賈斐 馬洪波 葉俊杰

摘 ?要：針對液壓與氣動技術(shù)課程教學(xué)過程中，理論知識內(nèi)容多，理解掌握難度大，學(xué)生缺乏直觀和感性認識的問題，對液壓與氣動技術(shù)課程與實踐相結(jié)合的仿真實驗構(gòu)建進行探討和研究。通過結(jié)合科研項目成果，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)，增強學(xué)生對液壓系統(tǒng)各組成元件的感性認識，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探究的好奇心，從而實現(xiàn)理論和實踐教學(xué)的有效結(jié)合，提升學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實踐能力。

關(guān)鍵詞：液壓與氣動技術(shù)；仿真實驗；實踐教學(xué)；實踐能力；創(chuàng)新性

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：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，還需具備一定的結(jié)合理論知識分析和解決工程實踐問題的能力，這使得實驗環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中至關(guān)重要。通過實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生們不僅可將課堂理論知識融會貫通，還可進行實驗設(shè)備操作，提升他們的實際動手、協(xié)作及學(xué)術(shù)探索能力。

一 ?研究背景

液壓與氣動技術(shù)在實際工程中應(yīng)用廣泛，從工程機械到機器人領(lǐng)域都可以找到其身影。液壓與氣動技術(shù)課程是機械類專業(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系統(tǒng)的基本工作原理，并能夠?qū)Φ湫鸵簤合到y(tǒng)進行分析和設(shè)計。該課程不僅涉及到流體力學(xué)知識，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]，與工程實際聯(lián)系緊密。因此，液壓與氣動技術(shù)課程內(nèi)的實驗教學(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，目前在液壓與氣動技術(shù)課程的實驗教學(xué)中依然存在實驗內(nèi)容與實際工程關(guān)聯(lián)性低，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情不高；實驗設(shè)備有限，學(xué)生分批次進行實驗，個人參與度相對較低；實驗過程無法對液壓元件和系統(tǒng)內(nèi)的油液狀態(tài)和故障等問題進行展示和觀測；設(shè)備維護和運行成本高，且涉及高壓力和高電壓環(huán)境，無法滿足學(xué)生開展探索性實驗的要求；此外，實驗教學(xué)內(nèi)容未與校內(nèi)較好和成熟的科研成果聯(lián)系起來，限制了工程實踐知識和前端技術(shù)融入課程。

近幾年，虛擬仿真實驗成為了課程實驗教學(xué)中的重要發(fā)展方向[2]。借助虛擬仿真實驗，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)生可不受時間和場地的限制，隨時靈活選擇內(nèi)容進行實驗操作，并可進行反復(fù)實驗和驗證，直觀深刻的理解理論知識。

因此，可以結(jié)合虛擬仿真實驗的特點，突破液壓與氣動技術(shù)課程傳統(tǒng)實驗的限制，提高課程教學(xué)效果。通過仿真實驗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)生對課程理論知識的理解，而且還可進行液壓系統(tǒng)故障分析，豐富拓展理論教學(xué)，調(diào)動學(xué)生主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計和實踐創(chuàng)新的綜合能力，使學(xué)生可完成對液壓系統(tǒng)實際復(fù)雜問題的仿真計算和分析。

目前針對液壓與氣動技術(shù)課程的仿真實驗教學(xué)方面，已有許多相關(guān)的探索?；菹嗑齕3]在液壓與氣動技術(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，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。張啟暉等[4]在機械電子工程專業(yè)的液壓與氣動課程實踐教學(xué)中運用AMESim軟件和Python語言，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計減壓閥結(jié)構(gòu)并對其特性進行仿真分析，使學(xué)生在理解液壓元件原理的同時掌握編程能力，提升學(xué)生的整體專業(yè)技能。李夢如等[5]通過JetBrains和Unity 3D軟件建設(shè)液壓虛擬仿真平臺，結(jié)合液壓元件拆裝和液壓基本回路虛擬仿真試驗，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]建立了四大虛擬實驗?zāi)K，讓學(xué)生體會液壓系統(tǒng)設(shè)計、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)虛擬仿真實驗，編寫仿真實驗指導(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)仿真實驗獨立搭建液壓系統(tǒng)并進行實驗驗證，提高學(xué)生動手實踐和設(shè)計能力。

本文針對液壓與氣動技術(shù)課程實驗教學(xué)目前存在的問題，結(jié)合傳統(tǒng)實驗內(nèi)容和已有科研項目成果展開虛擬仿真實驗開發(fā)，充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢和科研技術(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，并獲得新理論和新技術(shù)，利用工程實際問題加深學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，提高學(xué)生綜合專業(yè)實踐能力。

二 ?液壓與氣動技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)

（一） ?虛擬仿真實驗方法與流程

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、車輛和工程機械等領(lǐng)域中，可對流體、傳熱、機械和控制等問題進行求解，還可對液壓系統(tǒng)、動力傳動和機電系統(tǒng)等進行優(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)生機動靈活地進行自學(xué)，使其快速掌握軟件的實操技能。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，進行草圖模型的構(gòu)建，并確定各元件位置，進行油路連接。之后利用子模型對各液壓元件進行參數(shù)設(shè)置，結(jié)合系統(tǒng)運行工況和條件完成系統(tǒng)、元件或回路的仿真計算。具體仿真流程如圖1所示。在進行虛擬仿真實驗前，學(xué)生可通過課內(nèi)實驗和科研項目實驗平臺，對實驗內(nèi)容和要求有所認知，通過獨立建立液壓系統(tǒng)模型，完成仿真實驗，并與實際實驗結(jié)果對比驗證，利于抽象理論知識的理解和分析、設(shè)計能力的培養(yǎng)。

圖1 ?虛擬仿真實驗實施流程圖

（二） ?虛擬仿真實驗內(nèi)容

1 ?實驗建設(shè)框架

根據(jù)液壓與氣動技術(shù)課程教學(xué)大綱及內(nèi)容，結(jié)合已有科研成果及平臺，將液壓虛擬仿真實驗分為了基礎(chǔ)課內(nèi)虛擬仿真實驗和特色虛擬仿真實驗兩個大類。在基礎(chǔ)課內(nèi)虛擬仿真實驗中，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)的仿真實驗；在特色虛擬仿真實驗中，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)的仿真實驗。根據(jù)實驗開展情況的反饋，可不斷完善實驗內(nèi)容，從而形成發(fā)揮學(xué)科和科研優(yōu)勢下的液壓虛擬仿真實驗體系，具體實驗如圖2所示。

圖2 ?液壓與氣動技術(shù)虛擬仿真實驗

2 ?基礎(chǔ)虛擬仿真實驗

1）液壓元件虛擬仿真實驗。液壓元件虛擬仿真實驗，主要包括液壓系統(tǒng)動力元件液壓泵、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)，進行仿真實驗。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。在對液壓泵進行仿真實驗時，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)動電機參數(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驗中，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，分析并完成實驗報告。此外，學(xué)生也可根據(jù)基礎(chǔ)仿真實驗進行拓展，搭建自主設(shè)計的元件裝置，檢查參數(shù)設(shè)置，完成仿真模擬并實現(xiàn)所需功能，以培養(yǎng)學(xué)生獨立分析、設(shè)計及實踐的能力。

2）液壓回路虛擬仿真實驗。在液壓系統(tǒng)中，可通過構(gòu)建基本回路以實現(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驗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)置實驗工況，采集負載速度、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驗，學(xué)生可遞進式地逐步加深對知識的理解和掌握，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，為能夠獨立分析設(shè)計液壓系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

3）典型液壓系統(tǒng)虛擬仿真實驗。典型液壓系統(tǒng)虛擬仿真實驗主要有千斤頂、機床工作臺和壓力機等。學(xué)生結(jié)合已掌握的液壓元件和液壓回路仿真實驗內(nèi)容，根據(jù)系統(tǒng)工作要求，分析系統(tǒng)工作過程和特點，確定執(zhí)行、動力和控制元件類型，選擇液壓基本回路，完成系統(tǒng)原理圖設(shè)計和動作循環(huán)表，計算液壓元件的結(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)可安全有效地實現(xiàn)各種工作狀態(tài)。進而，基于分析和設(shè)計結(jié)果完成組成回路建模，分別設(shè)置模型參數(shù)并進行回路連接，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)理論知識的深度，學(xué)生可采用設(shè)計完成的系統(tǒng)仿真模型實現(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液壓系統(tǒng)的影響，培養(yǎng)學(xué)生們主動探究的能力。

3 ?特色虛擬仿真實驗

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，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)役工程機械中。然而，工程機械作業(yè)環(huán)境惡劣、強度大、時間長，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、空氣和粉塵等進入液壓系統(tǒng)，造成液壓元件發(fā)生機械磨損和腐蝕，導(dǎo)致整個系統(tǒng)工作性能和服役可靠性受到嚴重影響，甚至液壓系統(tǒng)發(fā)生故障。因此，針對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值和工程意義。本部分結(jié)合科研項目實驗平臺（圖3）和AMESim軟件，開發(fā)設(shè)計了液壓泵污染磨損仿真實驗。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入液壓系統(tǒng)后會造成元件發(fā)生磨損、振動和泄漏等問題，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，分析污染度隨時間的變化規(guī)律。進而，學(xué)生也可以在油液污染度仿真實驗中對其影響因素進行研究，并結(jié)合元件污染磨損壽命模型對元件污染磨損壽命和可靠性進行分析和計算，獲得元件在污染條件下的工作特性，與已有項目實驗結(jié)果對比，驗證所設(shè)計的液壓系統(tǒng)仿真實驗。通過該基于科研項目的特色虛擬仿真實驗，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，提高其對基礎(chǔ)知識的應(yīng)用能力，培養(yǎng)其綜合的專業(yè)實踐能力。

圖3 ?液壓泵污染磨損實驗平臺

（三） ?效果與評價

與傳統(tǒng)的線下實驗教學(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驗，提高了課程內(nèi)容的深度和廣度，增強了學(xué)生對理論知識的理解，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)新實踐及主動學(xué)習(xí)和解決問題的能力。尤其是通過虛擬仿真實驗的開展，學(xué)生對液壓知識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；對工業(yè)系統(tǒng)中液壓泵工作環(huán)境變化對其性能的影響有了一個清晰認知；針對液壓系統(tǒng)中油液質(zhì)量對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，并通過虛擬仿真實驗對液壓系統(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)運用于課程內(nèi)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，可加強學(xué)生對理論知識的理解和掌握，是對課程理論和實驗教學(xué)的有效補充。在液壓與氣動技術(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)合科研項目的虛擬仿真實驗教學(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，通過液壓系統(tǒng)污染磨損仿真實驗，豐富和補充學(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，熟悉液壓系統(tǒng)的設(shè)計分析過程，拓展學(xué)生視野和學(xué)習(xí)思路，增加學(xué)生主動探究和創(chuàng)新的熱情，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力。

參考文獻：

[1] 左健民.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[2] 劉習(xí)軍，張素俠，崔福將，等.虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2019（26）：115-117.

[3] 惠相君.仿真軟件在《液壓與氣動技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].液壓氣動與密封，2017，37（6）：43-46.

[4] 張啟暉，李聰，楊麗榮，等.Python與AMESim在液壓與氣動實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2020（47）：213-214.

[5] 李夢如，陳哲，朱美華，等.液壓虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（2）：148-152.

[6] 鄧江洪，陳新元，曾良才.虛擬仿真技術(shù)在“液壓傳動”課程中的應(yīng)用研究[J].教育教學(xué)論壇，2021（3）：157-160.

[7] 楊秀萍，胡文華，徐曉秋.液壓專業(yè)課的虛擬仿真實驗教學(xué)[J].液壓與氣動，2021，45（11）：112-116.

[8] 劉昕暉，陳晉市.AMESim仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計分析中的應(yīng)用[J].液壓與氣動，2015（11）：1-6.