基于FluidSIM軟件的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)探索

盧志芳 於紅梅

（湖北科技職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢 430074）

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的目的及意義

《液壓與氣壓傳動(dòng)》是一門集機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制等多方面知識(shí)于一體的綜合性課程，相關(guān)技術(shù)在機(jī)床、工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、冶金機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、塑料機(jī)械、鍛壓機(jī)械、航空、航天、兵器、石油與煤炭等許多領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛。故該課程是機(jī)械類專業(yè)一門極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，且其實(shí)踐性很強(qiáng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生具有讀懂一般機(jī)械液壓系統(tǒng)原理圖，并且獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)知識(shí)綜合分析和解決工程實(shí)際中機(jī)電液控制系統(tǒng)、液壓與氣動(dòng)等相關(guān)問題的能力，以及設(shè)計(jì)中等復(fù)雜程度以下液壓系統(tǒng)的能力。但基本概念難以理解、元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)工作過程抽象等，一直是這門課程教學(xué)的難題。實(shí)踐教學(xué)則一般停留在演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)上，很難構(gòu)建新的回路，具有一定的局限性和欠缺?；贔luidSIM軟件的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)可以幫助解決這一系列問題。

FluidSIM軟件內(nèi)置各種標(biāo)準(zhǔn)液壓、氣動(dòng)、電氣等元件庫(kù)，具有方便快捷的繪圖、設(shè)計(jì)功能和先進(jìn)的機(jī)電液控制系統(tǒng)仿真功能。在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用FluidSIM軟件對(duì)回路進(jìn)行模擬運(yùn)行和檢驗(yàn)，能使學(xué)生清晰地了解各元件在回路各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的工作過程，加深對(duì)元件和回路原理的理解。利用FluidSIM軟件對(duì)液壓回路及控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使機(jī)械、液壓、電氣有機(jī)結(jié)合，能進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)機(jī)電液控制系統(tǒng)的理解，并使學(xué)生能靈活地運(yùn)用已經(jīng)掌握的知識(shí)分析和解決實(shí)際問題。FluidSIM仿真軟件使用獨(dú)立的液壓及控制元件，很容易連接成不同的液壓控制回路。對(duì)這些元件不同的組合，可以得到不同回路，學(xué)生可以方便快捷地搭建各類電、液控制回路，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生整體構(gòu)思設(shè)計(jì)能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。FluidSIM仿真軟件還可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)作和工作參數(shù)的模擬及測(cè)試，可以真實(shí)地反映、模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，為設(shè)備的維護(hù)、故障分析提供依據(jù)。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)的設(shè)計(jì)思路

所設(shè)計(jì)的仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容呈現(xiàn)出不同的層次梯度：從基礎(chǔ)到提高；從基本元件認(rèn)識(shí)、簡(jiǎn)單回路連接到復(fù)雜控制回路聯(lián)動(dòng)；從液壓回路的單模塊到機(jī)械、電氣、PLC、液壓集成的綜合模塊，從功能演示、原理驗(yàn)證、操作互動(dòng)到探索實(shí)驗(yàn)、自我設(shè)計(jì)。進(jìn)而從讓學(xué)生能掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問題，到按照要求設(shè)計(jì)出符合實(shí)際工況的一般中等復(fù)雜程度的機(jī)電液控制回路。

加強(qiáng)學(xué)生對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成、工作過程和特點(diǎn)的理解和各液壓元件結(jié)構(gòu)、原理、工作性能、連接方式和功用的認(rèn)知，以及對(duì)仿真軟件的安裝與搭建液壓回路的基本操作方法的學(xué)習(xí)，由仿真實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書和仿真實(shí)訓(xùn)報(bào)告書中的實(shí)訓(xùn)報(bào)告要求體現(xiàn)。分析液壓系統(tǒng)原理圖，深度理解液壓控制閥在液壓基本回路中所起的作用，解讀系統(tǒng)工作過程和狀態(tài)；在同一動(dòng)作要求下發(fā)散思維，修改元件的組合或電氣控制程序，設(shè)計(jì)出不同的液壓回路；根據(jù)工況要求，設(shè)置簡(jiǎn)單的PLC控制程序，使用常見的液壓元件、電氣元件等元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)、搭建各類電液控制回路，這些由仿真實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書和仿真實(shí)訓(xùn)報(bào)告書中的思考題、選做思考題體現(xiàn)。選做思考題由教師根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況選定，供有興趣的學(xué)生選做。所設(shè)計(jì)的思考題要有很大的自由度，課堂考核標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有一定的靈活性，學(xué)生根據(jù)自己的理解和想法搭建出合理的控制回路，所得結(jié)果只要理由充分、設(shè)計(jì)合理、考慮全面都應(yīng)取得較好成績(jī)。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容

我們當(dāng)前設(shè)計(jì)的基于FluidSIM軟件的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)包括8個(gè)單元，最后一個(gè)單元為仿真實(shí)訓(xùn)考核。實(shí)訓(xùn)時(shí)間為4周。具體內(nèi)容如表1所示。

仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)施

根據(jù)以上仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)內(nèi)容和思路，對(duì)實(shí)訓(xùn)課的上課方法、情景設(shè)置等都做了一些調(diào)整，并將課堂考核融入到實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，提高學(xué)生的完成能力。以實(shí)訓(xùn)五“差動(dòng)連接回路”項(xiàng)目為例，其實(shí)施過程如下：

（一）教師借助仿真狀態(tài)圖，演示差動(dòng)連接回路使液壓缸快速運(yùn)動(dòng)的工作原理

如圖1（a）和圖1（b）所示，當(dāng)液壓缸活塞沒有觸碰到行程開關(guān)S1時(shí)，電磁閥處中位工作，液壓泵輸出的液壓油同時(shí)與液壓缸的左右兩腔相通，回路呈差動(dòng)連接狀態(tài)；當(dāng)觸碰到行程開關(guān)S1時(shí)，電磁閥處左位工作，液壓缸左腔進(jìn)油，右腔回油，活塞桿繼續(xù)伸出；當(dāng)觸碰到行程開關(guān)S1時(shí)，電磁閥處右位工作，活塞桿縮回。由液壓缸的仿真狀態(tài)圖圖1（c）可以很清楚地看到，液壓缸伸出的過程中，其差動(dòng)連接階段的位移曲線斜率明顯大于非差動(dòng)連接階段，充分說明了在不增加泵流量的前提下增加了供給無桿腔的油液量，使活塞快速向右運(yùn)動(dòng)。

表1 仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容表

（二）在教師引導(dǎo)下，學(xué)生在FluidSIM仿真軟件界面中搭建滿足工況要求的差動(dòng)連接回路

工況要求提出由行程控制液壓缸動(dòng)作：快進(jìn)—工進(jìn)—快退，如圖2（a）所示，速回路實(shí)現(xiàn)工進(jìn)；采用換向閥實(shí)現(xiàn)快退。再進(jìn)一步考慮用行程開關(guān)控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)快進(jìn)和工進(jìn)的換接，以及工進(jìn)和快退的換接。原理圖設(shè)計(jì)如圖2（b）所示。

圖1 液壓缸差動(dòng)連接的快速運(yùn)動(dòng)回路圖

（三）根據(jù)PLC控制電路知識(shí)，完成液壓缸動(dòng)作編程

學(xué)生通過系統(tǒng)原理圖和液壓缸的動(dòng)作，得出電磁鐵的動(dòng)作順序，如圖2（c）所示，再綜合以前所學(xué)PLC知識(shí)進(jìn)行編程。其程序如圖2（d）所示。

（四）根據(jù)PLC程序選擇和連接電氣元件，其電氣控制原理圖如圖2（e）所示，完成由行程開關(guān)控制的液壓缸動(dòng)作。然后進(jìn)行仿真調(diào)試，檢驗(yàn)系統(tǒng)工作是否滿足工況要求，液壓缸的仿真狀態(tài)圖如圖2（f）所示。

從設(shè)計(jì)搭建回路到編程到仿真完成液壓缸動(dòng)作，教師起引導(dǎo)作用，學(xué)生有較大自由度。學(xué)生可以提出自己的想法和方案，采用仿真調(diào)試的手段來驗(yàn)證，并記錄在報(bào)告中。課下將仿真實(shí)訓(xùn)報(bào)告書上交，教師記分作為實(shí)訓(xùn)平時(shí)成績(jī)。

（五）教師引導(dǎo)學(xué)生在課堂上通過搭建回路，對(duì)其仿真、分析、調(diào)試，完成實(shí)訓(xùn)報(bào)告中的發(fā)散型和設(shè)計(jì)型思考題，并根據(jù)學(xué)生的完成情況當(dāng)堂打分，作為課堂考核的平時(shí)成績(jī)

思考題如下：（1）M型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥在該回路中起何作用？采用O型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥是否可行？為什么？（2）該系統(tǒng)中，二位三通電磁換向閥可以用兩位兩通電磁閥代替嗎？如果可以，繪制回路圖。（3）該系統(tǒng)中，若將二位三通電磁換向閥換為二位三通機(jī)動(dòng)換向閥，液壓缸動(dòng)作是否能滿足工況要求？PLC控制程序須如何修改？（4）若采用P行中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接，要求工況動(dòng)作不變，若可行，繪制回路圖，給出PLC控制程序或電氣原理圖。（5）試設(shè)計(jì)一個(gè)回路能滿足該工況要求，請(qǐng)繪制系統(tǒng)原理圖，給出PLC控制程序梯形圖或電氣原理圖。此題由教師根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況選定，由有興趣的學(xué)生選做。

圖2 液壓缸差動(dòng)連接圖

仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施效果

FluidSIM軟件信息量大、內(nèi)容新穎、功能齊全。在仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，教師可以很好地將專業(yè)理論和實(shí)踐相結(jié)合，不僅增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣，而且增加學(xué)生實(shí)踐和動(dòng)手的機(jī)會(huì)。其先進(jìn)的仿真功能，直觀、逼真的仿真效果，能加快學(xué)生對(duì)液壓元件、液壓基本回路、簡(jiǎn)單的機(jī)電液一體化系統(tǒng)的理解速度，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。利用軟件對(duì)液壓與氣動(dòng)回路及控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能使機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)、液壓氣動(dòng)技術(shù)、可編程控制器等知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來。通過為液壓系統(tǒng)設(shè)置控制電路，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)綜合練習(xí)，激發(fā)出創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)整體構(gòu)思能力。由于加大了平時(shí)學(xué)習(xí)成績(jī)的比例，能提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)過程的重視。實(shí)訓(xùn)教學(xué)的開展，也促進(jìn)教師不斷學(xué)習(xí)，在對(duì)軟件的熟悉、運(yùn)用和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中，教師提高了自身的業(yè)務(wù)素質(zhì)。

仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目方案的進(jìn)一步優(yōu)化

在本課程的仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)施過程中，我們也對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案和內(nèi)容進(jìn)行了思考。仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案、內(nèi)容可做出更進(jìn)一步的優(yōu)化：可改進(jìn)基礎(chǔ)知識(shí)呈現(xiàn)的方式方法，使其更具直觀性，增強(qiáng)綜合實(shí)例中各科知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)性。對(duì)學(xué)生在認(rèn)知過程中所提出的想法，教師應(yīng)循序漸進(jìn)地引導(dǎo)，要加以肯定，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。應(yīng)考慮增加強(qiáng)化機(jī)電液綜合模塊的選做實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和工程實(shí)際運(yùn)用較多較簡(jiǎn)單的機(jī)電液控制系統(tǒng)的例子，簡(jiǎn)化后作為選做的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以滿足部分興趣濃厚、有想法、積極性較高的學(xué)生。還可將傳感器技術(shù)、邏輯電路控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等融入其中，模擬工程實(shí)際例子形成綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，深層次地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)綜合知識(shí)的運(yùn)用能力，使學(xué)生開拓眼界，拓寬知識(shí)面，為日后進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)、從事專業(yè)工作做好鋪墊。

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