黃勝軍,安愛琴

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

虛擬設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個(gè)研究領(lǐng)域,它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物,在機(jī)械行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景[1].隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展,液壓傳動技術(shù)不僅僅是一種傳動方式,更成為一種檢測手段和控制手段,作為連接微電子技術(shù)和大功率控制對象之間的橋梁,成為現(xiàn)代控制工程中重要的、不可缺少的環(huán)節(jié)和手段,應(yīng)用十分廣泛[2].因此,若要實(shí)現(xiàn)虛擬技術(shù)和液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合,進(jìn)行液壓元件虛擬模型庫的研究勢在必行.文中通過對常見液壓元件結(jié)構(gòu)、工作原理和工程應(yīng)用進(jìn)行分析,應(yīng)用Pro/E軟件完成了常見液壓元件的模型庫的開發(fā).

1 模型庫框架

液壓系統(tǒng)中元件的種類有很多,其中按功能和用途來分,液壓元件有動力元件、執(zhí)行元件、調(diào)控元件、輔助元件4大類.在實(shí)際應(yīng)用中每一類元件又分為多種,如調(diào)控元件包括：壓力控制元件、方向控制元件、速度控制元件等.其中常用的壓力控制元件有：溢流閥、減壓閥、順序閥和壓力繼電器等[2].

面對種類和功能繁多的液壓元件,要求工程技術(shù)人員在進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),必須對液壓元件的結(jié)構(gòu)、原理、性能及工程應(yīng)用詳細(xì)的掌握.液壓元件虛擬模型庫的開發(fā),可以系統(tǒng)的幫助工程技術(shù)人員彌補(bǔ)這一不足,同時(shí)在進(jìn)行液壓系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)中,可以直接將液壓元件模型調(diào)入設(shè)計(jì)界面,從而完成液壓系統(tǒng)快速、高效的設(shè)計(jì)及仿真[3-4].

針對液壓元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn),本模型庫主要完成常用液壓元件模型庫的開發(fā),其基本框架如圖1所示.

圖1 模型庫基本框架Fig.1 Basic framework of the model library

2 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 虛擬設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,實(shí)時(shí)、并行地模擬出產(chǎn)品開發(fā)全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響,預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造成本、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的可維護(hù)性和可拆卸性等,從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率.它也有利于達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期及成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化[3-4].

結(jié)合液壓元件的結(jié)構(gòu)和實(shí)際工程要求,本文選用Pro/E軟件來完成虛擬模型庫的開發(fā)研究.

2.2 Pro/E軟件介紹

Pro/E軟件具有使用方便、操作簡單等特點(diǎn),并且其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能可進(jìn)行零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、解出構(gòu)件尺寸、畫出運(yùn)動簡圖、完成運(yùn)動仿真設(shè)計(jì).此外Pro/E軟件和ADMAS軟件具有很好的兼容性,Pro/E軟件建立的元件三維模型可以直接導(dǎo)入ADMAS軟件中,對元件進(jìn)行動力學(xué)分析,從而分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對元件工作性能的影響,以防止設(shè)計(jì)中的缺陷、降低設(shè)計(jì)成本、縮短設(shè)計(jì)周期,可進(jìn)一步擴(kuò)展本模型庫的應(yīng)用[5].

3 虛擬模型庫的開發(fā)

在模型庫開發(fā)過程中考慮到模型庫的實(shí)際應(yīng)用,對液壓元件從認(rèn)識、了解到應(yīng)用的過程對其進(jìn)行研究.文中以液壓系統(tǒng)中最為常見的壓力控制閥——先導(dǎo)式溢流閥為例來說明模型庫的開發(fā),其基本組成如圖2所示.

圖2 先導(dǎo)式溢流閥模型庫組成Fig.2 Composition ofpilot-operated reliefmodel library

3.1 先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)分析

通過觀察先導(dǎo)式溢流閥的實(shí)物圖及局部剖視圖（見圖3）,分析該元件主要由先導(dǎo)閥閥體、先導(dǎo)閥閥芯、主閥閥體、主閥閥芯、調(diào)節(jié)手輪組成[6-7],從而對該元件有了大概的認(rèn)識和了解.

為了本模型庫后續(xù)研究的進(jìn)行,只對先導(dǎo)式溢流閥的大致結(jié)構(gòu)有所了解顯然不夠,必須對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析.參照先導(dǎo)式溢流閥的實(shí)物、功能,采用CAD軟件繪出本元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視簡圖,如圖4所示.在圖4中,表示出了先導(dǎo)式溢流閥的各組成部件、裝配關(guān)系和工作中油液流動通道,有助于進(jìn)一步分析其工作原理和應(yīng)用.

圖3 先導(dǎo)式溢流閥實(shí)物及局部剖視Fig.3 Kind and diagram ofpilot-operated relief

圖4 先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)剖視Fig.4 Cunaway view of pilot-operated relief

3.2 先導(dǎo)式溢流閥工作原理分析

參照圖4,分析先導(dǎo)式溢流閥的工作原理：閥入口有壓力油液進(jìn)入時(shí),油液經(jīng)主閥芯上的阻尼孔到達(dá)先導(dǎo)閥前端,當(dāng)閥入口油液壓力大于先導(dǎo)閥彈簧調(diào)節(jié)壓力時(shí),先導(dǎo)閥打開,此時(shí)通過阻尼孔的油液量增多,使得阻尼孔上產(chǎn)生壓降,當(dāng)壓降值大于主閥彈簧調(diào)節(jié)壓力時(shí),主閥打開,實(shí)現(xiàn)溢流.調(diào)節(jié)手輪可以調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥的開啟壓力,遠(yuǎn)程控制口可先導(dǎo)式實(shí)現(xiàn)溢流閥的遠(yuǎn)程調(diào)壓的應(yīng)用.

3.3 先導(dǎo)式溢流閥組成部件的三維建模

結(jié)合圖3和圖4,應(yīng)用Pro/E軟件中零件設(shè)計(jì)模塊,完成其主要組成部件的三維設(shè)計(jì),其中包括上閥體、下閥體、先導(dǎo)閥閥芯、主閥閥芯、調(diào)節(jié)手輪、調(diào)節(jié)螺母等的設(shè)計(jì),三維模型如圖5所示.

圖5 先導(dǎo)式溢流閥主要零部件模型Fig.5 Components model ofpilot-operated relief

3.4 三維模型的動態(tài)裝配和運(yùn)動仿真

應(yīng)用Pro/E軟件中裝配模塊,通過選擇裝配基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)裝配順序,完成先導(dǎo)式溢流閥主要組成部件的裝配.對完成裝配的先導(dǎo)式溢流閥模型通過選擇運(yùn)動分析機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)相關(guān)運(yùn)動參數(shù),完成其運(yùn)動仿真設(shè)計(jì),效果如圖6所示.

圖6 先導(dǎo)式溢流閥裝配、仿真Fig.6 Assembly and simulation ofpilot-operated relief

3.5 先導(dǎo)式溢流閥的工程應(yīng)用

先導(dǎo)式溢流閥在工程中最為典型的應(yīng)用就是其調(diào)壓作用,在調(diào)壓過程中,該元件可以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的一級調(diào)壓、二級調(diào)壓和多級調(diào)壓等,因篇幅限制文中只對多級調(diào)壓做說明.

參照圖7所示,液壓系統(tǒng)中有先導(dǎo)式溢流閥1、直動式溢流閥2和3,當(dāng)先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)定壓力大于直動式溢流閥2和3的調(diào)定壓力時(shí),若三位四通電磁換向閥1YA通電時(shí),系統(tǒng)壓力由直動式溢流閥2來調(diào)控；若三位四通電磁換向閥2YA通電時(shí),系統(tǒng)壓力由直動式溢流閥3來調(diào)控；若三位四通電磁換向閥1YA和2YA均斷電時(shí),系統(tǒng)壓力由先導(dǎo)式溢流閥1來調(diào)控.

圖7 先導(dǎo)式溢流多級調(diào)壓應(yīng)用Fig.7 Multistage pressure applications ofpilot-operated relief

以上內(nèi)容為一個(gè)元件庫的開發(fā)過程,模型庫完成了30多種常見液壓元件模型的開發(fā),因元件模型庫建立過程的重復(fù)性和文章篇幅的有限性,不再過多敘述.

4 小結(jié)

應(yīng)用Pro/E軟件完成了常見液壓元件虛擬模型庫的開發(fā),模型庫的開發(fā)具有以下幾方面的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：①模型庫的開發(fā),方便了液壓方面工程技術(shù)人員快速彌補(bǔ)知識缺陷；②應(yīng)用Pro/E軟件創(chuàng)建的元件三維模型,可以直接導(dǎo)入ADMAS軟件進(jìn)行元件的壓力流量分析、動態(tài)特性分析；③利用元件三維模型可以分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對該模型工作性能的影響,從而快速完成新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和已有產(chǎn)品性能的改進(jìn)研究；④可以將模型導(dǎo)入液壓系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)界面,完成液壓系統(tǒng)的快速虛擬設(shè)計(jì)和仿真,并對設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和修改；⑤模型可以有效的輔助液壓傳動課程教學(xué).

[1]孫建芳,張國輝.一種虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[J].液壓氣動與密封,2008（2）：22-25.

[2]左健民.液壓與氣壓傳動[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]孫麗慧,權(quán)威,劉立.液壓傳動虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)平臺的框架設(shè)計(jì)[J].有色設(shè)備,2010（4）：8-10.

[4]孟凡賀,張萌,張軍花,等.液壓回路虛擬實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2011,39（5）：98-100.

[5]林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[6]田剛,李光,田晉躍.車輛4擋動力換擋變速器壓力調(diào)節(jié)閥的特性分析[J].機(jī)床與液壓,2012,40（13）：155-157,161.

[7]胡燕平,彭佑多.先導(dǎo)式溢流閥穩(wěn)態(tài)特性研究[J].中國機(jī)械工程,2003,14（18）：15-16.