構回路和相應電氣控制回路的繪制之后，單擊菜單欄中的啟動按鈕將FluidSIM—H軟件切換到仿真模式。將鼠標放置在電氣控制回路的常開按鈕SB1上，待鼠標指針變為手指形狀后，點擊工具條中的仿真按鈕即可進入仿真模式。在系統中可以設置管線顏色，我們利用系統默認顏色，其中深紅色管路代表高壓油路，淺灰色管路代表低壓油路，紅色線路表示系統中電氣控制回路接通時的狀態?？赏ㄟ^設置顯示元器件的壓力和流量狀態，在系統仿真過程中可隨時查看控制回路中各管路上液壓元器件的壓力值、流量值及其性能參數，還可以查看系統中各元器件工作過程與時間關系的狀態圖，如圖3所示。

2.3.1 ?快速進給仿真過程

按下電氣控制回路中的SB1啟動按鈕，電磁鐵YA1得電，電磁換向閥4左位接入系統，液壓油經行程閥下位流入到液壓缸左腔。由于滑臺空載，系統壓力不足以啟動順控閥4，順控閥處于關閉狀態，從液壓缸右腔出來的油液不能像其他工況一樣直接流回到回油箱，而是經過液動閥4再次回到液壓缸的左腔，形成差動連接，到達液壓缸左腔的油液流量最大，此時執行元件運行速度最快，在系統默認參數下，液壓缸速度為0.09 m/s，其仿真過程如圖4所示。

2.3.2 ?滑臺工進仿真過程

滑臺快速進給運行過程結束之后，行程閥11被滑臺中的擋塊壓下，閥體上位接通，原有的進油路被切斷，此時液壓油經調速閥8和換向電磁閥12進入液壓缸的左腔，回油油液從液壓缸右腔流出后經換向閥6左位和背壓閥直接流回到回油箱。在系統模擬仿真中，I次工進時液壓缸的工進速度為0.08 m/s，其過程如圖5所示。I次工進和Ⅱ次工進的工作過程基本一致，不同的是Ⅱ次工進時液壓油需要經調速閥8和9后才能進入液壓缸的左腔，此時仿真速度為0.04 m/s，其過程如圖6所示。

2.3.3 ?止擋塊停留

II次工進結束之后，滑臺在運行的過程中碰到止擋塊，滑臺機械停留，液壓缸左腔液壓油壓力升高，致使回路中壓力繼電器KP觸點接觸，開始動作，時間繼電器得到信號，停留時間則根據加工需要由時間繼電器來設定。

2.3.4 滑臺快速回退仿真過程

根據機床運行要求，一旦超過了時間繼電器設定的時間，控制回路中電磁閥YA1、YA3失電，電磁閥YA2得電，換向閥4的右位接通，此時滑臺負荷小，回路中液壓系統的壓力小，變量泵根據自身工作特點自動將流量調至最大，滑臺快速回退（自動）到起始位置，此時仿真速度為0.27 m/s，仿真過程如圖7所示。

3 ?液壓系統工況分析

根據變量葉片泵的技術資料和滑臺工作特點繪制滑臺流量—壓力特性曲線ABC，如圖8所示。根據滑臺工藝要求，初步確定滑臺快速進給和I次、II次工進（本文分析以I次工進為例）時變量泵的壓力（P快、P工）及流量（qv快、qv工）。根據已經確定的P快、P工和qv快、qv工，在圖9中做出K點和g點，過k點作AB的平行線A′B′，過g點作BC的平行線B′C′，其中A′B′和B′C′在B′處相交，曲線A′B′C′即為變量泵可調整壓力的參考。

按下啟動按鈕，滑臺快速前進過程中，調整順序閥的調節手柄，用直尺和計時表實測運行速度，與此同時調整變量泵流量調整旋鈕，直至測量出符合要求的進給速度方可對其進行鎖死。實測工件時對滑臺工作循環的各個進給速度進行采樣，如果測量時發現快速進給速度和快速回退速度偏高，則調整變量泵流量調節旋鈕直至符合要求，再鎖緊;如果測量時發現快速進給速度和快速回退速度不穩定，則調整變量泵壓力調節旋鈕直至符合要求，再鎖緊;如果測量時發現工進速度偏低并且不穩定，也需要調整變量泵壓力調節旋鈕直至符合要求，再鎖緊。

4 ?結 ?論

FluidSIM虛擬仿真軟件簡單易學，容易上手，而且繪圖簡單、速度快，在常規教學中應用仿真軟件，可以直觀地展示液壓元器件的內部結構和回路中液體的流動過程，將抽象復雜、難于理解的回路試驗變得具體形象、生動有趣。學生可以利用軟件進行自主設計，自行模擬液壓動力滑臺運行過程，修改回路設計，有效激發學生的主觀能動性與創造性，同時利用軟件提供的各個模塊去發現問題、解決問題，學生也更加主動、積極地參與到課程的學習中，大大提高了學生的學習興趣和學習效果。

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作者簡介：朱敬花（1986—），女，漢族，山東臨沂人，講師，碩士，研究方向：智能控制技術。