問(wèn)題描述

液壓腔是液壓元件和液壓系統(tǒng)中最常見(jiàn)的元素之一。從形式上看，液壓腔是用于儲(chǔ)存液壓油的空間，通過(guò)接口與外部系統(tǒng)相連，其體積可以是固定的，也可以是變化的；從功能上看，液壓腔內(nèi)的油液經(jīng)過(guò)壓縮產(chǎn)生壓力，液壓腔可通過(guò)接口與外部系統(tǒng)交換油液和壓力，對(duì)于固定容積的液壓容腔，進(jìn)入液壓腔的油液增量為正時(shí)，壓力增大，反之則壓力減小。

Amesim的液壓庫(kù)和HCD庫(kù)中提供了多種不同類型的用于模擬液壓腔的元件或具有液壓腔特征的元件，其中有些元件看起來(lái)是相似的，但在使用時(shí)又有較大差別。初學(xué)者往往對(duì)此感到困惑，不知道如何選擇和使用，筆者在最初接觸Amesim時(shí)也被這個(gè)問(wèn)題困擾過(guò)一段時(shí)間。在本文中，筆者將根據(jù)自己的理解把這些元件進(jìn)行分類，并逐步描述它們的區(qū)別和用法。

       為了在文中更好地闡明筆者的想法，首先需要明確一些概念。油液具有壓縮性，相同質(zhì)量的油液在不同的壓力作用下，其密度和體積不相同。基于此，當(dāng)我們提到油液的“體積”、“流量”等這些概念時(shí)，有兩種不同的處理和理解方式：第一種，油液的體積、流量是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（相對(duì)壓力為0 bar）下的體積、流量（與油液的質(zhì)量成正比）；第二種，油液體積、流量是指在當(dāng)前時(shí)刻特定壓力下的體積、流量。那么Amesim在處理這些問(wèn)題的時(shí)候，是采用了哪種方式呢？答案是第一種方式！在本文中，筆者將會(huì)提到兩個(gè)體積概念，第一個(gè)是“液壓腔的體積”，是指液壓腔內(nèi)的幾何容積；第二個(gè)是“油液的體積”，與Amesim的處理方式相同，是指標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的油液體積。

液壓腔的分類和解釋

根據(jù)外部變量以及計(jì)算壓力方式的不同，可以把Amesim中的液壓腔元件（包括用于模擬液壓腔的元件和具有液壓腔特征的元件）分為以下三類。

第一類：“常規(guī)的”液壓腔

      第一類元件主要是指液壓庫(kù)中的用于模擬液壓腔的元件和具有液壓腔特征的元件。下面以元件hydraulic_chamber_4_ports（子模型HC01）和actuator001（子模型HJ020）為例，具體說(shuō)明這一類元件的特征。如圖1所示，前者用來(lái)模擬具有固定體積的液壓腔；后者結(jié)構(gòu)中包含有桿腔和無(wú)桿腔，屬于具有液壓腔特征的元件，且腔的體積隨活塞桿的運(yùn)動(dòng)而變化。通過(guò)它們的外部變量可以看出，此類液壓腔接收外部輸入的油液流量，然后通過(guò)液壓腔的體積、油液的體積增量以及油液彈性模量等參數(shù)計(jì)算油液的壓力變化，并輸出壓力。由此可以見(jiàn)，這類元件具備液壓腔在形式上和功能上的基本特征，屬于常規(guī)的液壓腔模型，因此筆者稱之為“常規(guī)的”液壓腔。

圖1 第一類液壓腔元件示例

第二類：“殘缺的”液壓腔

    第二類元件常見(jiàn)于HCD庫(kù)中。下面以元件bap2（子模型BAP11）為例，具體說(shuō)明這一類元件的特征。如圖2所示，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，bap2的活塞桿和缸體共同構(gòu)成一個(gè)相對(duì)密閉的腔體，且腔的體積隨活塞桿的運(yùn)動(dòng)而變化；從外部變量來(lái)看，與第一類腔不同，這類腔的輸入變量是壓力，輸出變量是油液的流量和液壓腔的體積（注意，這里輸出的是腔的體積，并非油的體積），即這類元件在計(jì)算過(guò)程中并沒(méi)有考慮腔中的油液壓縮所引起的壓力變化。因此，這類元件雖然符合液壓腔形式上的特征（即具有儲(chǔ)存油液的相對(duì)密閉的空間），但并不符合液壓腔功能上的特征（即腔中的油液不能參與壓縮產(chǎn)生壓力），其作為液壓腔的特征是不健全的、殘缺的，因此筆者稱之為“殘缺的”液壓腔。

圖2 第二類液壓腔元件示例

第三類：“熱心的”液壓腔

第三類元件是指HCD庫(kù)中用于模擬液壓腔的元件。下面以元件bhc1（子模型BHC11）為例具體說(shuō)明這一類元件的特征。如圖3所示，從外部變量來(lái)看，它與第一類元件的不同之處在于，它的外部輸入變量除了油液流量外，還有與之相連的元件的液壓腔體積。這類元件在計(jì)算油液壓縮引起的壓力變化時(shí)所采用的液壓腔體積，是自身體積與四個(gè)端口輸入的體積之和。有的時(shí)候，我們需要使用第二類元件進(jìn)行建模，但又希望腔內(nèi)的油液參與壓縮產(chǎn)生壓力（例如當(dāng)腔的體積較大導(dǎo)致油液壓縮對(duì)系統(tǒng)性能影響較大時(shí)），這種情況下就要使用第三類元件與之相連，把第二類元件的液壓腔體積量輸入到第三類元件中，由后者計(jì)算壓力。因此第三類元件不僅計(jì)算自身腔內(nèi)油液壓力，也幫助與之相連的第二類元件計(jì)算腔內(nèi)油液壓力，因此筆者稱之為“熱心的”液壓腔。

圖3 第三類液壓腔元件示例

舉例說(shuō)明

       圖4所示為同一模擬對(duì)象的三種不同建模方式，它們的區(qū)別在于液壓缸的建模：圖a采用液壓庫(kù)的液壓缸元件；圖b采用HCD庫(kù)元件建模，并用液壓庫(kù)的液壓腔元件模擬缸的死區(qū)容積；圖c采用HCD庫(kù)元件建模，并用HCD庫(kù)的液壓腔元件模擬缸的死區(qū)容積。為使三個(gè)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，在參數(shù)模式下設(shè)置模型參數(shù)如表1所示（未標(biāo)出的元件采用首選子模型及默認(rèn)參數(shù)）。

圖4 同一模擬對(duì)象的三種不同建模方式

表1 示例模型參數(shù)設(shè)置

元件編號(hào)及子模型	參數(shù)	值及單位
1. PS00	number of stage	1
	pressure at start of stage 1	100 [bar]
	pressure at start of stage 2	100 [bar]
2. MECMAS21	endstop type	ideal
	mass	1000 [kg]
	higher displacement limit	0.3 [m]
	lower displacement limit	0 [m]
3. BAP12	piston diameter	25 [mm]
	rod diameter	0 [mm]
4. BAP11	piston diameter	25 [mm]
	rod diameter	0 [mm]
	chamber length at zero displacement	300 [mm]
5. HC00	volume of chamber	50 [cm**3]
6. BHC11	dead volume	50 [cm**3]

      在仿真模式下設(shè)置仿真時(shí)間為2 s并運(yùn)行仿真，提取三個(gè)質(zhì)量塊的位移結(jié)果曲線，如圖5所示。可以看出，模型a和模型c仿真結(jié)果完全一致，模型b的仿真結(jié)果和它們存在差異。這是因?yàn)槟Ｐ蚢采用的液壓缸元件為第一類“常規(guī)的”液壓腔，它在計(jì)算時(shí)考慮了液壓缸腔體內(nèi)的油液壓縮引起的壓力變化；模型b采用的HCD庫(kù)元件為第二類“殘缺的”液壓腔，無(wú)法計(jì)算液壓缸腔體內(nèi)的油液壓縮對(duì)壓力變化的影響，因而結(jié)果存在差異；模型c采用了第三類“熱心的”液壓腔與第二類元件相連，它可以幫助第二類元件計(jì)算腔體內(nèi)油液壓縮引起的壓力變化，因此計(jì)算結(jié)果與模型a完全一致。由此也可以看出，“熱心的”液壓腔與“殘缺的”液壓腔連接之后，在功能上等同于“常規(guī)的”液壓腔。

圖5 示例模型仿真結(jié)果對(duì)比

總結(jié)

在本文中，筆者將Amesim中的液壓腔元件（包括用于模擬液壓腔的元件和具有液壓腔特征的元件）分為三類，即第一類“常規(guī)的”液壓腔、第二類“殘缺的”液壓腔和第三類“熱心的”液壓腔，它們的主要區(qū)別如下：

從元件類型上看，第一類主要是指液壓庫(kù)中用于模擬液壓腔的元件和具有液壓腔特征的元件，第二類常見(jiàn)于HCD庫(kù)中具有液壓腔特征的元件，第三類是指HCD庫(kù)中用于模擬液壓腔的元件；

從外部變量上看，第一類的輸入變量是油液的流量，輸出變量是壓力，第二類的輸入變量是壓力，輸出變量是油液的流量和液壓腔的體積，第三類的輸入變量是油液的流量和液壓腔的體積，輸出變量是壓力；

從壓力計(jì)算上看，第一類通過(guò)自身液壓腔的體積、油液的體積增量以及油液彈性模量等參數(shù)計(jì)算油液的壓力變化，并輸出壓力，第二類無(wú)法計(jì)算油液壓縮引起的壓力變化，第三類在計(jì)算壓力時(shí)，不僅考慮了自身液壓腔體積，還考慮了與之相連的元件液壓腔體積；第二類元件與第三類元件連接后在功能上等同于第一類元件。

最后，筆者還有以下幾點(diǎn)說(shuō)明：1）本文在舉例時(shí)采用了較為簡(jiǎn)單的元件子模型，有些復(fù)雜的元件子模型在計(jì)算時(shí)還考慮了液壓腔壁的剛度、端口處的液阻等因素，大家在使用時(shí)可根據(jù)仿真需求進(jìn)行選擇；2）本文主要對(duì)液壓庫(kù)和HCD庫(kù)中涉及到的腔元件進(jìn)行了解釋說(shuō)明，在熱液壓、氣動(dòng)等專業(yè)庫(kù)中也存在類似的腔元件，大家可對(duì)比理解；3）本文所采用的一些分類和表述方法是基于筆者自己的理解，并非專業(yè)的術(shù)語(yǔ)，大家可查閱軟件的幫助文檔。

文章來(lái)源：Amesim學(xué)習(xí)與應(yīng)用