amesim液压元件设计库教程
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AME_HYD2
Chapter 2
1
液压元件设计库
Hydraulic Component Design (HCD)
世冠工程（北京）有限公司 丁强博士
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
液压元件设计库（HCD）
目录 1. 2. 3. 4. 5. HCD库简介：为什么? 如何做？ 应用实例 设计一个单向阀 超模块工具 设计一个三通阀
HCD: 可变容积
让我们看看右腔的体积变化
26
我们看到体积在0.1cm3饱和了，为什么?
为了在AMESim中避免0或者负的体积出现，有一个饱和设定 为 V0/100，其中V0 = 在液压容腔中定义的Dead volume 这种情况本不应该出现， 只是我们参数设置不当造成的
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 中的泄漏单元模块 泄漏: 粘性摩擦
3 π D .C R .Δ P Q = 12 μ L
33
F viscous
=
πμ L Δ P
C
R
.V
偏心率: (e = 直径上的偏心率)
2 ⎡ ⎛ e ⎞ ⎤ π D .C . Δ P . ⎢1 + 1 . 5 ⎜ Q = ⎜C ⎟ ⎥ ⎟ 12 μ L ⎢ ⎝ R ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ 3 R
HCD 例子
基本工程单元: 动画
阀芯: Q=f(x) F=f(ΔP, Jet) 惯性: X”=f(m, damp, stops) 活塞: Q=f(v) F=f(P, k, x) 体积:
10
M
P=f(β, V, ΣQ, fluid props)
>
< 机械运动 ^ ^ 液压
管路: 动态特性?
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
节流特性
考虑完全关闭时的 泄漏流量或者全部 打开时节流作用
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 中的泄漏单元模块 各种可用的子模型
32
注意：在本例中直给出了一种因果规则 ( 考虑其他因果规则的话，可用子模型数量要翻倍)
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
21
该 zero displacement 对应于和该单元模块相连的惯性 模块或者其他位移源的零时刻位移
or … or … or …
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
22
该 chamber length 用于计算液压容腔的额外
的体积 [Vadd= L*AP] 在我们的例子中，该容腔中设定的参数Dead Volume是1000cm3。活塞的速度是0.1m/s，在 t=10s时，最终的位移是1m，因此最终容腔的 体积为：1000-16.67 = 983.33cm3. 如果我们给定chamber length at zero displacement 等于 1m，初始的容腔的体积就 变为V0=1000 + 16.67 = 1016.67cm3， 而最 终的体积变为1000cm3
为什么需要液压元件设计库 ?
考虑液压库中的简单的单向阀
6
Q = 0 if ΔP < Pcrack Q = coef ⋅ ΔP otherwise
现在， 我们向考虑节流口的真实的几何形状， 阀芯的惯性， 液动力 …
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
基本元素理念
7
...
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积 结果:
15
注意:
-最终的压力为283.3bar -和我们采用恒流量源模块计算得到 的压力281bar相比存在误差！ 该误差来自于参考压力修正
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积 详细解释:
16
在活塞单元模块中， 体积流量的计算是（参见帮助 ）：
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积 为了考虑容积的时变性， 可用HCD库中的体 积单元模块来替代液压库中容积模块。
BHC11
18
总的容积是各个端口输入容积的和(4 个端口)
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
新的结果：
HCD: 可变容积 假设活塞移动的速度 0.1m/s， 我们可以计算 出产生0.1L/min的流量需要的活塞面积
A= Q 0.1 1 1 100 = = m2 = mm 2 . V 60000 0.1 60000 6
14
对应的活塞直径为
Dp = 4A
π
=
20 mm ≈ 4.607 mm 6π
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
27
所设定的dead volumes指的是当活塞运动到它的终端 是该容腔剩余的体积。 此时，零时刻的位移对应的是伸出位置， 也就是说， 在该位置时，右边液压容腔的体积等于dead volume + 最大行程*活塞面积 因此需要给定chamber length at zero displacement
基本元素理念
8
绝对运动
相对运动
节流口
可变容积
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
基本元素理念
HCD库构建的简单的液压缸模型
Qb Qa Pa Va Pb load force FL Vb Aa Ab
9
液压库
HCD 库
!
在该模型中，没有考虑活塞/活塞杆总成的质量
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
19
容积的时变性
Example8a.ame
2007世冠AMESim液压、气动系统Fra Baidu bibliotek其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
与HCD库中液压容积相关的重要参数：Chamber length at zero displacement
20
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
37
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用 减压阀
38
来自BOSCH
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
Constant pressure line, Ps A K1 Pc Vc Qc PR, Vt QL Hydraulic load x Ks
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
为什么需要液压元件设计库 ?
5
虽然在液压库中含有大量的经典的液压元件模型， 但是还存在两个问题： 元件的多样性：不管液压库中的元件模型再多 ， 也永远不够! 模型作用的多样性：不同假设的静态，动态特 性 用户建模技巧的多样性
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 总结
11
HCD库采用工程结构单元细分的方法使 得用户可以通过尽可能少的结构单元模 块构建尽可能多的工程系统模型！
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 的变量 HCD库中所有模块端口变量：
方程
F2 = F3 - P*A Q1 = -A*V2 V3 = V2
机械端口
HCD: 可变容积 !
但是我们建立的该例不是特别精确：
17
活塞运动产生流量， 这是体积排量的结果！也就是说我们还 需要考虑相关容积的时变性（而事实上，在上述例子中我们并 没有考虑！） 注意体积模量是体积的函数：
δP B = −V δV
正如我们下面要看到的，活塞单元模块计算得到的体积信息并 没有被容积模块所接收！
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
目录
35
1. 2. 3. 4. 5.
HCD库简介：为什么? 如何做？ 应用实例 设计一个单向阀 超模块工具 设计一个三通阀
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
36
4-通阀
Supply
Return
Loads
X=0 X=stroke
25
活塞杆直径Rod diameter (只给左腔) = 5mm Dead volume = 10cm3 端口直径Ports' diameter = 5mm 位移Displacement: 在10s内从0-1m
Example9.ame
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
2
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
AMESim中的标准液压库
3
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
为什么需要液压元件设计库 ?
想一想 : 世界上有多种类型的液压缸？
4
在此我们假设液压缸的缸体是固定的。 如果液压缸的缸体是可动的话， 那么液压缸类型的数目就要翻一倍！有时对同一种类型还需要考虑端口不 同的因果规则 (C 或 R)
30
可以计算液动力 通过相连的惯性模块或者其他任何位移源的计算速 度/位移 R 液压因果规则 混合机械因果规则
BAP025
BAP026
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 单元模块中的可变节流口 主要参数
31
几何数据 开口度 / 重叠 量定义 液动力 Dead volumes
39
减压阀
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用 径向柱塞泵
40
来自REXROTH
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
吸油 吸油 单向阀 出油 单向阀
41
压缩腔
柱塞/柱塞套 之间的泄漏
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
24
x X=0 X=最大行程
在上述例子中，让我们考虑：
X=0 定义在活塞处于最左位（伸出位置）；dead volume 是 10cm3 当活塞处于最右位时，X=最大行程；dead volume 是 10cm3
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
参数:
行程Stroke = 1m 活塞直径Piston diameter = 10mm
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
23
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积 !
chamber length at zero displacement 参数的设定对 于避免出现0或者负的体积非常重要！ 例如，在液压缸中如何正确的设置参数?
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
膜片单元模块
这些单元模块的主要特点是可变活塞面积 (定 义为阀升程的函数) 在膜片的两端可以设置不同的流体：
液体 / 液体 液体 / 气体
liquid gas
34
需要给定一个定义有效活塞直径随阀升程变化 的数据文件 根据所选择的子模型， 有时需要给定一个液压 刚度(KH=B/Vol)
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
28
在该情况下， 当液压缸处于回收位置时（x=最 大行程1m），右腔的dead volume应该等于 10cm3
现在我们的参数设置是正确的，即当x=0时， 容腔的体积为10 + 100*(pi/4) = 88.54cm3
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
Q0 = Ap*V*ρ(P)/ρ(P0)
正如我们在第一章中所见， 在容积模块中， 输入 的流量指的是在0bar表压下的流量， 该流量根据当 前实际压力进行了修正：
Q = Qin(0)*ρ(P0)/ρ(P)
因此修正了两次！相当于修正抵消了。所以我们又 得到了我们第一章手工计算得到的压力值！
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
12
活塞面积
液压端口
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
13
让我们回到第一章中的第一个有关容积中压力 计算的例子中 此时， 用活塞模块来取代恒流量源模块：通过 推动活塞运动来产生体积流量
Example1.ame
Example8.ame
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 单元模块中的可变节流口 下述HCD 的单元模块是主要考虑可变节流口 的单元模块：
过流面积是阀芯位移的函数 各种类型的几何形状 用户自定义特性 压力作用在图标中加粗的面积上 这些单元模块中不考虑质量
29
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 单元模块中的可变节流口
Chapter 2
1
液压元件设计库
Hydraulic Component Design (HCD)
世冠工程（北京）有限公司 丁强博士
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
液压元件设计库（HCD）
目录 1. 2. 3. 4. 5. HCD库简介：为什么? 如何做？ 应用实例 设计一个单向阀 超模块工具 设计一个三通阀
HCD: 可变容积
让我们看看右腔的体积变化
26
我们看到体积在0.1cm3饱和了，为什么?
为了在AMESim中避免0或者负的体积出现，有一个饱和设定 为 V0/100，其中V0 = 在液压容腔中定义的Dead volume 这种情况本不应该出现， 只是我们参数设置不当造成的
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 中的泄漏单元模块 泄漏: 粘性摩擦
3 π D .C R .Δ P Q = 12 μ L
33
F viscous
=
πμ L Δ P
C
R
.V
偏心率: (e = 直径上的偏心率)
2 ⎡ ⎛ e ⎞ ⎤ π D .C . Δ P . ⎢1 + 1 . 5 ⎜ Q = ⎜C ⎟ ⎥ ⎟ 12 μ L ⎢ ⎝ R ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ 3 R
HCD 例子
基本工程单元: 动画
阀芯: Q=f(x) F=f(ΔP, Jet) 惯性: X”=f(m, damp, stops) 活塞: Q=f(v) F=f(P, k, x) 体积:
10
M
P=f(β, V, ΣQ, fluid props)
>
< 机械运动 ^ ^ 液压
管路: 动态特性?
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节流特性
考虑完全关闭时的 泄漏流量或者全部 打开时节流作用
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 中的泄漏单元模块 各种可用的子模型
32
注意：在本例中直给出了一种因果规则 ( 考虑其他因果规则的话，可用子模型数量要翻倍)
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
21
该 zero displacement 对应于和该单元模块相连的惯性 模块或者其他位移源的零时刻位移
or … or … or …
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HCD: 可变容积
22
该 chamber length 用于计算液压容腔的额外
的体积 [Vadd= L*AP] 在我们的例子中，该容腔中设定的参数Dead Volume是1000cm3。活塞的速度是0.1m/s，在 t=10s时，最终的位移是1m，因此最终容腔的 体积为：1000-16.67 = 983.33cm3. 如果我们给定chamber length at zero displacement 等于 1m，初始的容腔的体积就 变为V0=1000 + 16.67 = 1016.67cm3， 而最 终的体积变为1000cm3
为什么需要液压元件设计库 ?
考虑液压库中的简单的单向阀
6
Q = 0 if ΔP < Pcrack Q = coef ⋅ ΔP otherwise
现在， 我们向考虑节流口的真实的几何形状， 阀芯的惯性， 液动力 …
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基本元素理念
7
...
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HCD: 可变容积 结果:
15
注意:
-最终的压力为283.3bar -和我们采用恒流量源模块计算得到 的压力281bar相比存在误差！ 该误差来自于参考压力修正
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积 详细解释:
16
在活塞单元模块中， 体积流量的计算是（参见帮助 ）：
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积 为了考虑容积的时变性， 可用HCD库中的体 积单元模块来替代液压库中容积模块。
BHC11
18
总的容积是各个端口输入容积的和(4 个端口)
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
新的结果：
HCD: 可变容积 假设活塞移动的速度 0.1m/s， 我们可以计算 出产生0.1L/min的流量需要的活塞面积
A= Q 0.1 1 1 100 = = m2 = mm 2 . V 60000 0.1 60000 6
14
对应的活塞直径为
Dp = 4A
π
=
20 mm ≈ 4.607 mm 6π
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
27
所设定的dead volumes指的是当活塞运动到它的终端 是该容腔剩余的体积。 此时，零时刻的位移对应的是伸出位置， 也就是说， 在该位置时，右边液压容腔的体积等于dead volume + 最大行程*活塞面积 因此需要给定chamber length at zero displacement
基本元素理念
8
绝对运动
相对运动
节流口
可变容积
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
基本元素理念
HCD库构建的简单的液压缸模型
Qb Qa Pa Va Pb load force FL Vb Aa Ab
9
液压库
HCD 库
!
在该模型中，没有考虑活塞/活塞杆总成的质量
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
19
容积的时变性
Example8a.ame
2007世冠AMESim液压、气动系统Fra Baidu bibliotek其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
与HCD库中液压容积相关的重要参数：Chamber length at zero displacement
20
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
37
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用 减压阀
38
来自BOSCH
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
Constant pressure line, Ps A K1 Pc Vc Qc PR, Vt QL Hydraulic load x Ks
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
为什么需要液压元件设计库 ?
5
虽然在液压库中含有大量的经典的液压元件模型， 但是还存在两个问题： 元件的多样性：不管液压库中的元件模型再多 ， 也永远不够! 模型作用的多样性：不同假设的静态，动态特 性 用户建模技巧的多样性
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 总结
11
HCD库采用工程结构单元细分的方法使 得用户可以通过尽可能少的结构单元模 块构建尽可能多的工程系统模型！
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 的变量 HCD库中所有模块端口变量：
方程
F2 = F3 - P*A Q1 = -A*V2 V3 = V2
机械端口
HCD: 可变容积 !
但是我们建立的该例不是特别精确：
17
活塞运动产生流量， 这是体积排量的结果！也就是说我们还 需要考虑相关容积的时变性（而事实上，在上述例子中我们并 没有考虑！） 注意体积模量是体积的函数：
δP B = −V δV
正如我们下面要看到的，活塞单元模块计算得到的体积信息并 没有被容积模块所接收！
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
目录
35
1. 2. 3. 4. 5.
HCD库简介：为什么? 如何做？ 应用实例 设计一个单向阀 超模块工具 设计一个三通阀
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
36
4-通阀
Supply
Return
Loads
X=0 X=stroke
25
活塞杆直径Rod diameter (只给左腔) = 5mm Dead volume = 10cm3 端口直径Ports' diameter = 5mm 位移Displacement: 在10s内从0-1m
Example9.ame
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2
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AMESim中的标准液压库
3
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为什么需要液压元件设计库 ?
想一想 : 世界上有多种类型的液压缸？
4
在此我们假设液压缸的缸体是固定的。 如果液压缸的缸体是可动的话， 那么液压缸类型的数目就要翻一倍！有时对同一种类型还需要考虑端口不 同的因果规则 (C 或 R)
30
可以计算液动力 通过相连的惯性模块或者其他任何位移源的计算速 度/位移 R 液压因果规则 混合机械因果规则
BAP025
BAP026
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HCD 单元模块中的可变节流口 主要参数
31
几何数据 开口度 / 重叠 量定义 液动力 Dead volumes
39
减压阀
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HCD 应用 径向柱塞泵
40
来自REXROTH
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD 应用
吸油 吸油 单向阀 出油 单向阀
41
压缩腔
柱塞/柱塞套 之间的泄漏
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24
x X=0 X=最大行程
在上述例子中，让我们考虑：
X=0 定义在活塞处于最左位（伸出位置）；dead volume 是 10cm3 当活塞处于最右位时，X=最大行程；dead volume 是 10cm3
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HCD: 可变容积
参数:
行程Stroke = 1m 活塞直径Piston diameter = 10mm
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HCD: 可变容积
23
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HCD: 可变容积 !
chamber length at zero displacement 参数的设定对 于避免出现0或者负的体积非常重要！ 例如，在液压缸中如何正确的设置参数?
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
膜片单元模块
这些单元模块的主要特点是可变活塞面积 (定 义为阀升程的函数) 在膜片的两端可以设置不同的流体：
液体 / 液体 液体 / 气体
liquid gas
34
需要给定一个定义有效活塞直径随阀升程变化 的数据文件 根据所选择的子模型， 有时需要给定一个液压 刚度(KH=B/Vol)
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
28
在该情况下， 当液压缸处于回收位置时（x=最 大行程1m），右腔的dead volume应该等于 10cm3
现在我们的参数设置是正确的，即当x=0时， 容腔的体积为10 + 100*(pi/4) = 88.54cm3
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
Q0 = Ap*V*ρ(P)/ρ(P0)
正如我们在第一章中所见， 在容积模块中， 输入 的流量指的是在0bar表压下的流量， 该流量根据当 前实际压力进行了修正：
Q = Qin(0)*ρ(P0)/ρ(P)
因此修正了两次！相当于修正抵消了。所以我们又 得到了我们第一章手工计算得到的压力值！
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12
活塞面积
液压端口
2007世冠AMESim液压、气动系统及其元件设计专题培训
HCD: 可变容积
13
让我们回到第一章中的第一个有关容积中压力 计算的例子中 此时， 用活塞模块来取代恒流量源模块：通过 推动活塞运动来产生体积流量
Example1.ame
Example8.ame
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HCD 单元模块中的可变节流口 下述HCD 的单元模块是主要考虑可变节流口 的单元模块：
过流面积是阀芯位移的函数 各种类型的几何形状 用户自定义特性 压力作用在图标中加粗的面积上 这些单元模块中不考虑质量
29
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HCD 单元模块中的可变节流口