虚拟实验技术在液压与气动教学中的应用

２０１９年１２月

机械工程与自动化

MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATION

No．６

Dec．

()文章编号:１６７２Ｇ６４１３２０１９０６Ｇ００６３Ｇ０３

虚拟实验技术在液压与气动教学中的应用

王东成,张晓俊

()太原理工大学机械与运载工程学院,山西　太原　０３００２４

􀤲

摘要:“液压与气压传动”课程实验教学仪器缺乏、实验内容陈旧且实验教学形式单一,影响了学生对于理论学习和实践学习的融汇贯通.运用虚拟实验技术将CATIA和AMESim虚拟仿真软件引入到液压与气压实验教学,提供实时的、动态的学习方式,可进行多种液压虚拟仿真实验,是拓展实践教学的新模式.虚拟实验技术在“液压与气压传动”课程实验教学中的应用,对于高等工科院校学生创新能力的培养和教师教学能力的提高都具有非常重要的意义.

关键词:虚拟仿真;液压与气压传动;教学模式中图分类号:TP３９１􀆰９　　　文献标识码:A

０　引言

“液压与气压传动”不仅是一门基础课,更是机械工程学科的一门专业课.其知识内容丰富,包含了液压基

]１Ｇ２

.础理论、元件、基本回路及系统设计与分析的内容[

单纯的课堂教学以书本为主,固定的教学模式已经不能满足学生知识的深入学习,课堂教学与实践教学的相互

]３

,渗透已经成为可以提高教学质量的教学模式[在“液

压与气压传动”课程中引入虚拟实验技术,可以生动地展示液压元件的结构和工作原理、虚拟模拟液压元件的

[]４

拆装、设计仿真运行液压回路,并且可在课堂上直接展示,根据教学内容需求将实践教学融入课堂教学.

虚拟教学技术在国外已经得到普遍应用,并且收到了十分理想的教学效果.国外一些大学诸如德国

意大利d美国TRuhr大学、elSannio大学、ennessee

科技大学等均建立了虚拟或远程虚拟实验室.我国高校正在积极发展虚拟实验技术,也取得了越来越多的教学成功案例.本文以将虚拟技术引入液压阀类拆装实验和液压回路实验为例,阐述了在“液压与气压传动”教学中引入虚拟实验技术的重要作用,以及引入虚拟实验技术后对学生及教师能力提高的巨大意义,并以此说明该方法符合创新人才的培养要求.

液压与气压传动”课程虚拟实验改革１　“

由于现有的液压与气压实验室设备不能充分地满足实验教学需求,教学效果也不太理想.考虑利用现有实验室机房设备,将CATIA和AMESim虚拟仿真软件引入液压与气压传动课程,将抽象难懂的理论知识以图形和动画的方式来表达,学生可通过网络随时随地进行虚拟实验,对当前的实验教学形式做出改革

[]５Ｇ６

.与创新

)SD１８２０００１０􀤲山西省高等学校教学改革创新项目(收稿日期:２０１９Ｇ０７Ｇ０９;修订日期:２０１９Ｇ１０Ｇ０８

引入虚拟实验技术作为传统实验教学的拓展与补

充,在传统教学基础上,引入虚拟仿真实验后的教学流程如图１所示.

虚拟实验技术可应用于液压元件的虚拟拆装实验、虚拟演示液压阀类的控制原理实验以及进行液压回路性能仿真测试实验.由于软件具有高度可操作性,学生可以选择不同的液压元件参数,构建新的液压系统.２　虚拟实验技术在教学实验中的应用２．１　虚拟实验技术的应用类别

根据“液压与气压传动”课程的实验教学内容,虚拟实验技术可应用于以下三种类型的实验教学:

()液压元件认知实验:涵盖液压泵、液压马达、１液压缸、液压阀类零件的认知.

()液压元件拆装实验:液压阀类虚拟拆装实验２

及动态静态性能测试分析实验.

()液压与气压传动综合实验:压力控制回路、节３

流速度控制回路、容积调速回路、快速运动回路等性能

[]

测试和仿真实验７.

图１　引入虚拟仿真实验后的教学流程图

),男,吉林延吉人,在读硕士研究生,研究方向为机电液一体化.作者简介:王东成(１９９４Ｇ

􀅰６４􀅰

机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年第６期　

]１４

.根据双泵供油快速运动回路的工作原验中的应用[

理,在软件中搭建了如图６所示的虚拟仿真回路.

２．２　虚拟实验技术应用于液压阀拆装实验

以溢流阀为例来表述虚拟实验技术在元件拆装类实验的应用,溢流阀是液压系统中的重要液压元件,主要用途为调压、稳压和限压.溢流阀的拆卸和组装实验是为了让学生了解溢流阀的组成和结构,掌握溢流

[]

阀的工作原理和安装要求８.传统的溢流阀拆装实验在液压与气压传动实验室进行,由于进行拆装实验的学生众多,溢流阀实物缺少,只能分组进行试验,并且拆装需要的时间较长,而且零件丢失情况严重,教学效果不太理想.应用虚拟实验技术,以CATIA软件为

[]９

依托,模拟溢流阀的拆装实验.以先导溢流阀为例,用C溢流阀模型图如ATIA来进行模拟拆分与装配,

图２所示.模型参考的是北京华德液压分公司制造的

B型先导溢流阀,

实物如图３所示.图学生以２　溢流阀模型图３　溢流阀实物

验,通过平移P、C机为客户端进行溢流阀的虚拟拆装实

旋转和缩放等命令[１０Ｇ１１

]阀各零部件的结构,并且可以进入零件草图从模型数,可以观察溢流

据库中调出各零部件的尺寸及相互的装配关系,还可以在软件运动仿真模块中观看溢流阀拆装分解动画４,如图所示.

图实验中,学生还可以对阀体进行拆装分解参数设

４　溢流阀拆装动画图

计,设置阀体的运动时间和零件透明度等,也可自己设计拆装方案．３　.虚拟实验技术在典型液压回路中的应用

由于传统的液压实验室的设备多数计,学生不能拆卸液压元件和调整回路[１２由]

的教学实验台如图只能通过液压传感器和测量仪器来实现５所示,并且传统教学的测试方法,制目造前商所设

用

,准确度不高.

图应用虚拟实验技术５,　教学实验台

以建了AMESim[３

]仿真软件为依托搭运动回路为例来表述虚拟技术在液压与气压传动综合实

１０多种典型的虚拟液压回路１

.以双泵供油快速,

１－大流量泵图５６－;　顺序阀主阀２－小流量泵;;双泵供油快速运动仿真回路

６－３顺序阀先导阀

－单向阀;４－溢流阀;

图６为“双泵供油快速运动回路”的虚拟仿真.低压大流量泵１和高压小流量泵２并联,在系统快速运动中,低压大流量泵运动时,系统压力升高到卸荷阀的调定压力２输出的压力油同时进入液压缸１输出的压力油经单向阀;３与高压小流量泵在慢速,卸荷阀卸荷,单向阀３自动关闭,由高压小流量泵２单独向系统供油,此时液压系统的压力由溢流阀４调定.

在进行双泵供油快速运动回路虚拟仿真实验时,首先要掌握该回路各液压元件的工作原理.例如卸荷阀这一元件,掌握了卸荷阀的工作特点,便于对整个回路加以分析,提高学生的学习效率.参照北京华德液压分公司的卸荷阀,用液压元件设计库构建卸荷阀模型,如图６中的模块５为顺序阀的主阀,模块６为顺序阀的先导阀,两部分结合来模拟卸荷阀这一液压元件,之后便可以对整个回路的重要参数设置见表表３

,进[１５先导阀部分参数见表行学习,可参照设置Ｇ１６]

.２参,回路

数.其主阀部分参数见表１参数

数值１　主阀重要参数

参数数值锥阀直径(弹簧腔活塞直径(阀座直径(mmmm)mm)

１锥阀杆直径(mm)

１)１１０弹簧腔活塞杆直径(弹簧刚度(０

０流量系数质量块质量(kg

)００

．７N/mmm)

m)黏性阻尼系数[－１限位N(m/)(m􀅰s

)]

２００表．０参数２０１０．１０００５数值　先导阀重要参数

参数

数值球阀直径(球阀阀座直径m(m)

１质量块质量(黏性阻尼系数[kg

)－１活塞直径(mm)５０阀芯弹簧刚度N/(()]

０．０１０２００１活塞杆径(mm)６弹簧初始压缩量Nm/􀅰(ms

m)

流量系数

mm)００

．７限位(m)

mm)

３

０表参数

３０．００５数值　回路重要参数

参数

数值电机转速(小流量泵排量r/(mmiLn/)溢流阀调定压力(r)１５２０００

卸荷阀开启压力(MPa)０质量块黏性阻尼系数

MPa)０．．５４大流量泵排量(mL/r

)８０[N/(m􀅰s

－１２０节流阀开口直径(液压缸活塞直径()质量块质量(kgm)m)０．０１０１m]液压缸活塞杆直径(mmm))

１５０D２等:虚拟实验技术在液压与气动教学中的应用　２０１９年第６期　　　　　　　　王东成,

􀅰６５􀅰

　　可以调节回路中泵的排量和输入负载信号的类型

和大小、改变节流阀的通流面积、调整换向阀油路接通情况等等,实时查看液压缸的速度、流量及其他重要曲线.液压缸的运动速度曲线如图７所示,进入液压缸流量曲线如图８所示.

理论知识更形象化,丰富实践教学的手段.在虚拟实验平台进行试验,极大地提高了实验室资源的利用率.这一过程中,学生结合理论知识,运用计算机工具对液压系统进行分析、设计和性能改善.通过该模式将理论与实践更好地结合,多方位培养学生能力,符合创新人才的培养要求.４　结语

将虚拟实验技术引入到“液压与气压传动”课程,拓展了液压与气压传动教学模式,在原有模式的基础上增加了“虚拟实验”这一环节,使之成为“理论＋虚拟实验＋实验”的教学模式,不仅有助于“液压与气压传动”基础课程的教学与实践,对于其他相关课程亦具有很好的辅助和借鉴作用.

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版社,２０１６．

由图７、图８可知:在０~３s时,换向阀左位接通,

外负载很小,进入液压缸的流量为大流量泵和小流量

/,/泵流量之和,为１液压缸以１．５０Lmin２ms的速度

快速运动;在３s换向阀右位接通,卸荷阀卸~６s时,

/,荷,单向阀自动关闭,大流量泵供油为０L只有min

/,/小流量泵供油为３液压缸以０．０Lmin２４ms的速

度慢速运动.当设定参数改变时,系统会自动计算,生成新的曲线,这样,学生充分理解了速度、流量和各参数之间的关系,提高了学习效率,加深了对回路的认识.在掌握基本回路原理的基础上,学生可以搭建新的液压回路,使创新能力得到培养.３　引入虚拟实验技术的教学创新

趣味化３．１　使实践教学灵活化、

一方面将实验室搬入课堂,另一方面使学生随时随地学习课程.将虚拟仪器和相关软件引入“液压与气压传动”课程教学,创建可视化界面和直观形象的实验环境,方便学生使用和接受.在虚拟实验系统可以增加更多元件与系统的实例,在对基本内容理解的基础上,进一步拓宽学生的知识面.３．２　有效培养创新意识与能力

利用虚拟实验技术,可通过网络进行虚拟仿真实验,在实验室动手操作时,减少失误操作的概率,提高动手能力,在规定的课时范围内完成实验.学生可选择不同参数的液压与气动元件,搭建新的液压与气动系统,培养创新意识,增加更多形式的实践环节.开发出更多元件和系统,拓展课程教学内容的域度,在授课内容上加强对基础理论的掌握深度.

有效利用资源３．３　丰富教学手段,

通过虚拟实验将固态的理论知识变为动态的动作,将C使ATIA和AMESim软件融入课堂教学环节,

图７　液压缸活塞运动速度曲线图８　液压缸流量曲线

AlicationofVirtualExerimentTechnolonpppgyo

HdraulicandPneumaticTeachinyg

,WANGDonＧchenZHANGXiaoＧunggj

:,AbstractThelackofexerimentalteachininstrumentsobsoleteexerimentalcontentandsinleexerimentalteachinorminthepgpgpgf

“”courseofhdraulicandpneumatictransmissionhaveaffectedstudents′masterftheoreticallearninndpracticallearnin．yyogag

VirtualexerimenttechnolosusedtointroduceCATIAandAMESimvirtualsimulationsoftwareintohdraulicandpneumaticpgyiy

,teachinhichprovidesrealＧtimeanddnamiclearninodeandcancarrutavarietfhdraulicvirtualsimulationexeriments．gwygmyoyoyp

It′sanewmodeofexandinracticalteachin．Thealicationofvirtualexerimentaltechnolointheexerimentalteachinfpgpgpppgypgo“”hdraulicandpneumatictransmissioncourseisofgreatsinificancetothecultivationofstudents′innovationabilitndtheygyaimrovementofteachers′teachinbilitinhiherenineerinollees．pgaygggcg

:;;Keordsvirtualsimulationhdraulicandpneumatictransmissionmodelonteachinygyw

(,,)ColleeofMechanicalandVehicleEnineerinTaiuanUniversitfTechnoloTaiuan０３００２４,Chinagggyyogyy