發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬富康

摘要：科學(xué)規(guī)范的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝對(duì)于延長(zhǎng)其使用壽命，增強(qiáng)安全性、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性均有顯著作用。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝規(guī)程就裝配內(nèi)容、方法、流程、技術(shù)、工具等方面進(jìn)行了詳細(xì)的約束和管理。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中，由于經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、設(shè)備要求等原因，學(xué)生的動(dòng)手參與度較低。本文旨在通過進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)認(rèn)知、特征展示以及裝配工藝的實(shí)訓(xùn)和分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);裝配工藝;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)

引言：發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配對(duì)于其質(zhì)量及使用壽命都有重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就裝配內(nèi)容、方法、流程、技術(shù)、工具等方面，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，不僅節(jié)約經(jīng)費(fèi)，場(chǎng)地、設(shè)備要求都不高，還可以讓很多學(xué)生同時(shí)參與實(shí)訓(xùn)[1]。通過虛擬仿真方法可以較快速進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)認(rèn)知，結(jié)構(gòu)復(fù)雜特征展示;同時(shí)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，進(jìn)行裝配工藝的實(shí)訓(xùn)和分析，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代仿真工具分析與解決實(shí)際工程問題的能力。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案包含：零部件認(rèn)知、裝配準(zhǔn)備、裝配實(shí)驗(yàn)操作三個(gè)方面。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)認(rèn)知。用戶登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，回顧和認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)組件，包括：機(jī)體、曲軸、連桿組、活塞組、氣缸蓋、氣缸套、凸輪軸、氣門、氣門室罩、曲軸上瓦片、曲軸下瓦片、軸承蓋等。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配準(zhǔn)備。用戶掌握裝配前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、清洗準(zhǔn)備、裝配要點(diǎn)以及總成的檢驗(yàn)與裝配。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝實(shí)驗(yàn)。用戶按照發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配工藝流程，依次完成氣缸套裝配、曲軸組裝配、活塞連桿組裝配、油底殼裝配、氣缸墊裝配、氣缸蓋總成裝配以及其他系統(tǒng)及附件裝配。在裝配過程，每一步操作均對(duì)應(yīng)有知識(shí)點(diǎn)提示、考核點(diǎn)完成，均記錄學(xué)生的裝配操作和工藝過程，作為成績(jī)?cè)u(píng)定依據(jù)。

（二）教學(xué)方法。采用多媒體知識(shí)點(diǎn)講解、視頻演示和虛擬實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的教學(xué)方法開展本實(shí)驗(yàn)。具體方法：（1）知識(shí)點(diǎn)講解針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、清洗準(zhǔn)備、裝配要點(diǎn)以及總成的檢驗(yàn)與裝配進(jìn)行學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解虛擬仿真的目的、原理以及方法。（2）視頻演示為提前錄制的實(shí)驗(yàn)視頻，按照教學(xué)視頻和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生逐步進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件結(jié)構(gòu)認(rèn)知、功能原理和裝配工藝。（3）虛擬實(shí)訓(xùn)針對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)開展過程中的關(guān)鍵步驟進(jìn)行仿真訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)裝配工藝規(guī)程的實(shí)訓(xùn)和知識(shí)點(diǎn)的考核。

（三）評(píng)價(jià)體系。（1）過程評(píng)價(jià)：占比50%，評(píng)價(jià)依據(jù)為每一個(gè)操作步驟的完成時(shí)間與質(zhì)量。（2）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：占比50%，評(píng)價(jià)指標(biāo)為報(bào)告書寫的規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性、分析評(píng)價(jià)的合理性。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，參照實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作流程作為樣板，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)操作各環(huán)節(jié)及規(guī)范流程，實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)配套相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)與考核，實(shí)現(xiàn)了賬戶的互聯(lián)網(wǎng)登錄和實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和體驗(yàn)，配套3D仿真、HTML5開發(fā)技術(shù)，運(yùn)用Unity3D、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)提供發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝工程的實(shí)訓(xùn)。通過交互式仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)零部件認(rèn)知、裝配準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)裝配三方面進(jìn)行，將線下實(shí)驗(yàn)過程與線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用JAVA技術(shù)進(jìn)行平臺(tái)開發(fā)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)、考核點(diǎn)有機(jī)融合。

三、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)說明

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）通過虛擬認(rèn)知組件模塊，鞏固和加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)組件的認(rèn)知，為后續(xù)的裝配工藝實(shí)施奠定必要的基礎(chǔ);（2）通過虛擬裝配準(zhǔn)備模塊，熟悉發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、清洗操作、裝配要點(diǎn)以及檢驗(yàn)方法，培養(yǎng)良好的工作習(xí)慣;（3）通過虛擬實(shí)驗(yàn)裝配模塊，掌握組件正確的裝配方法和工藝過程，解決學(xué)生在裝配過程中對(duì)零部件損壞以及安全的問題;（4）利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)操作、工藝過程分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟

（1）氣缸套裝配，選用同尺寸分組的氣缸套進(jìn)行裝配。（2）上主軸瓦（有槽）安裝在機(jī)體的主軸承座孔內(nèi)。（3）下主軸瓦（無槽）安裝在主軸承蓋內(nèi)。（4）將曲軸放置裝在上主軸瓦上，主軸頸與軸瓦接觸，涂機(jī)油并轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸。（5）在曲軸中間的主軸頸兩側(cè)安裝止推片。（6）將主軸承蓋安裝在主軸承座上，固定曲軸。（7）通過活塞銷將活塞與連桿小頭連接。（8）在活塞上裝配第一、二道氣環(huán)、油環(huán)，并裝入活塞銷和活塞銷卡環(huán)。（9）將連桿上瓦片安裝在連桿體的大頭孔。（10）將活塞連桿組通過氣缸孔自頂向下安裝在曲軸的曲柄銷上。（11）將連桿下瓦片按照對(duì)應(yīng)的連桿上瓦片安在對(duì)應(yīng)的連桿大頭蓋。（12）將連桿大頭蓋安裝在對(duì)應(yīng)的連體，實(shí)現(xiàn)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的裝配。（13）油底殼裝配，注意位置正確和周布螺栓的預(yù)緊。（14）氣缸墊裝配，選擇規(guī)格與氣缸體一致的氣缸墊。（15）將氣門罩蓋在氣缸蓋和配氣機(jī)構(gòu)上部。（16）氣缸蓋兩側(cè)分別安裝進(jìn)氣管和排氣管，圓形孔為進(jìn)氣，方形孔為排氣。（17）其他系統(tǒng)及附件裝配。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

用戶登錄進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，除組件認(rèn)知模塊和裝配準(zhǔn)備模塊外，實(shí)驗(yàn)裝配模塊要求用戶需要通過所學(xué)知識(shí)按照順序進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)組件的裝配。同時(shí)，在裝配過程中進(jìn)行重要知識(shí)點(diǎn)的鞏固、相關(guān)裝配工藝規(guī)程問題的考核。以氣缸套裝配為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝配說明，如圖2所示。

結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要圍繞認(rèn)知組件、裝配準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)裝配三模塊進(jìn)行，采用虛實(shí)結(jié)合、自主學(xué)習(xí)和交流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可拓展成機(jī)型可變，參數(shù)自定義的靈活裝配訓(xùn)練;（2）通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行“模塊化—特征化—參數(shù)化”的建模，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配的多樣性、工藝參數(shù)的靈活性，加深對(duì)裝配工藝的理解和應(yīng)用;（3）通過“多層次、模塊化”的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的多樣化服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊杰，孫丹楓，張麗娟，葛晶.汽車檢測(cè)與維修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)[J].時(shí)代汽車，2020（23）：21-25.

[2]梁彩云，李宏新，隋巖峰，欒旭，石峰.航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬采辦的構(gòu)建和發(fā)展設(shè)想[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2020，32（12）：2485-2493.

（中北大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院?030051）