基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究

基于AMESim的气动系统 建模与仿真技术研究（版本A）

本文主要内容如下

(1)推导气体的流量、温度和压力方程。

(2)基于AMESim对普通气动回路进行仿真分析。并推导气动系统常用元件的

数学方程，在此基础上对气动元件及系统进行模型仿真分析。 (3)对气动比例位置系统进行建模与仿真研究，在系统仿真模型基础上进行

故障仿真研究。最后探讨基于 AMESim 的气动比例位置系统实时仿真研究。

1. 气动系统建模的理论基础

气动系统和元件建模的首要任务就是要充分的明确空气的物理性质和空气的热力学性质，为准确的元件建模和系统仿真奠定基础。气动元件的结构是十分复杂的，但其中的基本规律和数学描述一般还是比较清楚的。经过前人的大量研究发现，气动系统的动态特性从本质上讲可以抽象为由一些基本环节所组成，比如放气环节、惯性环节和气容充气环节等等。而它们之间又是通过压力、力、位移、容积等参数相互关联相互影响的。

1.1 流量方程

流量特性表示元件的空气流通能力，将直接影响气动系统的动态特性。 所有的压力降取决于下面两个基本参数：

a) 声速流导 C(Sonic Conductance)——[null] b) 临界压力比b(Critical Pressure Ratio)[S*m/kg]

4

ISO6358标准孔口——

标准体积流量

设绝对温度T ，绝对压力p的工况下的体积流量为Q，基准状态和标准状态下的体积流量可表示为：

空气压缩机的输出流量通常用换算到吸入口的大气状态下的体积流量来表示。以上公式同样适用于从吸入口的大气状态到基准或标准状态的换算。

气动孔口流量

在气动系统中，一般需要计算通过节流口的气体压力、流量、温度等参数，但是由于气体的可压缩性，气体在通过节流口时是个很复杂的过程，节流口前后的流道突然收缩或扩张，气体在孔口前后均会形成涡流，产生强烈的摩擦，因而机械能变成热能具有不可逆过程。同时，由于流体运动的极不规则，同一界面上的各点参数极不均匀。为了研究气体的流量特性，基本上可将阀中的节流口理想地等价为一个小孔或收缩喷嘴，并用小孔或者收缩喷嘴的流量特性来表示其流量特性。

式中 u——缩流处的流速

k ——空气的比热

ρ0 ——喷嘴上游空气密度(kg/m) p0 ——上游压力(bar) p1 ——下游压力(bar)

因为是等熵流动，将绝热过程公式带入替换密度ρ1 可得流经收缩喷嘴的质量流量：

3

式中 R ——气体常数(J/(kgK))

T0 ——上游空气的绝对温度(K) A1 ——喷嘴出口面积(mm)

这里A1 比喷嘴入口处截面积A 0小，两者的比是：

2

称之为缩流系数。缩流系数根据收缩喷嘴入口的形状及尺寸不同，一般在0.85～0.95 之间的范围内。

当质量流量达到最大时，即流量达到饱和，此时的压力比P1/P0就是临界压力比。根据气体绝热过程的能量方程式可得临界压力比b为：

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