amesimtraining理解重要液壓基礎概念

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master). Training

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HYD1Introduction

to

hydraulic

capabilities

in

AMESimCourse

objectives2

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-

2009通過學習HYD1課程，您將學到：理解重要的基礎概念庫和元件有一個總體對AMESim的認識怎樣用AMESim搭建

系統(tǒng)復習典型

系統(tǒng)的模型Event

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master)AMESim中的總體介紹標準

庫(HYD).液阻庫(HR).元件設計庫(HCD).在AMESim的庫函數(shù)中有三個庫和相關4

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-

2009為什么要用3個庫？每個庫都滿足了不同方面的需求HYD:標準庫，通過庫內(nèi)典型元件進行系統(tǒng)仿真。HR:

液阻庫，主要用于分析中的壓力損失和流量分布。HCD:

元件設計庫，是由基本幾何結構單元組成的基本元素庫，用于根據(jù)幾何形狀和物理特性詳細構建各種

元件。5

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-

2009HYD6

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-

2009HR7

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-

2009HCD8

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-

2009本庫(HYD)是最基本庫。因為其他二個庫都必須用到該庫中的一些基元部件模塊。流體性質(zhì)源(壓力源和流量源)傳感器9

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-

2009……還有很多庫中的元件會被經(jīng)常使用到節(jié)點阻尼孔(液阻)容積腔(液容)泵、馬達(轉(zhuǎn)換器)管路（沒有圖標）10

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-

20093個庫是相互兼容的3個庫每個庫有不同方面的應用標準庫(HYD)是最基本的11

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-

2009Event

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master)流體屬性液體屬性有哪些?氣蝕/氣穴AMESim中的液體屬性模型定義“液體屬性”是步系統(tǒng)建模的第一13

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-

2009液體的屬性有很多方面：密度壓縮性黏度導熱率比熱電特性穩(wěn)定性毒性潤滑但是只有很少的幾個是在計算中需要用到的…PropertiesParametersPhenomena飽和壓力蒸發(fā)壓力燃點表面張力熱膨脹性沸點氣蝕氣穴14

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-

2009影響液體動態(tài)特性的三個基本屬性:密度

[kg/m3]

質(zhì)量特性體積模量[bar]

可壓縮性

=剛度特性粘度

[Pa.s]

阻尼特性庫中是對于液體的熱屬性，例如導熱系數(shù)、比熱、熱膨脹等在忽略不計的（但是在熱

庫中是可以考慮的）然而，空氣含量(air/gas

content),飽和壓力(saturation

pressure)和蒸發(fā)壓力(vapour

pressures

),是處理氣蝕現(xiàn)象（aeration/cavitation）必不可少的。15

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-

2009

f

P,T

0

o(P)

o(T

)T

T

o(P)

o(T

)

0

P液體的密度可以認為是壓力和溫度的函數(shù)，做泰勒展開可以得到在HYD中不考慮溫升0

T壓縮性d(P)

.

dP彈性模量和密度的關系保證了系統(tǒng)中的質(zhì)量守恒16

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-

2009通常情況下，

油中是含有空氣的因此在計算液體性質(zhì)時需要考慮空氣的影響(例如剛度和密度).為了實現(xiàn)這一點需要設定下列參數(shù)Air/gas

content（空氣含量）空氣含量采用體積百分比（percentage

of

volume

），而不是質(zhì)量百分比！Saturation

pressure（飽和壓力）大于這個壓力，所以空氣將完全溶解到油中，低于這個壓力析出的空氣數(shù)量是壓力的函數(shù)。Lubricant

aeration

in

running

engineSurfacevortexJet

trapbubbles17

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-

2009相位圖溫度壓力沸騰氣蝕SumpHigh

pressure氣蝕現(xiàn)象是指當壓力低于液體自身蒸發(fā)壓力時出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象18

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-

200919

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-

2009TimeVapour

cavitiesAir

bubbles飽和壓力Liquid

pressure蒸發(fā)壓力+LiquidonlyAir

absorption

(total

or

partial)(free

dissolved

air)Air

release

(dissolved

free

ari)PsatPvap摻混空氣-氣蝕Liquid

withdissolved

air在草繪階段，

一個流體特性圖標,

一個壓力源和一個液體屬性傳感器。這是一種最簡單的測試液體屬性的方法選擇FP04子模型(FP01,FP02和FP03是以前舊版本所使用的現(xiàn)在被FP04代替)進入到參數(shù)階段20

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-

2009簡單級非常簡單的模型和假設。很少使用?；A級同高級模型相同，但有些參數(shù)是無法更改（采用默認值）。高級通用的流體模型，不僅能夠考慮液體性質(zhì)，也能考慮到液體中空氣/氣體和蒸汽氣泡（氣穴）的影響。21

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-

2009通過圖表定義的高級模型用戶通過ASCII定義流體屬性

是一個關于壓力和溫度的函數(shù)?？諝馕龀龊蜌庋ǖ挠绊懶Ч透呒壞Ｐ鸵粯覴obert

Bosch絕熱柴油這個模型是和博世共同開發(fā)經(jīng)過實驗驗證.22

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-

2009油索引號是識別液體屬性的參數(shù)，這樣能夠在同一個系統(tǒng)中考慮多種不同液體的影響（例如:

油和冷卻劑或

油和,必須使用多個）。在草繪階段油屬性符號所有 元件子模型都需要定義流體的性質(zhì)(ρ,

B

或viscosity)需要一個

油索引號.Index

of

hydraulic

fluid23

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-

2009AMESim中不同流體屬性子模型對液體屬性的影響01_Fluid_props_submodels.ame24

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-

2009氣穴現(xiàn)象對液體性質(zhì)的影響油三個主要屬性質(zhì)量守恒AMESim中不同復雜程度液體屬性25

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-

2009Event

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master)元件功率鍵合圖理論介紹AMESim中的

元件根據(jù)功率鍵合圖理論，AMESim把元件歸納成幾大類27

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-

2009集中參數(shù)法:將基本的物理現(xiàn)象歸納為感性元件、容性元件和阻性元件的造成的影響集中參數(shù)法分布參數(shù)法質(zhì)點和沒有質(zhì)量的彈簧帶有質(zhì)量的彈簧InertiaCapacitiveResistiveMechanicsHydraulics其他元件,源,節(jié)點,轉(zhuǎn)換器等,…28

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-

2009Bond

graph

theory復合接口法:強調(diào)子模型和其周圍環(huán)境之間的能量交換機械、

系統(tǒng)之間的功率的轉(zhuǎn)換是兩個變量的乘積機械功率Pm是扭矩和角速度的乘積功率Ph是壓力和流量的乘積功率的轉(zhuǎn)換是有方向的 (對

泵來說,

能量從機械能轉(zhuǎn)化為能)29

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-

2009Bond

graph

theory交換的功率是兩個變量的乘積:力變量流變量兩個元件的連接=因果關系或作用力和反作用力的原理通過因果關系來定義力流功率機械Force

[N]Velocity[m/s]Pow

[W]

=F

*

VPressure[bar]Flowrate[L/min]Pow

[W]

=P

*

Q30

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-

2009A和B兩個子模型的連接:每一端都要有力變量和流變量的連接其中只有一個是施力物體如果對A施加一個力，它將通過反作用力來改變其流變量，對B來說也是一樣的Bond

graph

theory31

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-

2009端

換的變量:壓力[bar]體積流量[L/min]對于機械元件(作動器,泵…)機械變量同樣發(fā)生了改變:速度、位移、加速度(平動或旋轉(zhuǎn))力和扭矩32

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-

2009和AMESim中的其他模塊一樣，每個

元件模型都有一個特定的因果規(guī)則，因此它并不能一直保證和相連的模型連接。在端口中，有兩種因果關系：阻性(R：Restrictive)或者慣性（I:inertia）：輸入壓力、輸出流量。容性元件(C：Capacitive)：輸入流量、輸出壓力。在此提醒一下，為了能夠連接兩個元件，第一個元件連接端口的輸入輸出變量分別要和第二個元件連接端口的輸出和輸入變量一致。33

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-

2009上述規(guī)則的例外:源模一個元件端口的輸出并不需要相連端口的輸入：例如一些型不需要任何輸入。OK記住:輸出是在該元件中計算得到，在計算輸出時需要輸入。34

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-

2009Hydraulic

components系統(tǒng)中的幾種元件缸容積腔換向閥阻尼孔泵管道35

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-

2009容積腔是容性元件，具有容積效應，蓄能器和管路同樣具有這樣的效應通過引入液體的彈性模量B來考慮液體的可壓縮性，彈性模量B代表了液體剛度ii向容積腔內(nèi)輸入流量，輸出壓力可以通過下式計算到：dP

B(P)

Qdt

V36

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-

200902_simple_chamber.ame假設一個固定容積腔，初始壓力P0，以恒定的流量向里面注油，忽略容積變形量仿真時間0到1[s]通訊步長0.01[s]Q=0.1L/minV=1L37

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-

2009相應的AMESim模型容積腔內(nèi)壓力變化情況在1[s]仿真終止時壓力是28.31

[bar]Example1.ame02_simple_chamber.ame38

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-

2009元件中兩種壓力損失:局部壓力損失(阻尼孔，彎頭，過濾器…)沿稱壓力損失阻尼孔和管道都有液阻的作用兩種壓力損失都能通過類似的流量方程(伯努利方程)計算Orifices39

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-

2009其中Px

=靜壓U

=流速A

=過流面積g

=

重力加速度h

=高度ρ

=密度pressuretotal

pressure方程假設沒有能量損失:能量全部回收：如果A1

=A3

和h1

=h3

,P1

=P3dynamic23gravitytermstaticpressure21

1111

2

2

3

U

P3

g

h

P

g

h

U(1)U1U2U3P1A1P2A2P3A3Daniel

Bernoulli

(1700

–1782)40

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-

2009Orifices實際上是存在能量損失的，所以:P3

<P1局部壓力擾動

壓力損失!3losses21

1

2

13321

U

P

g

h

U

P

2P

g

h

(2)其中:DPlosses

=壓力損失P1,

A1方程（1）轉(zhuǎn)化成

1P2,

A2P3,

A341

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-

2009損失的壓力可以認為是液體速度U,液體密度以及摩擦因子ξ

(同元件的幾何形狀有關)的函數(shù)的壓力損失和流量分布時(HR

library)，當

需要考慮主要用方程（3）對于流量控制，需要用到一個關于流量系數(shù)Cq的方程，這個方程在AMESim(HYD,HCD…)中經(jīng)常用到。OrificesA22

221

Q

2

Plosses

1

U

(3)qC2up

down2

P

P

where

1

Q

Cq

Ar

(4)42

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-

2009根據(jù)是慣性（

inertia

）起主要作用還是粘性（

viscous

）起主導作用，存在兩種流動狀態(tài)（flow

regime）：層流（

Laminar

）：流動非常平穩(wěn)紊流（

Turbulent）：流體的運動不規(guī)則，在下游存在紊亂以及渦流等。這兩種流動狀態(tài)和雷諾數(shù)(Reynolds

number)相關或者是流量系數(shù)λ。Re

U

Dh

2

P

Dh

在AMESim中,兩種流動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是通過流量系數(shù)Cq來實現(xiàn)的。43

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-

2009一般來說,流量系數(shù)Cq

是通過試驗和CFD計算來獲得Cq

很顯然是關于描述液體流動狀態(tài)的雷諾數(shù)Re和流量系數(shù)λ

的函數(shù)CqReynoldsCqLambdaLaminarTurbulent44

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-

2009Orifices和臨界流量系數(shù)來計算在HYD

中,流量是通過最大流量系數(shù)和Cq在HR

中,壓降是通過摩擦系數(shù)和臨界雷諾數(shù)來計算ρQ

Cq

Arest

2

P2restP

Q22

A

Dh

2

P

HYD

libraryBernoulli

equationHR

libraryDarcy-WeisbachequationFlow

numberReynolds

numberD

QeR

h

AFlow

coefficientFrictionfactorCqCqmaxcritTurbulentLaminarminRecritReLaminarTurbulent45

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-

2009Orifices1OR

1qC

2qC

λcrit

和Recrit的轉(zhuǎn)換關系Re

Cq

or

Re

Cq

和的轉(zhuǎn)換關系minRecrit

Cq

max

critcrit

Recrit

orA過流面積λ流量系數(shù)Cq流量系數(shù)Dp壓降Dh水力直徑x摩擦系數(shù)Q體積流量r液體密度Re雷諾數(shù)n液體運動粘度注意46

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-

2009Orifices03_simple_orifice.ame在下面的例子中，繪制流經(jīng)5mm阻尼孔時的流量將節(jié)流孔兩端的壓差設定ΔP設定成一個瞬態(tài)遞增的過程如果Pdown

保持在0

bar,ΔP

就等于Pup設定Pup

在10

s內(nèi)從0到5barorifice

diameter

/um

flowcoefficient

pair47

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-

2009在這段曲線上選擇一個點例如t

=

10

s其中:P=5

bar

和Q

=

28.287

L/min03_simple_orifice.ame流量、壓力曲線OR0000-1

flow

rateat

port

1

[L/min]48

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-

200903_simple_orifice.ame前面的模型選擇‘restriction

definition’選項使用之前的Q

和P

值分別作為流量和壓降參數(shù)比較兩種不同的阻尼孔orifice

diameter

/um

flowcoefficient

pairpressure

drop/flow

rate

pair49

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-

2009在0到1.5

bar中有微小的差異orifice

diameter

/um

flowcoefficient

pairidentical

resultsfor

turbulent

flowpressure

drop/flow

rate

pair03_simple_orifice.ame50

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-

2009‘pressure

drop/flow

rate

pair’是怎樣工作的？通過輸入流量和相對于的壓降，用戶自己定義壓力流量曲線上的一點通過這一點(在湍流狀態(tài)下),AMESim計算等效阻尼孔直徑C

取值是1.0(不是0.7)q因此,層流狀態(tài)下的計算和選項2中的不同用選項1要注意：湍流計算比較準確,但是層流計算準確率相對較低4

A

D

QA

down鷓qC

.

2

P

P

注意選擇平均壓力Patm下的ρ03_simple_orifice.ame51

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-

2009在

庫中沒有管道的圖標.通過兩個元件的連接來添加管路模型(點擊鼠標左鍵)P52

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-

2009階段)管道中3種效應需要考慮Compressibility

(C):壓力計算Friction

(R):沿稱壓力損失Inertia

(I):波動效應集中參數(shù)模型(“1或2節(jié)點”)和分布參數(shù)模型(“5”或同樣可以考慮通過Darcy

Weisbach方程考慮摩擦效應:摩擦因子ff、雷諾系數(shù)、管道粗糙度通過Nikuradse

harp來計算2fric

ff

L

U

2D

2

.

U

2P53

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-

2009LaminarTurbulent54

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-

2009Lines

/

Inertia

effect管道長度L

橫截面積A和液體密度r,

管道中的液體質(zhì)量為r

·L·A.根據(jù)牛頓定律dtdUForces

(

A

L)

用Q=A

?U

和壓力來解釋這個方程(

A

L)

dt

dU

A

L

dQA

dt

Forces

A(Pup

Pdown

)即：dQ

1downup

(P

P

)A

Ldt相應的慣量是:A

LP

IQhydPup

PdnLAU55

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-

200904_Overview_pipes.ame56

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-

200904_Overview_pipes.ame輸出1口的壓力57

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-

2009Lines05_distributive_vs_lumped_models.ame用集中模型搭建分布管道的模型比較兩個容積腔的壓力58

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-

2009考慮下面一個例子在t0

=0[s],管道初始壓力0[bar]這個模型的目的是為了說明在管道的最右端（同阻尼孔相連接處）不同管道子模型對壓力的影響。06_Pipe_inertia.ame59

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-

200906_Pipe_inertia.ame60

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-

200906_Pipe_inertia.ame對于HL01,沒有考慮慣量，與動態(tài)特性相關的是R-C單元。對于HL04,考慮了流體慣量。在45ms](22

[Hz])時壓力達到最大值（液體需要加速）對于HL020,管道中有著相似的增壓效果，但是卻伴隨著較高的振動頻率液體慣性的效應有著顯著的影響，因此引入時間常數(shù)45

[ms].然而，如果頻率范圍在[0-200]

[Hz]時,

不

使用HL020

和

HL030因為這樣會引入不必要的噪聲，而且增加CUP運行時間61

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-

2009Otherelements泵:在AMESim庫中有很多不同種類的泵(容積泵,離心泵…)泵類元件實質(zhì)上是轉(zhuǎn)換器：把機械能轉(zhuǎn)換成

能缸：

缸同樣也是轉(zhuǎn)換器：把

能轉(zhuǎn)換成機械能（反之亦然）62

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-

2009Otherelements換向閥:

庫中提供了很多換向閥的模型.

這些閥將根據(jù)工作位(2

~3)和通路(2

~

6)來定義。換向閥每一條通路的同流性質(zhì)是通過定義流量和壓差，靠Q/ΔP來計算最大開口面積的。對于每條通路來

流面積是位移的函數(shù)，

過流面積S(x)

=

Smax

*

f(x)這些元件的使用方法將在下面的

中介紹63

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-

2009Hydraulic

components

summary-集中參數(shù)法-復合接口-能量守恒-因果關系基于功率鍵合圖的

元件容積腔阻尼孔管道泵、馬達方向閥64

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-

2009Event

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master)流量分布傳動執(zhí)行機構防止系統(tǒng)壓力波動中的幾個應用案例66

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-

66Flow

distribution壓力源的油箱壓力恒定阻尼孔1通過定義D1直徑來計算流量當通過阻尼孔2的流量是阻尼孔1的兩倍時，阻尼孔D2的直徑是多少？目標:根據(jù)給定流量設計阻尼孔01_HYD_networe67

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-

67注意:由于阻尼孔初始方向的不同，流量可能會為負無論這兩個例子中流量的是正是負，實際的流動方向是相同的01_HYD_networeCausality

of

orifice

:68

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-

68設前面兩種阻尼孔的直徑分別為D1

和D2通過這些阻尼孔可以搭建一個簡單的 系統(tǒng)目的是計算整個系統(tǒng)的輸入流量是多少根據(jù)幾個阻尼孔的組合，確定總流量的大小01_HYD_networe69

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-

69目標是設計等效阻尼孔求等效直徑Deq

關于D1和D2

函數(shù)等效阻尼孔01_HYD_networe70

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-

70Pump目標:建立一個簡單的傳動系統(tǒng)PipeRotaryinertiaReliefvalvePump

:

w=

1500

[rev/min]

and

displ

=

100

[cc/min]Pipe

(Only

capacitive)

:

L

=

4

[m]

and

?=

25

[mm]Relief

valve

:

Pcrack

=

180

[bar]

and

grad

=500

[L/min/bar]Motor

:

displ

=

100

[cc/min]Rotary

inertia

:

Mi

=

1

[kg.m^2]and

Fvisc

=

0.02

[Nm/rev/min]Fluid

properties:

use

standard

model

in

AMESim

(1st

submodel)Motor02_Hydrostatic_Transmission.ame71

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-

7102_Hydrostatic_Transmission.ame系開始就達到穩(wěn)態(tài)值.仿真時間10

[s]:管道中發(fā)生了什么情況？氣穴72

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-

7202_Hydrostatic_Transmission.ame為了避免系統(tǒng)產(chǎn)生氣穴，需要給泵施加續(xù)的曲線通過定義初始曲線可以避免氣穴的發(fā)生.Setting

pointfor

rotary

velocityof

pumpContinuouspump

start73

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-

73PumpPipeMotorReliefvalve02_Hydrostatic_Transmission.ame同樣的系統(tǒng)，將管道的子模型該成考慮液阻和液容效應stepUse

2

pipes

with

L

=

5

[m]and

?

=

10

[mm]Add

resistive

effect

in

the

pipesPipeRotaryinertiaSecond

step-

Add

inertia

effect

in

the

pipes74

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-

74連接泵和節(jié)點的管道末端處壓力Hydrostatic

transmission

(2)ΔP02_Hydrostatic_Transmission.ame泵出口的壓力：考慮和不考慮流體慣性Do

a

zoom

to

seepressure

oscillations

at

the

starting

of

pump75

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-

75系目標:建立一個能夠讓質(zhì)量塊移動的統(tǒng)03_HYD_Jace76

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-

76第一步:計算

需要克服的阻力：15N，壓力源的壓力為5

[bar]

活塞直徑是多少?注意:用這個直徑,不能滿足最大輸出力的要求足(慣性力,庫倫摩擦力,粘性摩擦力).活塞面積要增加30%來滿03_HYD_Jace77

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-

77第二步:換向閥要求:在4

[s]前,壓力作用在在4

[s]后,壓力作用在缸左腔，右腔回油。缸右腔，左腔回油。

通常采用三位四通換向閥Q/dP

values

(10

[L/min/bar]

is

OK)

+

“valve

rated

current”

vs.

input

signal!03_HYD_Jace78

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-

7803_HYD_Jace第三步: 缸+

控制閥活塞桿直徑3

[mm]注意管道的長度和直徑增加活塞直徑來補償（9

[mm]）79

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-

7903_HYD_Jace第四步:泵的選擇采用定量泵為了確定泵的排量,分析一下系統(tǒng)所需要的流量由活塞移動造成的位移泵的轉(zhuǎn)速500[rpm],那么泵的排量是多少呢?考慮15[%]的余量最大流量2[L/min]80

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-

80第五步:缸+控制閥泵同觀察質(zhì)量塊的位移,發(fā)現(xiàn)曲線不合理，為什么?03_HYD_Jace81

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-

81第六步:調(diào)壓閥為了得到同第三步相同的結果，需要添加調(diào)壓閥，并設定參數(shù)03_HYD_Jace82

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-

82Hydraulic

actuator如果壓力流量梯度太小，說明溢流閥太緊,系統(tǒng)壓力就不保持在調(diào)定壓力上能觀察泵的排量:如果排量不足，就會導致流量不足，會觀察到壓力下掉03_HYD_Jace第六步:調(diào)壓閥參數(shù)設定-“relief

valve

flow

rate

pressure

gradient(溢流閥壓力流量梯度)”這個參數(shù)會造成什么樣的影響？-通過批量仿真，觀察缸左腔壓力的變化情況83

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-

8304_AntiPulsating_Accumulator.ame考慮一段簡單的管道中存在壓力波動，目標是減少壓力的波動84

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-

84一種解決辦法是在管道中加裝蓄能器在管道的頭部、中間和尾部加裝蓄能器有不同的影響04_AntiPulsating_Accumulator.ame85

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8504_AntiPulsating_Accumulator.ame注意:蓄能器有很多子模型，出口是否有阻尼孔蓄能器出口沒有阻尼孔也可以有容抗效應阻抗效應其他

元件具有相同的雙重因果效應(例如管道和缸)86

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86記住，仿真模型不僅同元件或系統(tǒng)相關，以下幾個方面同樣對模型的結構有很大的影響：仿真的目標要求的精度考慮的頻寬允許CPU最大運行時間或執(zhí)行任務的數(shù)量參數(shù)(幾何,形狀…).可用的數(shù)據(jù)建模分析的經(jīng)驗的經(jīng)驗General