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【摘要】运用AMESim的液压库和机械库建立简单的液压系统及电液伺服系统，仿真结果直观的给出了系统中各处流量及液流的方向。通过改变油液的饱和压力，研究油液中不同空气含量对液压泵工作压力的影响。结果表明，油液中混入的空气会改变液压系统的动态特性，使泵的供油压力产生零漂，从而影响伺服系统的稳定性及精度。因此，必须严格选择液压系统的工作介质。
【关键词】液压系统;AMESim;气蚀;空气含量
1.简单液压系统的建立及仿真
调用AMESim机械库和液压库[1]中的元件，建立图1所示的液压仿真模型。该系统由电机、液压泵、溢流阀、液压马达以及一部分管路所组成。
1.电机 2.液压泵 3.溢流阀 4.马达 5.负载
图1 液压系统
其工作原理为：电机以一定的转速驱动液压泵，把具有一定压力的油液输送到系统中，此时电机的机械能转化为油液的压力能，然后压力油通过管路输送到液压马达，驱动负载运转，此时油液的压力能转化为机械能。溢流阀在此系统中做安全阀用，即在系统正常工作时处于关闭状态，只是系统压力大于或等于溢流阀调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用[2]。当不考虑油液的压缩性、管道阻力及泄漏、粘性摩擦等因素时，设置相应参数，经过简单仿真后，得到管道中油液的流量和方向及液压泵工作压力随时间变化的情况。
图2 系统中油液的流量及方向
图3 泵工作压力随时间变化曲线
从图3中可知，随着时间的推移，经过一定的波动后，液压泵的工作压力逐渐降低并趋于稳定，泵在该压力下稳定工作。
2.电液伺服系统的分析
在图1所示系统中加入指令信号和电液伺服阀后，就构成最简单的四通阀控制液压马达电液伺服系统。电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，将系统的电气部分与液压部分连接起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制[3]。对系统进行仿真后，得到图5所示曲线。
1.指令信号 2.电液伺服阀
图4 电液伺服系统
图5 指令信号和马达转速曲线
从图中可知，液压马达的转速和指令信号的大小成比例，马达的转动方向能够随着指令信号的变化而变化，即所谓的液压随动系统[4]。但在实际应用中，液压马达的转速要受诸多因素的限制，油液中的空气含量是不可忽略的问题，特别当有气蚀现象发生时，会使泵的动态特性发生改变，使泵的工作压力出现波动，从而使马达的转速不能跟随指令信号的变化。
3.气蚀的产生及分类
3.1 气蚀产生的条件
工作介质是液压系统的生命线，它将系统中各类元件沟通起来成为一个有机的整体。液压系统能否可靠、有效、安全而又经济地运行，与所选用工作介质的性能密切相关，液压系统80%的故障是由于油液污染造成的[5]。例如，在液压泵入口，当压力降低或温度升高时，将导致油液中空气泡（当压力低于油液的空气分离压时）或蒸汽泡（当压力小于油液的蒸气压时）的萌生和长大。当这些空泡进入液压泵的压油区以后，由于压力升高，气泡受到挤压，瞬间破灭，产生强烈的液压冲击[6]，导致局部出现高温高压。结果将使零件表面受到严重侵蚀，振动及噪声加剧，容积效率下降，油液的理化性能加速劣化。
3.2 气蚀的分类
空气在液压油中的存在方式有两种：一种是以气泡的形式存在，这些气泡会改变液体的可压缩性，从而改变液体的弹性模量;另一种是溶解在液压油中，成为液压油的一部分。气蚀现象是在液体中产生的一种物理变化过程，它包括在液体中空泡的萌生、长大及溃灭的全过程。气蚀分两种类型：主要由于先前溶解在油液中的气体析出而产生的气蚀，一般称为气体气蚀;主要由于油液压力达到饱和蒸发压力而产生的气蚀，一般称为蒸汽气蚀。
4.不同空气含量对泵工作压力的影响
对于图1液压系统，设置油液的饱和压力为400bar，油液中空气含量从0%增加到10%，分析系统在不同空气含量下，液压泵工作压力的变化情况如图6所示。
图6 不同空气含量下泵工作压力变化曲线
从图6可知，系统的动态特性改变了，泵的工作压力在不同空气含量下出现不同程度的波动，这不但影响液压泵的使用寿命，还会降低系统的效率。正常情况下液压油中的空气含量应在1%以下，但在一些特殊应用中，如齿轮箱的润滑系统中，空气含量可以达到2.5%及以上。
5.液压工作介质的选择
正确选择、使用和维护液压系统的工作介质，能够有效避免系统中潜在故障的产生，有利于保证液压系统安全、可靠地工作。液压系统根据其组成、结构、工作条件、环境条件及其所起的作用，对工作介质的要求有：
（1）保证油液的清洁度
这是保证液压系统可靠工作的关键。通常液压系统要求有10um的过滤器，对要求比较高的系统，则应有5um的过滤器[7]。
（2）防止空气混入
空气混入将造成系统工作不稳定并使快速性降低。因此油液中空气含量不能超过规定值，一般油中的空气含量不应超过2%～3%。工程上可采用加压油箱（1.5bar）来避免空气混入。
（3）保持油温恒定
温度过高，使液压元件寿命降低，油温变化大，使伺服阀的零漂加大，影响系统的性能。一般油温控制在35～45度之间。
（4）保持油源压力稳定，减小油源压力波动
一般在液压伺服系统的液压能源中，都设有皮囊式蓄能器吸收油源的压力脉动，提高响应能力。
参考文献
[1]付久长，米双山，檀润华等.基于AMESim的某液压系统调节蓄能器仿真研究[J].机床与液压，2013，41（7）： 182-185.
[2]李壮云.液压元件与系统[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]王春行，徐渌，王益群.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999.
[4]官忠范.液压传动系统[M].北京：机械工业出版社， 1989.
[5]应忠卿.工程机械液压系统的污染与控制[J].地质装备，2005，6（2）：12-15.
[6]蔡祖光.液压油的性能、作用、污染与防护[J].液压与气动，1997（2）：15-18.
[7]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社， 1990.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：50775154）;山西省自然科学基金资助项目（项目编号：2013011026-2）。
【关键词】液压系统;AMESim;气蚀;空气含量
1.简单液压系统的建立及仿真
调用AMESim机械库和液压库[1]中的元件，建立图1所示的液压仿真模型。该系统由电机、液压泵、溢流阀、液压马达以及一部分管路所组成。
1.电机 2.液压泵 3.溢流阀 4.马达 5.负载
图1 液压系统
其工作原理为：电机以一定的转速驱动液压泵，把具有一定压力的油液输送到系统中，此时电机的机械能转化为油液的压力能，然后压力油通过管路输送到液压马达，驱动负载运转，此时油液的压力能转化为机械能。溢流阀在此系统中做安全阀用，即在系统正常工作时处于关闭状态，只是系统压力大于或等于溢流阀调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用[2]。当不考虑油液的压缩性、管道阻力及泄漏、粘性摩擦等因素时，设置相应参数，经过简单仿真后，得到管道中油液的流量和方向及液压泵工作压力随时间变化的情况。
图2 系统中油液的流量及方向
图3 泵工作压力随时间变化曲线
从图3中可知，随着时间的推移，经过一定的波动后，液压泵的工作压力逐渐降低并趋于稳定，泵在该压力下稳定工作。
2.电液伺服系统的分析
在图1所示系统中加入指令信号和电液伺服阀后，就构成最简单的四通阀控制液压马达电液伺服系统。电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，将系统的电气部分与液压部分连接起来，实现电、液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制[3]。对系统进行仿真后，得到图5所示曲线。
1.指令信号 2.电液伺服阀
图4 电液伺服系统
图5 指令信号和马达转速曲线
从图中可知，液压马达的转速和指令信号的大小成比例，马达的转动方向能够随着指令信号的变化而变化，即所谓的液压随动系统[4]。但在实际应用中，液压马达的转速要受诸多因素的限制，油液中的空气含量是不可忽略的问题，特别当有气蚀现象发生时，会使泵的动态特性发生改变，使泵的工作压力出现波动，从而使马达的转速不能跟随指令信号的变化。
3.气蚀的产生及分类
3.1 气蚀产生的条件
工作介质是液压系统的生命线，它将系统中各类元件沟通起来成为一个有机的整体。液压系统能否可靠、有效、安全而又经济地运行，与所选用工作介质的性能密切相关，液压系统80%的故障是由于油液污染造成的[5]。例如，在液压泵入口，当压力降低或温度升高时，将导致油液中空气泡（当压力低于油液的空气分离压时）或蒸汽泡（当压力小于油液的蒸气压时）的萌生和长大。当这些空泡进入液压泵的压油区以后，由于压力升高，气泡受到挤压，瞬间破灭，产生强烈的液压冲击[6]，导致局部出现高温高压。结果将使零件表面受到严重侵蚀，振动及噪声加剧，容积效率下降，油液的理化性能加速劣化。
3.2 气蚀的分类
空气在液压油中的存在方式有两种：一种是以气泡的形式存在，这些气泡会改变液体的可压缩性，从而改变液体的弹性模量;另一种是溶解在液压油中，成为液压油的一部分。气蚀现象是在液体中产生的一种物理变化过程，它包括在液体中空泡的萌生、长大及溃灭的全过程。气蚀分两种类型：主要由于先前溶解在油液中的气体析出而产生的气蚀，一般称为气体气蚀;主要由于油液压力达到饱和蒸发压力而产生的气蚀，一般称为蒸汽气蚀。
4.不同空气含量对泵工作压力的影响
对于图1液压系统，设置油液的饱和压力为400bar，油液中空气含量从0%增加到10%，分析系统在不同空气含量下，液压泵工作压力的变化情况如图6所示。
图6 不同空气含量下泵工作压力变化曲线
从图6可知，系统的动态特性改变了，泵的工作压力在不同空气含量下出现不同程度的波动，这不但影响液压泵的使用寿命，还会降低系统的效率。正常情况下液压油中的空气含量应在1%以下，但在一些特殊应用中，如齿轮箱的润滑系统中，空气含量可以达到2.5%及以上。
5.液压工作介质的选择
正确选择、使用和维护液压系统的工作介质，能够有效避免系统中潜在故障的产生，有利于保证液压系统安全、可靠地工作。液压系统根据其组成、结构、工作条件、环境条件及其所起的作用，对工作介质的要求有：
（1）保证油液的清洁度
这是保证液压系统可靠工作的关键。通常液压系统要求有10um的过滤器，对要求比较高的系统，则应有5um的过滤器[7]。
（2）防止空气混入
空气混入将造成系统工作不稳定并使快速性降低。因此油液中空气含量不能超过规定值，一般油中的空气含量不应超过2%～3%。工程上可采用加压油箱（1.5bar）来避免空气混入。
（3）保持油温恒定
温度过高，使液压元件寿命降低，油温变化大，使伺服阀的零漂加大，影响系统的性能。一般油温控制在35～45度之间。
（4）保持油源压力稳定，减小油源压力波动
一般在液压伺服系统的液压能源中，都设有皮囊式蓄能器吸收油源的压力脉动，提高响应能力。
参考文献
[1]付久长，米双山，檀润华等.基于AMESim的某液压系统调节蓄能器仿真研究[J].机床与液压，2013，41（7）： 182-185.
[2]李壮云.液压元件与系统[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]王春行，徐渌，王益群.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999.
[4]官忠范.液压传动系统[M].北京：机械工业出版社， 1989.
[5]应忠卿.工程机械液压系统的污染与控制[J].地质装备，2005，6（2）：12-15.
[6]蔡祖光.液压油的性能、作用、污染与防护[J].液压与气动，1997（2）：15-18.
[7]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社， 1990.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：50775154）;山西省自然科学基金资助项目（项目编号：2013011026-2）。