FluidSIM仿真技術(shù)在“液壓與氣壓傳動技術(shù)”實踐教學(xué)中的應(yīng)用

朱敬花 莊燕 汪小涵

摘 ?要：FluidSIM仿真軟件具有繪圖簡便、模擬工作過程直觀的特性。文章針對高職機電類“液壓與氣壓傳動技術(shù)”課程教學(xué)過程中存在的學(xué)生積極性不高、參與度低的問題，提出在課程教學(xué)中引入FluidSIM仿真軟件。以1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)為例，介紹了FluidSIM仿真軟件在教學(xué)中的具體應(yīng)用。FluidSIM逼真的仿真效果，極大地調(diào)動了學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，教師在教學(xué)過程中也更加得心應(yīng)手，在提高教學(xué)效率的同時有效突破了教學(xué)重難點。

關(guān)鍵詞：FluidSIM;1HY40型動力滑臺;液壓系統(tǒng)

中圖分類號：TP39;G420 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0194-05

Abstract： FluidSIM simulation software has the characteristics of simple drawing and intuitive simulation of working process. Aiming at the problems of low enthusiasm and low participation of students in the teaching of “hydraulic and pneumatic transmission technology” electromechanical course in higher vocational colleges， this paper puts forward the introduction of FluidSIM simulation software into the course teaching. Taking the hydraulic system of 1HY40 power slide as an example， this paper introduces the specific application of FluidSIM simulation software in teaching. The vivid simulation effect of FluidSIM has greatly mobilized the enthusiasm of students to participate in classroom teaching， and teachers are more handy in the teaching process. While improving the teaching efficiency， they have effectively broken through the key and difficult points of teaching.?

Keywords： FluidSIM; 1HY40 power slide; hydraulic system

0 ?引 ?言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液壓與氣壓傳動是一種非常重要的傳動方式，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著舉足輕重的作用，同時也是高職機電類課程中理論性比較強的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程的概念多且復(fù)雜，流體力學(xué)分析抽象。由于液壓泵、液壓缸及各種控制閥體結(jié)構(gòu)密閉，且高職類學(xué)生缺乏足夠的空間想象能力，雖然教師利用各種多媒體教學(xué)手段來增強課堂教學(xué)活力，提高教學(xué)效果，但很多同學(xué)對于工作原理的認(rèn)識還是不夠透徹。液壓與氣壓傳動課程中的難點在于對各種控制回路的理解，雖然很多高校已經(jīng)建立了液壓與氣壓實訓(xùn)室，但是大多數(shù)管路不是透明的，學(xué)生也不能根據(jù)自己的需要任意搭建回路，難以檢查回路的正確性，也很難分析各元器件的工作性能。此外，傳統(tǒng)多媒體教學(xué)手段有限，網(wǎng)上能查到的動態(tài)回路很少，對于高職機電類學(xué)生來說，對回路的透徹理解始終是一個痛點。為了實現(xiàn)課程的教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將FluidSIM仿真軟件引入課程的教學(xué)中，直觀逼真的仿真效果，讓原本沉悶的課堂活躍起來，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時也提高了教學(xué)效果。

1 ?FluidSIM仿真軟件簡介

FluidSIM軟件是集繪圖和仿真于一體，專門用于液壓、氣壓控制回路設(shè)計與仿真的綜合性教學(xué)軟件。FluidSIM軟件用戶界面直觀，擁有豐富的元件庫，右鍵單擊圖標(biāo)即可查看元件詳細的說明資料，有利于初學(xué)者的學(xué)習(xí)。FluidSIM軟件繪圖簡單方便，通過鼠標(biāo)將左側(cè)元件庫中的相應(yīng)圖標(biāo)拖拉至新建窗口，即可繪制出液壓系統(tǒng)原理圖和相應(yīng)的電氣控制回路圖，便于初學(xué)者快速掌握繪圖技巧。單擊FluidSIM軟件的仿真按鈕，即可對系統(tǒng)動作原理和工作過程進行模擬仿真，通過設(shè)定不同的元器件參數(shù)對系統(tǒng)工作性能進行直觀分析，并可以根據(jù)實際需要對系統(tǒng)進行調(diào)整設(shè)計。

2 ?1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓動力滑臺是利用液壓缸將泵站所提供油液的壓力能轉(zhuǎn)變成機床滑臺運動所需的機械能。由于液壓動力滑臺的機械結(jié)構(gòu)比較簡單，配上電器系統(tǒng)后可以非常方便地實現(xiàn)所需速度要求的進給運動，因此它的應(yīng)用非常廣泛。

若要滿足實際工況下液壓系統(tǒng)對執(zhí)行元件的速度要求，1HY40型動力滑臺的液壓系統(tǒng)必須具有良好的速度換接和無極調(diào)速特性。根據(jù)滑臺實際工作需求，可以實現(xiàn)的工作循環(huán)是“快進—I次工進—II次工進—止擋鐵停留—快退—原位停止”半自動循環(huán)?？紤]到滑臺的動作為直線往復(fù)運動，選擇單桿式單作用液壓缸作為液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件。根據(jù)滑臺工作特性（需要實現(xiàn)不同的進給速度），將系統(tǒng)設(shè)計為采用限壓式變量泵（葉片式結(jié)構(gòu)）為整個系統(tǒng)供給液壓油，借助行程閥實現(xiàn)快進速度和兩次工進速度的切換，采用電液換向閥實現(xiàn)滑臺方向的轉(zhuǎn)換。表1為1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)名稱。

2.1 ?用FluidSIM軟件繪制液壓系統(tǒng)原理圖

打開FluidSIM—H軟件，新建空白文檔后將左側(cè)元件庫中所需的元件拖至右側(cè)繪圖區(qū)，對管線進行連接，對元件貼標(biāo)簽，最后單擊菜單欄中的啟動按鈕，檢查線路的連接情況。最終繪制出的1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2.2 ?1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)電氣控制回路設(shè)計

在FluidSIM—H軟件中，不僅可以設(shè)計液壓系統(tǒng)回路原理圖，還可以對液壓系統(tǒng)回路中的電氣控制回路進行設(shè)計。將FluidSIM—H軟件元件庫中所需的電氣元件拖曳到新建文件中原理圖的左側(cè)就形成了配套的電氣控制系統(tǒng)，利用標(biāo)簽將電氣元件和液動元件進行關(guān)聯(lián)（將液壓系統(tǒng)圖中YA1和YA2電磁換向閥與電氣控制回路圖中的YA1和YA2電磁線圈進行關(guān)聯(lián)），啟動菜單欄工具條中的仿真操作按鍵可以直觀地顯示液壓系統(tǒng)的整個控制過程。將液壓系統(tǒng)原理回路圖與電氣控制回路圖置于同一個界面，直觀地體現(xiàn)了電氣控制回路對液壓回路進行控制的過程，使抽象的控制過程變得形象具體，不但便于學(xué)生的理解掌握，同時也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)積極性。如圖2所示為1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)電氣控制回路圖。

2.3 ?1HY40型動力滑臺液壓系統(tǒng)的仿真

在FluidSIM—H軟件中，完成系統(tǒng)液壓結(jié)構(gòu)回路和相應(yīng)電氣控制回路的繪制之后，單擊菜單欄中的啟動按鈕將FluidSIM—H軟件切換到仿真模式。將鼠標(biāo)放置在電氣控制回路的常開按鈕SB1上，待鼠標(biāo)指針變?yōu)槭种感螤詈?，點擊工具條中的仿真按鈕即可進入仿真模式。在系統(tǒng)中可以設(shè)置管線顏色，我們利用系統(tǒng)默認(rèn)顏色，其中深紅色管路代表高壓油路，淺灰色管路代表低壓油路，紅色線路表示系統(tǒng)中電氣控制回路接通時的狀態(tài)?？赏ㄟ^設(shè)置顯示元器件的壓力和流量狀態(tài)，在系統(tǒng)仿真過程中可隨時查看控制回路中各管路上液壓元器件的壓力值、流量值及其性能參數(shù)，還可以查看系統(tǒng)中各元器件工作過程與時間關(guān)系的狀態(tài)圖，如圖3所示。

2.3.1 ?快速進給仿真過程

按下電氣控制回路中的SB1啟動按鈕，電磁鐵YA1得電，電磁換向閥4左位接入系統(tǒng)，液壓油經(jīng)行程閥下位流入到液壓缸左腔。由于滑臺空載，系統(tǒng)壓力不足以啟動順控閥4，順控閥處于關(guān)閉狀態(tài)，從液壓缸右腔出來的油液不能像其他工況一樣直接流回到回油箱，而是經(jīng)過液動閥4再次回到液壓缸的左腔，形成差動連接，到達液壓缸左腔的油液流量最大，此時執(zhí)行元件運行速度最快，在系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)下，液壓缸速度為0.09 m/s，其仿真過程如圖4所示。

2.3.2 ?滑臺工進仿真過程

滑臺快速進給運行過程結(jié)束之后，行程閥11被滑臺中的擋塊壓下，閥體上位接通，原有的進油路被切斷，此時液壓油經(jīng)調(diào)速閥8和換向電磁閥12進入液壓缸的左腔，回油油液從液壓缸右腔流出后經(jīng)換向閥6左位和背壓閥直接流回到回油箱。在系統(tǒng)模擬仿真中，I次工進時液壓缸的工進速度為0.08 m/s，其過程如圖5所示。I次工進和Ⅱ次工進的工作過程基本一致，不同的是Ⅱ次工進時液壓油需要經(jīng)調(diào)速閥8和9后才能進入液壓缸的左腔，此時仿真速度為0.04 m/s，其過程如圖6所示。

2.3.3 ?止擋塊停留

II次工進結(jié)束之后，滑臺在運行的過程中碰到止擋塊，滑臺機械停留，液壓缸左腔液壓油壓力升高，致使回路中壓力繼電器KP觸點接觸，開始動作，時間繼電器得到信號，停留時間則根據(jù)加工需要由時間繼電器來設(shè)定。

2.3.4 滑臺快速回退仿真過程

根據(jù)機床運行要求，一旦超過了時間繼電器設(shè)定的時間，控制回路中電磁閥YA1、YA3失電，電磁閥YA2得電，換向閥4的右位接通，此時滑臺負(fù)荷小，回路中液壓系統(tǒng)的壓力小，變量泵根據(jù)自身工作特點自動將流量調(diào)至最大，滑臺快速回退（自動）到起始位置，此時仿真速度為0.27 m/s，仿真過程如圖7所示。

3 ?液壓系統(tǒng)工況分析

根據(jù)變量葉片泵的技術(shù)資料和滑臺工作特點繪制滑臺流量—壓力特性曲線ABC，如圖8所示。根據(jù)滑臺工藝要求，初步確定滑臺快速進給和I次、II次工進（本文分析以I次工進為例）時變量泵的壓力（P快、P工）及流量（qv快、qv工）。根據(jù)已經(jīng)確定的P快、P工和qv快、qv工，在圖9中做出K點和g點，過k點作AB的平行線A′B′，過g點作BC的平行線B′C′，其中A′B′和B′C′在B′處相交，曲線A′B′C′即為變量泵可調(diào)整壓力的參考。

按下啟動按鈕，滑臺快速前進過程中，調(diào)整順序閥的調(diào)節(jié)手柄，用直尺和計時表實測運行速度，與此同時調(diào)整變量泵流量調(diào)整旋鈕，直至測量出符合要求的進給速度方可對其進行鎖死。實測工件時對滑臺工作循環(huán)的各個進給速度進行采樣，如果測量時發(fā)現(xiàn)快速進給速度和快速回退速度偏高，則調(diào)整變量泵流量調(diào)節(jié)旋鈕直至符合要求，再鎖緊;如果測量時發(fā)現(xiàn)快速進給速度和快速回退速度不穩(wěn)定，則調(diào)整變量泵壓力調(diào)節(jié)旋鈕直至符合要求，再鎖緊;如果測量時發(fā)現(xiàn)工進速度偏低并且不穩(wěn)定，也需要調(diào)整變量泵壓力調(diào)節(jié)旋鈕直至符合要求，再鎖緊。

4 ?結(jié) ?論

FluidSIM虛擬仿真軟件簡單易學(xué)，容易上手，而且繪圖簡單、速度快，在常規(guī)教學(xué)中應(yīng)用仿真軟件，可以直觀地展示液壓元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和回路中液體的流動過程，將抽象復(fù)雜、難于理解的回路試驗變得具體形象、生動有趣。學(xué)生可以利用軟件進行自主設(shè)計，自行模擬液壓動力滑臺運行過程，修改回路設(shè)計，有效激發(fā)學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)造性，同時利用軟件提供的各個模塊去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，學(xué)生也更加主動、積極地參與到課程的學(xué)習(xí)中，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

參考文獻：

[1] 韓京海.液壓與氣動應(yīng)用技術(shù)：第2版 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 郭津津，王曉蘭，袁旭.FluidSIM軟件在《液壓傳動》教學(xué)中的應(yīng)用 [J].機床與液壓，2011，39（2）：80-82+39.

[3] 余金偉.FluidSIM軟件在氣動系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008，（6）：22-23.

[4] 畢長飛.FluidSIM3.6仿真軟件在《液壓與氣動技術(shù)》中的應(yīng)用 [J].液壓與氣動，2011（8）：111-114.

[5] 李湘?zhèn)?FluidSIM在液壓與氣壓傳動課程多媒體教學(xué)中的應(yīng)用 [J].裝備制造技術(shù)，2007（3）：108-110.

[6] 毛智勇，劉寶權(quán).液壓與氣壓傳動 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2019.

作者簡介：朱敬花（1986—），女，漢族，山東臨沂人，講師，碩士，研究方向：智能控制技術(shù)。