Amesim液压腔元件的区别和用法

文章来源Amesim学习与应用，作者新浩

问题描述

液压腔是液压元件和液压系统中最常见的元素之一。从形式上看，液压腔是用于储存液压油的空间，通过接口与外部系统相连，其体积可以是固定的，也可以是变化的；从功能上看，液压腔内的油液经过压缩产生压力，液压腔可通过接口与外部系统交换油液和压力，对于固定容积的液压容腔，进入液压腔的油液增量为正时，压力增大，反之则压力减小。

Amesim的液压库和HCD库中提供了多种不同类型的用于模拟液压腔的元件或具有液压腔特征的元件，其中有些元件看起来是相似的，但在使用时又有较大差别。初学者往往对此感到困惑，不知道如何选择和使用，笔者在最初接触Amesim时也被这个问题困扰过一段时间。在本文中，笔者将根据自己的理解把这些元件进行分类，并逐步描述它们的区别和用法。

       为了在文中更好地阐明笔者的想法，首先需要明确一些概念。油液具有压缩性，相同质量的油液在不同的压力作用下，其密度和体积不相同。基于此，当我们提到油液的“体积”、“流量”等这些概念时，有两种不同的处理和理解方式：第一种，油液的体积、流量是指在标准大气压（相对压力为0 bar）下的体积、流量（与油液的质量成正比）；第二种，油液体积、流量是指在当前时刻特定压力下的体积、流量。那么Amesim在处理这些问题的时候，是采用了哪种方式呢？答案是第一种方式！在本文中，笔者将会提到两个体积概念，第一个是“液压腔的体积”，是指液压腔内的几何容积；第二个是“油液的体积”，与Amesim的处理方式相同，是指标准大气压下的油液体积。

液压腔的分类和解释

根据外部变量以及计算压力方式的不同，可以把Amesim中的液压腔元件（包括用于模拟液压腔的元件和具有液压腔特征的元件）分为以下三类。

第一类：“常规的”液压腔

      第一类元件主要是指液压库中的用于模拟液压腔的元件和具有液压腔特征的元件。下面以元件hydraulic_chamber_4_ports（子模型HC01）和actuator001（子模型HJ020）为例，具体说明这一类元件的特征。如图1所示，前者用来模拟具有固定体积的液压腔；后者结构中包含有杆腔和无杆腔，属于具有液压腔特征的元件，且腔的体积随活塞杆的运动而变化。通过它们的外部变量可以看出，此类液压腔接收外部输入的油液流量，然后通过液压腔的体积、油液的体积增量以及油液弹性模量等参数计算油液的压力变化，并输出压力。由此可以见，这类元件具备液压腔在形式上和功能上的基本特征，属于常规的液压腔模型，因此笔者称之为“常规的”液压腔。

图1 第一类液压腔元件示例

第二类：“残缺的”液压腔

    第二类元件常见于HCD库中。下面以元件bap2（子模型BAP11）为例，具体说明这一类元件的特征。如图2所示，从结构上来看，bap2的活塞杆和缸体共同构成一个相对密闭的腔体，且腔的体积随活塞杆的运动而变化；从外部变量来看，与第一类腔不同，这类腔的输入变量是压力，输出变量是油液的流量和液压腔的体积（注意，这里输出的是腔的体积，并非油的体积），即这类元件在计算过程中并没有考虑腔中的油液压缩所引起的压力变化。因此，这类元件虽然符合液压腔形式上的特征（即具有储存油液的相对密闭的空间），但并不符合液压腔功能上的特征（即腔中的油液不能参与压缩产生压力），其作为液压腔的特征是不健全的、残缺的，因此笔者称之为“残缺的”液压腔。

图2 第二类液压腔元件示例

第三类：“热心的”液压腔

第三类元件是指HCD库中用于模拟液压腔的元件。下面以元件bhc1（子模型BHC11）为例具体说明这一类元件的特征。如图3所示，从外部变量来看，它与第一类元件的不同之处在于，它的外部输入变量除了油液流量外，还有与之相连的元件的液压腔体积。这类元件在计算油液压缩引起的压力变化时所采用的液压腔体积，是自身体积与四个端口输入的体积之和。有的时候，我们需要使用第二类元件进行建模，但又希望腔内的油液参与压缩产生压力（例如当腔的体积较大导致油液压缩对系统性能影响较大时），这种情况下就要使用第三类元件与之相连，把第二类元件的液压腔体积量输入到第三类元件中，由后者计算压力。因此第三类元件不仅计算自身腔内油液压力，也帮助与之相连的第二类元件计算腔内油液压力，因此笔者称之为“热心的”液压腔。

图3 第三类液压腔元件示例

举例说明

       图4所示为同一模拟对象的三种不同建模方式，它们的区别在于液压缸的建模：图a采用液压库的液压缸元件；图b采用HCD库元件建模，并用液压库的液压腔元件模拟缸的死区容积；图c采用HCD库元件建模，并用HCD库的液压腔元件模拟缸的死区容积。为使三个模型的结构参数一致，在参数模式下设置模型参数如表1所示（未标出的元件采用首选子模型及默认参数）。

图4 同一模拟对象的三种不同建模方式

表1 示例模型参数设置

      在仿真模式下设置仿真时间为2 s并运行仿真，提取三个质量块的位移结果曲线，如图5所示。可以看出，模型a和模型c仿真结果完全一致，模型b的仿真结果和它们存在差异。这是因为模型a采用的液压缸元件为第一类“常规的”液压腔，它在计算时考虑了液压缸腔体内的油液压缩引起的压力变化；模型b采用的HCD库元件为第二类“残缺的”液压腔，无法计算液压缸腔体内的油液压缩对压力变化的影响，因而结果存在差异；模型c采用了第三类“热心的”液压腔与第二类元件相连，它可以帮助第二类元件计算腔体内油液压缩引起的压力变化，因此计算结果与模型a完全一致。由此也可以看出，“热心的”液压腔与“残缺的”液压腔连接之后，在功能上等同于“常规的”液压腔。

图5 示例模型仿真结果对比

总结

在本文中，笔者将Amesim中的液压腔元件（包括用于模拟液压腔的元件和具有液压腔特征的元件）分为三类，即第一类“常规的”液压腔、第二类“残缺的”液压腔和第三类“热心的”液压腔，它们的主要区别如下：

从元件类型上看，第一类主要是指液压库中用于模拟液压腔的元件和具有液压腔特征的元件，第二类常见于HCD库中具有液压腔特征的元件，第三类是指HCD库中用于模拟液压腔的元件；

从外部变量上看，第一类的输入变量是油液的流量，输出变量是压力，第二类的输入变量是压力，输出变量是油液的流量和液压腔的体积，第三类的输入变量是油液的流量和液压腔的体积，输出变量是压力；

从压力计算上看，第一类通过自身液压腔的体积、油液的体积增量以及油液弹性模量等参数计算油液的压力变化，并输出压力，第二类无法计算油液压缩引起的压力变化，第三类在计算压力时，不仅考虑了自身液压腔体积，还考虑了与之相连的元件液压腔体积；第二类元件与第三类元件连接后在功能上等同于第一类元件。

最后，笔者还有以下几点说明：1）本文在举例时采用了较为简单的元件子模型，有些复杂的元件子模型在计算时还考虑了液压腔壁的刚度、端口处的液阻等因素，大家在使用时可根据仿真需求进行选择；2）本文主要对液压库和HCD库中涉及到的腔元件进行了解释说明，在热液压、气动等专业库中也存在类似的腔元件，大家可对比理解；3）本文所采用的一些分类和表述方法是基于笔者自己的理解，并非专业的术语，大家可查阅软件的帮助文档.