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    液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

    2024-01-02 23:23:14賈斐馬洪波葉俊杰
    高教學(xué)刊 2023年33期
    關(guān)鍵詞:液壓與氣動(dòng)技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性

    賈斐 馬洪波 葉俊杰

    摘 ?要:針對(duì)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)過程中,理論知識(shí)內(nèi)容多,理解掌握難度大,學(xué)生缺乏直觀和感性認(rèn)識(shí)的問題,對(duì)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程與實(shí)踐相結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建進(jìn)行探討和研究。通過結(jié)合科研項(xiàng)目成果,建立液壓系統(tǒng)仿真模型,引導(dǎo)學(xué)生了解并掌握液壓系統(tǒng)新發(fā)展和技術(shù),增強(qiáng)學(xué)生對(duì)液壓系統(tǒng)各組成元件的感性認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探究的好奇心,從而實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐教學(xué)的有效結(jié)合,提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力。

    關(guān)鍵詞:液壓與氣動(dòng)技術(shù);仿真實(shí)驗(yàn);實(shí)踐教學(xué);實(shí)踐能力;創(chuàng)新性

    中圖分類號(hào):G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A ? ? ? ? ?文章編號(hào):2096-000X(2023)33-0114-04

    Abstract: In the course of Hydraulic and Pneumatic Technology, there are many issues, including mountains of theoretical knowledge which are difficult to understand and students are lack of intuitive and perceptual understanding of the course. This study focuses on establishing and discussing virtual simulation experiments in the course. By combining research projects, a hydraulic virtual simulation experimental platform is constructed and hydraulic system models are developed. Thus, students are guided to master the new technology of hydraulic system and enhance perceptual understanding of components in hydraulic system. Meanwhile, students' scientific inquiry and innovative thinking abilities are developed. Therefore, the effective combination of theoretical and practical teaching can improve professional practical ability of students and application of theoretical knowledge.

    Keywords: Hydraulic and Pneumatic Technology; virtual simulation; practical teaching; practical ability; innovativeness

    在高等教育的工科學(xué)生培養(yǎng)中,學(xué)生不僅僅要牢固掌握基礎(chǔ)理論知識(shí),還需具備一定的結(jié)合理論知識(shí)分析和解決工程實(shí)踐問題的能力,這使得實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中至關(guān)重要。通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),學(xué)生們不僅可將課堂理論知識(shí)融會(huì)貫通,還可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作,提升他們的實(shí)際動(dòng)手、協(xié)作及學(xué)術(shù)探索能力。

    一 ?研究背景

    液壓與氣動(dòng)技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛,從工程機(jī)械到機(jī)器人領(lǐng)域都可以找到其身影。液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,通過該課程的學(xué)習(xí),學(xué)生需掌握液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本工作原理,并能夠?qū)Φ湫鸵簤合到y(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。該課程不僅涉及到流體力學(xué)知識(shí),如伯努利方程和連續(xù)性方程等基礎(chǔ)公式,而且還包括液壓元件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)壓力油流動(dòng)狀態(tài)、液壓回路連接和油液污染控制等內(nèi)容[1],與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。因此,液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié),可幫助培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和綜合素質(zhì)的提升。然而,目前在液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中依然存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際工程關(guān)聯(lián)性低,學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情不高;實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限,學(xué)生分批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),個(gè)人參與度相對(duì)較低;實(shí)驗(yàn)過程無法對(duì)液壓元件和系統(tǒng)內(nèi)的油液狀態(tài)和故障等問題進(jìn)行展示和觀測(cè);設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行成本高,且涉及高壓力和高電壓環(huán)境,無法滿足學(xué)生開展探索性實(shí)驗(yàn)的要求;此外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容未與校內(nèi)較好和成熟的科研成果聯(lián)系起來,限制了工程實(shí)踐知識(shí)和前端技術(shù)融入課程。

    近幾年,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要發(fā)展方向[2]。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn),復(fù)雜抽象的物理工作過程及原理以可視形象的內(nèi)容得以展現(xiàn),學(xué)生可不受時(shí)間和場地的限制,隨時(shí)靈活選擇內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,并可進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證,直觀深刻的理解理論知識(shí)。

    因此,可以結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),突破液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制,提高課程教學(xué)效果。通過仿真實(shí)驗(yàn)不僅可有效展示液壓系統(tǒng)基本回路和工作性能,加深學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解,而且還可進(jìn)行液壓系統(tǒng)故障分析,豐富拓展理論教學(xué),調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和實(shí)踐創(chuàng)新的綜合能力,使學(xué)生可完成對(duì)液壓系統(tǒng)實(shí)際復(fù)雜問題的仿真計(jì)算和分析。

    目前針對(duì)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面,已有許多相關(guān)的探索。惠相君[3]在液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的課堂教學(xué)中引入了液體靜壓力、帕斯卡原理和連續(xù)性原理虛擬仿真模型,通過可視化的仿真數(shù)據(jù),提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生更加直觀深刻地掌握理論知識(shí),提升課堂教學(xué)質(zhì)量。張啟暉等[4]在機(jī)械電子工程專業(yè)的液壓與氣動(dòng)課程實(shí)踐教學(xué)中運(yùn)用AMESim軟件和Python語言,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)減壓閥結(jié)構(gòu)并對(duì)其特性進(jìn)行仿真分析,使學(xué)生在理解液壓元件原理的同時(shí)掌握編程能力,提升學(xué)生的整體專業(yè)技能。李夢(mèng)如等[5]通過JetBrains和Unity 3D軟件建設(shè)液壓虛擬仿真平臺(tái),結(jié)合液壓元件拆裝和液壓基本回路虛擬仿真試驗(yàn),讓學(xué)生理解液壓系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造和回路工作原理。鄧江洪等[6]建立了四大虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K,讓學(xué)生體會(huì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元件選型和性能分析等過程,大大提高了液壓課程教學(xué)質(zhì)量和效果。楊秀萍等[7]采用Automation Studio開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),編寫仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)文件,不但可以直觀定量地描述液壓系統(tǒng)工作原理,還可以讓學(xué)生根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)獨(dú)立搭建液壓系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和設(shè)計(jì)能力。

    本文針對(duì)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前存在的問題,結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和已有科研項(xiàng)目成果展開虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā),充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢(shì)和科研技術(shù)的前沿性和創(chuàng)新性,使得學(xué)生更好掌握液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí),并獲得新理論和新技術(shù),利用工程實(shí)際問題加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用,提高學(xué)生綜合專業(yè)實(shí)踐能力。

    二 ?液壓與氣動(dòng)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)

    (一) ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法與流程

    AMESim是一款復(fù)雜系統(tǒng)的仿真分析軟件,廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛和工程機(jī)械等領(lǐng)域中,可對(duì)流體、傳熱、機(jī)械和控制等問題進(jìn)行求解,還可對(duì)液壓系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)和機(jī)電系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化分析[8]。軟件有豐富的元件庫和案例資源,可以幫助學(xué)生機(jī)動(dòng)靈活地進(jìn)行自學(xué),使其快速掌握軟件的實(shí)操技能。具體建模中,可根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理從元件庫中選擇相應(yīng)元件,進(jìn)行草圖模型的構(gòu)建,并確定各元件位置,進(jìn)行油路連接。之后利用子模型對(duì)各液壓元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行工況和條件完成系統(tǒng)、元件或回路的仿真計(jì)算。具體仿真流程如圖1所示。在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前,學(xué)生可通過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求有所認(rèn)知,通過獨(dú)立建立液壓系統(tǒng)模型,完成仿真實(shí)驗(yàn),并與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證,利于抽象理論知識(shí)的理解和分析、設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

    圖1 ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程圖

    (二) ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

    1 ?實(shí)驗(yàn)建設(shè)框架

    根據(jù)液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)大綱及內(nèi)容,結(jié)合已有科研成果及平臺(tái),將液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為了基礎(chǔ)課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)大類。在基礎(chǔ)課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中,包含了課內(nèi)教學(xué)大綱要求的液壓元件、液壓回路和基礎(chǔ)液壓系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn);在特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中,開發(fā)了基于已有科研成果且與理論教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)開展情況的反饋,可不斷完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,從而形成發(fā)揮學(xué)科和科研優(yōu)勢(shì)下的液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系,具體實(shí)驗(yàn)如圖2所示。

    圖2 ?液壓與氣動(dòng)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

    2 ?基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

    1)液壓元件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。液壓元件虛擬仿真實(shí)驗(yàn),主要包括液壓系統(tǒng)動(dòng)力元件液壓泵、執(zhí)行元件液壓缸和控制元件方向控制閥等。首先,通過理論教學(xué)讓學(xué)生了解并掌握各液壓元件的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。隨后,在理解元件工作原理基礎(chǔ)上,通過AMESim軟件建立元件仿真模型,設(shè)置元件參數(shù),進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。如液壓缸的參數(shù)設(shè)置,其中涉及活塞和活塞桿直徑,用以確定油液作用的有效截面面積。在對(duì)液壓泵進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),還需先確定液壓泵的類型,設(shè)置液壓泵的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù),仿真得到泵輸出油液流量的變化。在液壓系統(tǒng)控制閥,如方向控制閥的仿真實(shí)驗(yàn)中,須確定各開口連通形式,從而仿真得到閥芯位移的響應(yīng)。在仿真完成后,根據(jù)得到的仿真數(shù)據(jù),采用Origin或Matlab繪制結(jié)果曲線,分析元件工作性能,并通過調(diào)整元件參數(shù),獲得不同條件下元件性能規(guī)律,分析并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。此外,學(xué)生也可根據(jù)基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展,搭建自主設(shè)計(jì)的元件裝置,檢查參數(shù)設(shè)置,完成仿真模擬并實(shí)現(xiàn)所需功能,以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)及實(shí)踐的能力。

    2)液壓回路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在液壓系統(tǒng)中,可通過構(gòu)建基本回路以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的工作壓力、油液流量和流向的功能。液壓回路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包含了若干典型回路,如換向回路和節(jié)流調(diào)速回路等。學(xué)生首先根據(jù)回路需實(shí)現(xiàn)的功能需求,確定液壓回路類型,結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容掌握回路的基本工作原理和特性;其次,根據(jù)回路組成在軟件中選擇元件并設(shè)置參數(shù),確定元件連接方式和控制模式,建立液壓回路仿真模型,設(shè)置實(shí)驗(yàn)工況,采集負(fù)載速度、油液流量、閥芯位移或油液壓力等數(shù)據(jù),分析相應(yīng)的回路工作性能。通過液壓回路仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可遞進(jìn)式地逐步加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握,從元件選擇、連接到回路功能完成,深刻領(lǐng)悟不同回路的應(yīng)用場合和條件,為能夠獨(dú)立分析設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

    3)典型液壓系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。典型液壓系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要有千斤頂、機(jī)床工作臺(tái)和壓力機(jī)等。學(xué)生結(jié)合已掌握的液壓元件和液壓回路仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,根據(jù)系統(tǒng)工作要求,分析系統(tǒng)工作過程和特點(diǎn),確定執(zhí)行、動(dòng)力和控制元件類型,選擇液壓基本回路,完成系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)和動(dòng)作循環(huán)表,計(jì)算液壓元件的結(jié)構(gòu)尺寸及回路主要參數(shù),以保證在各回路配合下系統(tǒng)可安全有效地實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)。進(jìn)而,基于分析和設(shè)計(jì)結(jié)果完成組成回路建模,分別設(shè)置模型參數(shù)并進(jìn)行回路連接,使得液壓系統(tǒng)在給定條件下執(zhí)行完成需求動(dòng)作,獲得執(zhí)行元件工作性能曲線。為了繼續(xù)拓展、提高液壓基礎(chǔ)理論知識(shí)的深度,學(xué)生可采用設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)仿真模型實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)下系統(tǒng)性能分析,更直觀地理解各元件和回路的工作及控制對(duì)液壓系統(tǒng)的影響,培養(yǎng)學(xué)生們主動(dòng)探究的能力。

    3 ?特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

    液壓系統(tǒng)具有體積小、重量輕、慣性小和輸出力或轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于現(xiàn)役工程機(jī)械中。然而,工程機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣、強(qiáng)度大、時(shí)間長,易導(dǎo)致液壓系統(tǒng)混入各種雜質(zhì),引起工作介質(zhì)被污染,如水分、空氣和粉塵等進(jìn)入液壓系統(tǒng),造成液壓元件發(fā)生機(jī)械磨損和腐蝕,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作性能和服役可靠性受到嚴(yán)重影響,甚至液壓系統(tǒng)發(fā)生故障。因此,針對(duì)污染磨損條件下液壓系統(tǒng)內(nèi)元件的污染損傷特性展開研究具有重要的理論價(jià)值和工程意義。本部分結(jié)合科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖3)和AMESim軟件,開發(fā)設(shè)計(jì)了液壓泵污染磨損仿真實(shí)驗(yàn)。首先,學(xué)生們根據(jù)理論教學(xué)中關(guān)于液壓油污染和控制的內(nèi)容,可以了解到當(dāng)含有污染顆粒物的油液進(jìn)入液壓系統(tǒng)后會(huì)造成元件發(fā)生磨損、振動(dòng)和泄漏等問題,導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作甚至失效;其次,結(jié)合科研項(xiàng)目資料和成果幫助學(xué)生了解國內(nèi)外關(guān)于油液污染磨損的研究現(xiàn)狀,理解液壓系統(tǒng)的污染機(jī)理及數(shù)學(xué)模型;之后,通過軟件中的液壓模型庫,確定元件中污染顆粒和污染度間關(guān)系,建立液壓系統(tǒng)污染模型,設(shè)置元件參數(shù)及油液初始污染度,分析污染度隨時(shí)間的變化規(guī)律。進(jìn)而,學(xué)生也可以在油液污染度仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)其影響因素進(jìn)行研究,并結(jié)合元件污染磨損壽命模型對(duì)元件污染磨損壽命和可靠性進(jìn)行分析和計(jì)算,獲得元件在污染條件下的工作特性,與已有項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。通過該基于科研項(xiàng)目的特色虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生可依托科研成果,結(jié)合虛擬仿真技術(shù)具體分析液壓系統(tǒng)工作中的油液問題,提高其對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用能力,培養(yǎng)其綜合的專業(yè)實(shí)踐能力。

    圖3 ?液壓泵污染磨損實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

    (三) ?效果與評(píng)價(jià)

    與傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,結(jié)合科研成果的液壓虛擬仿真教學(xué),通過建設(shè)可拓展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),提高了課程內(nèi)容的深度和廣度,增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性,培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐及主動(dòng)學(xué)習(xí)和解決問題的能力。尤其是通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展,學(xué)生對(duì)液壓知識(shí)中各種液壓元件的工作原理,及其在液壓系統(tǒng)中的使用位置和相互之間的配合關(guān)系有了深度的了解;對(duì)工業(yè)系統(tǒng)中液壓泵工作環(huán)境變化對(duì)其性能的影響有了一個(gè)清晰認(rèn)知;針對(duì)液壓系統(tǒng)中油液質(zhì)量對(duì)其容積效率及其性能的影響規(guī)律有了更為直觀感性的理解,并通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)液壓系統(tǒng)中主要參數(shù)和控制方式等理解得更加深刻。此外,仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的處理和分析方法培養(yǎng)了學(xué)生基本的科學(xué)研究技能,為之后進(jìn)行探索和嘗試研究建立了基礎(chǔ)。

    三 ?結(jié)束語

    虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用于課程內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握,是對(duì)課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充。在液壓與氣動(dòng)技術(shù)課程的教學(xué)過程中,建設(shè)基礎(chǔ)和有學(xué)科特色結(jié)合科研項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,使學(xué)生掌握基本液壓元件、回路和系統(tǒng)的工作原理和特性的同時(shí),通過液壓系統(tǒng)污染磨損仿真實(shí)驗(yàn),豐富和補(bǔ)充學(xué)生們關(guān)于液壓污染磨損理論、壽命預(yù)估和可靠性等方面的相關(guān)知識(shí),熟悉液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析過程,拓展學(xué)生視野和學(xué)習(xí)思路,增加學(xué)生主動(dòng)探究和創(chuàng)新的熱情,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力。

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