FluidSIM在节流阀调速回路实践教学中的应用

摘要：在节流阀调速回路的实践教学中，利用FluidSIM软件构建节流阀进油和回油调速回路，仿真其速度-负载特性，通过数据分析，由现象到本质，直观地揭示这两种调速回路的工作特点及应用，从而提高学生在实践教学中对液压传动知识掌握的深度和广度。

关键词：FluidSIM仿真软件;节流阀调速回路;速度-负载特性;应用分析

中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1005-1422（2015）10-0099-02

在液压传动中，节流阀调速回路是采用节流阀进行调速的回路，通过改变节流阀通流截面面积的大小从而改变进入执行元件流量的大小，实现运动速度的调节。节流阀调速回路根据节流阀在回路中的位置不同分为进油调速回路和回油调速回路两种，在液压设备中应用较广泛，也是液压传动实践教学中的重点实训项目，但往往受制于实训条件的不足，学生对该回路掌握不够深入和全面。利用FluidSIM软件液压仿真功能，在实践教学中通过模拟节流阀调速回路工作过程及速度与负载的特性，通过数据分析，由现象到本质，直观地揭示这两种调速回路的工作特点及应用，从而提高学生在实践教学中对知识掌握的深度和广度。

一、节流阀调速回路实践教学中存在问题分析

在节流阀调速回路实践教学中存在的主要问题有：①学生在实训台上能按回路的要求安装并调试回路，但对于该回路的工作原理缺乏深入的理解;②不能清楚区分进油和回油调速回路的工作特点及应用;③在节流调速回路设计时，不能根据回路的控制要求确定节流阀在回路中的正确位置;④学生对于液压节流调速原理的理解一直容易被工作压力越大，执行元件运动速度就越快这种惯性思维误导，未能清楚认识执行元件的运动速度是由流量来决定的本质;⑤由于实训条件的限制，液压缸在运动时为不带负载或负载不变的，使学生不能全面有效体验节流阀调速回路的实际工作情况。总体来说，学生在实践教学中通过对节流阀调速回路动手操作有一定感性的认识，但还缺少理性的思考。

二、FluidSIM仿真软件简介

FluidSIM软件由德国FESTO公司开发，专门用于液压与气压传动的教学软件。FluidSIM软件的主要特征是CAD功能和仿真功能紧密联系在一起。FluidSIM软件符合DIN电气-液压（气压）回路图绘制标准，CAD功能是专门针对流体而特殊设计的，例如在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间连接是否可行。最重要的是可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示，这样就使回路图绘制和相应液压（气压）系统仿真相一致，从而能够在设计完回路后，验证设计的正确性，并演示回路动作过程。FluidSIM软件与FESTO公司液压与气压传动回路实验台相结合，不仅能激发学生学习液压气动的兴趣和积极性，而且能取得良好的教学效果。

三、利用FluidSIM对节流阀调速回路进行运动仿真

打开FluidSIM-H仿真软件，从软件的元件库中选取相应的液压元件的职能符号，分别构建如图1所示的节流阀进油调速回路和如图2所示节流阀回油调速回路。该液压回路使用的元件主要有定量式液压泵1台、直动式溢流阀1个、手动式二位四通换向阀1个、双作用液压缸1个、单向节流阀1个、压力表1个。为了作对比分析，两种调速回路使用的元件及工作参数设定完全相同。在回路仿真前，设定定量式液压泵的流量为2l/min，直动式溢流阀的调定压力为5Mpa，节流阀开口度为一定值，然后按下工具栏启动按钮，仿真节流阀调速回路的工作过程：当二位四通换向阀手动切换到左位，液压缸活塞伸出;当二位四通换向阀手动切换到左位，液压缸活塞退回;调节节流阀的开口度大小可以调节活塞伸出的速度的快慢。利用FluidSIM软件中单步仿真和连续仿真功能，可以清楚了解回路的工作过程。

图1节流阀进油调速回路图2节流阀回油调速回路

四、利用FluidSIM对节流阀调速回油进行速度-负载特性分析

分别调节单向节流阀的开口度为80%、70%、60%和液压缸输出力（即负载）分别为0N、200N、400N、600N、800N，然后让液压缸伸出，分别记录下节流阀进油调速回路和回油调速回路的液压缸活塞伸出速度的读数，其结果分别如表1和表2所示。

由表1和表2数据分析可知节流阀进油调速回路和回油调速回路的有以下特点：①当节流阀开口度一定时，以上两种调速回路液压缸的运动速度通常会随着液压缸输出力大小变化而变化，如表1节流阀进油调速回路，当节流阀开口度为70%时，负载按0N、200N、400N、600N、800N变化，对应液压缸运动速度则分别为0.09m/s、0.08m/s、0.07m/s、0.05m/s、0.04m/s;②在相同的开口度和输出力下，进油调速回路的运动速度一般小于回油调速回路，如在开口度为60%、输出力为400N时，进油调速回路的运动速度为0.04m/s，回油调速回路的运动速度为0.08m/s;③当开口越小和输出力越大时，进油调速回路由于运动速度过小，容易产生爬行现象;④开口度不变负载变化时，进油调速回路运动速度一般比回油调速回路速度变化波动大，运动平稳性也比回油调速回路差;⑤当节流阀开口度一定时，负载越小，节流阀调速回路液压缸速度刚性越大，如表2节流阀回油调速回路，当节流阀开口度为60%时，负载分别为0N、200N、400N，速度分别为0.1m/s、0.09m/s、0.08m/s，变化不大，但当负载分别为600N、800N，则速度分别为0.06m/s、0.04m/s，变化较大。

造成节流阀进油调速回路与回油调速回路速度-负载特性有以上差异的原因是节流阀本身的存在压差-流量特性决定的。节流阀不能稳定阀前后两端压力差，当负载变化时，会引起节流阀前后工作压差的变化，对于开口量一定的节流阀来说，根据小孔流量公式，当工作压差变化时，通过阀的流量必然变化，这就导致了液压执行元件运动速度的不稳定。

五、节流阀节流调速阀回路的应用分析

通过利用FluidSIM对节流阀节流调速回路的运动仿真和速度-负载特性的分析，对回路的工作原理有了较好的理解，但还必须掌握回路的应用。①节流阀进油调速回路：在进油口有节流阀限制流量，在回油口又没有背压的原因，所以运动平稳性差;在刚启动时由于有节流阀串联在进油口，所以启动冲击小;另外多余的油液被溢出，所以工作效率低;在该回路中，工作部件的运动速度随外负载的增减而忽快忽慢，难以得到准确的速度，速度稳定性差;可以获得较大的推力和较低的速度。故节流阀进油调速回路适用于功率较小、轻负载或负载变化不大以及速度不高的场合。②节流阀回油调速回路：节流阀装在回油路上，回油路上有较大的背压，因此在外界负载变化时可起缓冲作用，运动平稳性比进油节流调速回路好;回油节流调速回路中，经节流阀后压力损耗而发热，导致温度升高的油液直接流回油箱，容易散热。故节流阀回油调速回路多用在功率不大，但载荷变化较大，运动平稳性要求较高的液压系统中。

综上所述，在节流阀调速回路的实践教学中使用FluidSIM液压气动仿真软件，模拟回路的工作过程及设定在不同工作参数下回路的工作特点，补充受实训条件不足而不能进行的操作，有利于学生直观、全面掌握液压回路相关的知识和技能。

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