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摘 要： 为验证AMEsim软件在热液压系统仿真方面的真实性和优势，基于AMEsim软件对液压系统内热量易集中的油箱元件进行了建模和仿真，通过对油箱散热的理论模型进行分析，建立了能够准确反应油箱的产热和散热的整套模型系统，然后对模型进行仿真计算，仿真结果真实有效，AMEsim软件对热液压系统仿真具有独特优势。
关键词： AMEsim;油箱散热;建模;仿真
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.005
本文著录格式：王雪婷，吴张永，恭飞，等. 基于AMEsim的液压系统油箱散热仿真[J]. 软件，2020，41（01）：2123+28
【Abstract】： In order to verify the authenticity and advantages of AMEsim software in thermo-hydraulic system simulation， the AMEsim software is used to model and simulate the fuel tank components with easy heat concentration in the hydraulic system. Through the analysis of the theoretical model of fuel tank heat dissipation， A complete model system that accurately reflects the heat generation and heat dissipation of the fuel tank， and then simulates the model. The simulation results are real and effective. AMEsim software has unique advantages for thermohydraulic system simulation.
【Key words】： AMEsim; Fuel tank cooling; Modeling; Simulation
0 引言
液压系统已经广泛地应用于各种工业设备之中，为其提供了很大方便，但由于油液从高压流向低压时不做功产生的热量会影响液压系统的良好运行[1]，且处于恶劣工况下的液压系统如果没能及时地将产生的热量传递出去，导致液压系统温度升高，从而使整个液压系统的工作效率降低。通过查阅相关文献[2]可认识到，由于液压油温度异常造成的液压系统故障和非正常停机竟达80%以上。液压油温度异常的宏观表现是液压系统发热，一旦系统温度达到密封圈或液压油的许用温度以上，液压系统将不能正常工作，同时，温度升高，液压油黏度下降，导致系统容积损失增加，润滑性能降低[3]。因此，具有良好的散热措施将大大地延长液压系统的使用寿命[4]。在液压系统中，液压油箱不仅具有存储油液的功能，还具有散热功能。目前国内主要有两种方法对液压油箱进行散热，一种是通过增大油箱体积从而增大外壁的自然对流面;另一种是将水冷装置安装在油箱油路上[5]。现今，采用增大油箱体积进行散热的方式应用较多，当增大油箱体积时，进行自然对流的面积增加，能更好地将系统产生的热通过热传导的方式传递到外界环境中去，此时散发的热量和系统产生的热量达到平衡。但在实际工况下，热平衡随着系统散热环境的改变而被打破，使液压油温度不断升高[6]，造成液压系统出现故障。
1 AMEsim软件概述
AMEsim是多学科领域复杂系统建模仿真平台。它基于直观的图形界面建模，操作者可以在其平台上进行液压系统模型的建立，研究其稳态和动态性能[7]，也可以分析和优化系统。目前AMEsim的应用库包括液压库、机械库、热液压库等多个库，可以根据不同的需求选择相应的库建立模型。AMEsim最大的关注点不是数学建模，而是物理系统本身的设计，即操作者不用进行繁琐的数学建模过程，同时也不需要编写任何程序代码，且能在17种算法中选择最佳的积分算法，可以大幅度缩短仿真时间和提高仿真精度。另外，它还提供了线性化分析工具（如系统特征值求解、Bode图、Nyquist图、根轨迹分析）、模态分析工具、频谱分析工具（如快速傅里叶变换FFT、阶次分析Order AnalysiS、频谱图Spectral maps）以及模型简化工具，以方便用户分析和优化自己的系统[8，9]。
2 AMEsim油箱建模
2.1 油箱散热理论分析
液压系统中油箱的发热主要是由液压油将机械能与液压能的相互转换所造成的容积效率损失、压力损失和机械效率损失产生的热量传递到油箱中，然后通过油箱与外界进行热传递和热辐射的方式进行散热[10]。
2.2 散热模型建模
通过AMEsim软件的Sketch mode（草图模式）、Submodles mode（子模型模式），建立如图2所示的液压系统油箱散热模型，该模型中包含的液压元件主要有油箱、液压泵、溢流阀、电动机、容积、单向阀。另外，为了对油箱散热进行准确监测，在模型中还设置有热熔块 ，其两端接口分别根据油箱散热主要的两种方式：（1）空气和油箱对流换热;（2）油箱的对外辐射，设置了两种散热方式的子模型。（对流换热 、热辐射 ）。
2.3 参数设定
对2.2节所建立的模型，在AMEsim中的Parameters mode（参数模式）中对所有子模型进行参数的设定，包括液压介质种类，本文模拟的液压介质为46#液压油;油箱：铁质材料、油箱容积根据油箱尺寸长1000 mm、宽1000 mm、高500 mm、油液高400 mm，通过计算可得油箱散热面积为106 mm2;周长为4000 mm;起始温度為25℃。单向阀开启压力为0.1 bar。容积为1 L。油箱子模型质量计算得224.29 kg。对流换热和热辐射的接触面积根据油箱的周长为4000 mm可设定为长1000 mm、宽为 4000 mm。溢流阀的启动压力设定为50 bar。泵的排量为100 cc/rev，电机转速为1500 rev/min。 3 仿真结果分析
仿真结果如图所示。
从图3所示的仿真结果可知，在该液压系统中当46#液压油运行37.33 min后，系统油箱温度达到了59.98℃，同时在138 min以前油箱温度升高趋势明显，上升速率较快，而138 min以后温升相对平稳，最终油箱的稳定在208.4℃。
从图4可看出，当时间到达37.33 min（2240s）时油箱温度达到59.98℃时，此时所需要的系统散热功率为1.154 kw，而当油箱到达极限温度208.4℃时，此时所需要的散热功率为12.473 kw。
从图3和图4可以得出，系统模型的发热和散热模式是此消彼长的，对应数值完全重合，计算结果十分准确。AMEsim对液压系统的设计计算具有十分强大的计算仿真优势。
4 结论
本文通过对油箱散热的理论模型进行分析，基于AMEsim软件对液压系统内热量易集中的油箱元件进行了建模和仿真，通过实验验证了AMEsim软件对液压油箱的温度场变化具有准确的数值计算分析能力，为液压系统的设计提供准确的数据参考。
参考文献
[1] 陈海泉， 谷学华， 孙玉清. 液压介质的仿真[J]. 大连海事大学学报， 2002（02）： 91-93.
[2] 龙藤， 刘晓南. 仿真实验： 良好散热型液压油箱及工况监控研究[J]. 中国科技信息， 2012（07）： 144-145.
[3] 崔健斌， 愈乐. 液压系统设计对液压油高温故障的影响[J]. 现代机械， 2012（02）： 43-44.
[4] 王彦云. YL450运梁车液压散热控制系统设计研究与实践[D]. 燕山大学， 2014.
[5] 苏杰， 傅连东， 湛从昌， 涂威. 一种新型液压油箱的优化设计[J]. 液压与气动， 2013（04）： 86-88.
[6] 李敏， 周黎， 高强， 卢卫建. 某特种车液压系统热分析[J]. 导弹与航天运载技术， 2017（03）： 87-91.
[7] 刘昕晖， 陈晋市. AMESim仿真技术在液压系统设计分析中的应用[J]. 液压与气动， 2015（11）： 1-6.
[8] Wilfrid Marquis-Favre，Eric Bideaux，Serge Scavarda. A planar mechanical library in the AMESim simulation software. Part II： Library composition and illustrative example[J]. Simulation Modelling Practice and Theory， . 2005. 02. 007.
[9] Ming Hao， Wei Jiang. AMEsim Based Simulation on Hydraulic Experiment Rig for Assembly of Stator Components[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University （Science）， 2013， 18（05）： 570-576.
[10] 路甬祥. 液壓气动手册[M]. 机械工业出版社， 2002. 1.
关键词： AMEsim;油箱散热;建模;仿真
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.005
本文著录格式：王雪婷，吴张永，恭飞，等. 基于AMEsim的液压系统油箱散热仿真[J]. 软件，2020，41（01）：2123+28
【Abstract】： In order to verify the authenticity and advantages of AMEsim software in thermo-hydraulic system simulation， the AMEsim software is used to model and simulate the fuel tank components with easy heat concentration in the hydraulic system. Through the analysis of the theoretical model of fuel tank heat dissipation， A complete model system that accurately reflects the heat generation and heat dissipation of the fuel tank， and then simulates the model. The simulation results are real and effective. AMEsim software has unique advantages for thermohydraulic system simulation.
【Key words】： AMEsim; Fuel tank cooling; Modeling; Simulation
0 引言
液压系统已经广泛地应用于各种工业设备之中，为其提供了很大方便，但由于油液从高压流向低压时不做功产生的热量会影响液压系统的良好运行[1]，且处于恶劣工况下的液压系统如果没能及时地将产生的热量传递出去，导致液压系统温度升高，从而使整个液压系统的工作效率降低。通过查阅相关文献[2]可认识到，由于液压油温度异常造成的液压系统故障和非正常停机竟达80%以上。液压油温度异常的宏观表现是液压系统发热，一旦系统温度达到密封圈或液压油的许用温度以上，液压系统将不能正常工作，同时，温度升高，液压油黏度下降，导致系统容积损失增加，润滑性能降低[3]。因此，具有良好的散热措施将大大地延长液压系统的使用寿命[4]。在液压系统中，液压油箱不仅具有存储油液的功能，还具有散热功能。目前国内主要有两种方法对液压油箱进行散热，一种是通过增大油箱体积从而增大外壁的自然对流面;另一种是将水冷装置安装在油箱油路上[5]。现今，采用增大油箱体积进行散热的方式应用较多，当增大油箱体积时，进行自然对流的面积增加，能更好地将系统产生的热通过热传导的方式传递到外界环境中去，此时散发的热量和系统产生的热量达到平衡。但在实际工况下，热平衡随着系统散热环境的改变而被打破，使液压油温度不断升高[6]，造成液压系统出现故障。
1 AMEsim软件概述
AMEsim是多学科领域复杂系统建模仿真平台。它基于直观的图形界面建模，操作者可以在其平台上进行液压系统模型的建立，研究其稳态和动态性能[7]，也可以分析和优化系统。目前AMEsim的应用库包括液压库、机械库、热液压库等多个库，可以根据不同的需求选择相应的库建立模型。AMEsim最大的关注点不是数学建模，而是物理系统本身的设计，即操作者不用进行繁琐的数学建模过程，同时也不需要编写任何程序代码，且能在17种算法中选择最佳的积分算法，可以大幅度缩短仿真时间和提高仿真精度。另外，它还提供了线性化分析工具（如系统特征值求解、Bode图、Nyquist图、根轨迹分析）、模态分析工具、频谱分析工具（如快速傅里叶变换FFT、阶次分析Order AnalysiS、频谱图Spectral maps）以及模型简化工具，以方便用户分析和优化自己的系统[8，9]。
2 AMEsim油箱建模
2.1 油箱散热理论分析
液压系统中油箱的发热主要是由液压油将机械能与液压能的相互转换所造成的容积效率损失、压力损失和机械效率损失产生的热量传递到油箱中，然后通过油箱与外界进行热传递和热辐射的方式进行散热[10]。
2.2 散热模型建模
通过AMEsim软件的Sketch mode（草图模式）、Submodles mode（子模型模式），建立如图2所示的液压系统油箱散热模型，该模型中包含的液压元件主要有油箱、液压泵、溢流阀、电动机、容积、单向阀。另外，为了对油箱散热进行准确监测，在模型中还设置有热熔块 ，其两端接口分别根据油箱散热主要的两种方式：（1）空气和油箱对流换热;（2）油箱的对外辐射，设置了两种散热方式的子模型。（对流换热 、热辐射 ）。
2.3 参数设定
对2.2节所建立的模型，在AMEsim中的Parameters mode（参数模式）中对所有子模型进行参数的设定，包括液压介质种类，本文模拟的液压介质为46#液压油;油箱：铁质材料、油箱容积根据油箱尺寸长1000 mm、宽1000 mm、高500 mm、油液高400 mm，通过计算可得油箱散热面积为106 mm2;周长为4000 mm;起始温度為25℃。单向阀开启压力为0.1 bar。容积为1 L。油箱子模型质量计算得224.29 kg。对流换热和热辐射的接触面积根据油箱的周长为4000 mm可设定为长1000 mm、宽为 4000 mm。溢流阀的启动压力设定为50 bar。泵的排量为100 cc/rev，电机转速为1500 rev/min。 3 仿真结果分析
仿真结果如图所示。
从图3所示的仿真结果可知，在该液压系统中当46#液压油运行37.33 min后，系统油箱温度达到了59.98℃，同时在138 min以前油箱温度升高趋势明显，上升速率较快，而138 min以后温升相对平稳，最终油箱的稳定在208.4℃。
从图4可看出，当时间到达37.33 min（2240s）时油箱温度达到59.98℃时，此时所需要的系统散热功率为1.154 kw，而当油箱到达极限温度208.4℃时，此时所需要的散热功率为12.473 kw。
从图3和图4可以得出，系统模型的发热和散热模式是此消彼长的，对应数值完全重合，计算结果十分准确。AMEsim对液压系统的设计计算具有十分强大的计算仿真优势。
4 结论
本文通过对油箱散热的理论模型进行分析，基于AMEsim软件对液压系统内热量易集中的油箱元件进行了建模和仿真，通过实验验证了AMEsim软件对液压油箱的温度场变化具有准确的数值计算分析能力，为液压系统的设计提供准确的数据参考。
参考文献
[1] 陈海泉， 谷学华， 孙玉清. 液压介质的仿真[J]. 大连海事大学学报， 2002（02）： 91-93.
[2] 龙藤， 刘晓南. 仿真实验： 良好散热型液压油箱及工况监控研究[J]. 中国科技信息， 2012（07）： 144-145.
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[5] 苏杰， 傅连东， 湛从昌， 涂威. 一种新型液压油箱的优化设计[J]. 液压与气动， 2013（04）： 86-88.
[6] 李敏， 周黎， 高强， 卢卫建. 某特种车液压系统热分析[J]. 导弹与航天运载技术， 2017（03）： 87-91.
[7] 刘昕晖， 陈晋市. AMESim仿真技术在液压系统设计分析中的应用[J]. 液压与气动， 2015（11）： 1-6.
[8] Wilfrid Marquis-Favre，Eric Bideaux，Serge Scavarda. A planar mechanical library in the AMESim simulation software. Part II： Library composition and illustrative example[J]. Simulation Modelling Practice and Theory， . 2005. 02. 007.
[9] Ming Hao， Wei Jiang. AMEsim Based Simulation on Hydraulic Experiment Rig for Assembly of Stator Components[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University （Science）， 2013， 18（05）： 570-576.
[10] 路甬祥. 液壓气动手册[M]. 机械工业出版社， 2002. 1.