FluidSIM軟件在“液壓與液力傳動(dòng)”教改中的應(yīng)用

摘要：分析了目前“液壓與液力傳動(dòng)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，提出了教學(xué)改革的一種思路，即通過(guò)引入一種液壓仿真軟件FluidSIM來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：液壓仿真；FluidSIM；教學(xué)改革；液壓與液力傳動(dòng)

作者簡(jiǎn)介：呂剛（1976-），男，陜西西安人，西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，講師；賀利樂(lè)（1963-），男，陜西戶縣人，西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，教授。（陜西西安710055）

基金項(xiàng)目：本文系西安建筑科技大學(xué)2011年重點(diǎn)教改項(xiàng)目“新辦工程機(jī)械專業(yè)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：JG011110）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）16-0048-02

液壓傳動(dòng)與液力傳動(dòng)具有其他類型的傳動(dòng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于建筑機(jī)械、礦山機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、汽車制造業(yè)、軍事工業(yè)等諸多領(lǐng)域。因此，“液壓與液力傳動(dòng)”課程已成為高等院校機(jī)械專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。但是，隨著時(shí)代的發(fā)展，這門課的教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題影響了教學(xué)效果，為此需要進(jìn)行教學(xué)改革方面的研究與探索。

一、目前“液壓與液力傳動(dòng)”教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題

1.學(xué)時(shí)壓縮

傳統(tǒng)的“液壓與液力傳動(dòng)”教學(xué)計(jì)劃總課時(shí)在100學(xué)時(shí)（包括流體力學(xué)部分）以上，其中包括10個(gè)課時(shí)左右的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。隨著國(guó)家本科專業(yè)的調(diào)整以及多媒體教學(xué)方法的大規(guī)模應(yīng)用，西安建筑科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┑摹耙簤号c液力傳動(dòng)”課程的總教學(xué)學(xué)時(shí)由原先的64學(xué)時(shí)調(diào)整為56學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)也減少到6個(gè)學(xué)時(shí)。如何在這么短的學(xué)時(shí)內(nèi)，達(dá)到國(guó)家教育部門要求的本科教學(xué)目標(biāo)，是這門課教改面臨的首要問(wèn)題。

2.新知識(shí)和新內(nèi)容的增加

近年來(lái)，隨著液壓技術(shù)、控制技術(shù)、液力傳動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了插裝閥、比例閥、伺服閥、多功能復(fù)合閥等新型液壓元件和電液比例控制、伺服控制等新型控制系統(tǒng)。在教學(xué)過(guò)程中，是選擇成熟的傳統(tǒng)元件和傳動(dòng)系統(tǒng)，還是選擇新型元件和新型液壓控制系統(tǒng)作為教學(xué)的基本方向，這是教改面臨的重要問(wèn)題。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)施的缺乏

從2000年開(kāi)始，國(guó)家在高校中進(jìn)行擴(kuò)招，高校在校生數(shù)量急劇上升，而各高校的實(shí)驗(yàn)室人員和設(shè)施的增長(zhǎng)卻跟不上學(xué)生數(shù)量的增長(zhǎng)，導(dǎo)致做實(shí)驗(yàn)時(shí)常出現(xiàn)十幾個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)實(shí)驗(yàn)器材的現(xiàn)象。此外，隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和物價(jià)的持續(xù)上漲，新型實(shí)驗(yàn)器材的價(jià)格也不斷上漲，這制約著高校實(shí)驗(yàn)器材的購(gòu)買和更新。

4.理論和實(shí)踐的脫節(jié)

“液壓與液力傳動(dòng)”是機(jī)械專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。在課堂教學(xué)中，學(xué)生只是通過(guò)課本和老師講授來(lái)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，學(xué)習(xí)起來(lái)普遍感到知識(shí)抽象、不易掌握。上完課后不能直接進(jìn)行實(shí)際操作，等到上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，知識(shí)點(diǎn)又遺忘得差不多了。

5.多媒體教學(xué)方法的不足

隨著多媒體教學(xué)方法的推廣，“液壓與液力傳動(dòng)”紛紛改為多媒體授課，這有利于將抽象的知識(shí)直觀化、形象化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮其創(chuàng)造性；有利于增大教學(xué)信息量，有效擴(kuò)展課時(shí)容量，提高教學(xué)質(zhì)量；有利于活躍課堂氛圍，加深鞏固所學(xué)內(nèi)容，有助于師生之間的互動(dòng)。

但是，多媒體教學(xué)并不是萬(wàn)能的?，F(xiàn)在很多高校的“液壓與液力傳動(dòng)”多媒體教學(xué)是采用PPT和Flash動(dòng)畫相結(jié)合的形式。多媒體課件已經(jīng)根據(jù)課本提前做好，無(wú)法在課堂上根據(jù)需要而改動(dòng)，這削弱了學(xué)生的主動(dòng)參與性與創(chuàng)新性。而且課本上講授的部分元件和回路是實(shí)驗(yàn)室所不具備的，這又造成了理論與實(shí)踐的脫節(jié)。

面對(duì)以上問(wèn)題，除了加大資金投入、政策扶持外，還要求廣大教師充分利用現(xiàn)有條件，使用液壓仿真技術(shù)來(lái)達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際，筆者認(rèn)為液壓仿真軟件FluidSIM可以在課堂教學(xué)中解決這些問(wèn)題。

二、FluidSIM軟件介紹

現(xiàn)在應(yīng)用的液壓仿真軟件有多種，如AMEsim、Matlab、Adams、FluidSIM等等。其中，F(xiàn)luidSIM軟件由德國(guó)Festo公司和杜伊斯堡大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，專門用于液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)的教學(xué)與培訓(xùn)。它分為兩個(gè)獨(dú)立的部分：FluidSIM—H用于液壓傳動(dòng)教學(xué)；FluidSIM—P用于氣壓傳動(dòng)教學(xué)。FluidSIM軟件簡(jiǎn)單易學(xué)、入門快，不像其他幾種軟件一樣要分析掌握數(shù)學(xué)模型，因此特別適合于本科生和初學(xué)液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)的人員。

下面結(jié)合換向閥鎖緊回路的設(shè)計(jì)來(lái)介紹FluidSIM軟件。

1.液壓回路的設(shè)計(jì)

如圖1所示，軟件主界面左邊區(qū)域?yàn)樵?kù)，內(nèi)有數(shù)百種標(biāo)準(zhǔn)的液壓、氣壓、電氣元件。右邊區(qū)域?yàn)槔L圖區(qū)。

設(shè)計(jì)回路時(shí)可用鼠標(biāo)直接拖拽元件庫(kù)中所需元件到繪圖區(qū)，鼠標(biāo)雙擊元件圖標(biāo)或使用右鍵菜單可打開(kāi)該元件的屬性，修改元件的各種參數(shù)，然后將各元件連線，即可生成所需液壓原理圖。同時(shí)，該軟件還提供元件列表和各元件實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖。

2.液壓回路的仿真

液壓系統(tǒng)原理圖經(jīng)檢查無(wú)誤后，啟動(dòng)仿真命令進(jìn)行回路仿真。在仿真過(guò)程中，可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊換向閥6兩邊的電磁鐵來(lái)模擬換向閥的切換，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2中，粗線條為高壓油路，細(xì)線條為低壓油路。如圖所示，當(dāng)三位四通電磁換向閥6處于中位時(shí)，回路不通，液壓油缸7的輸出力和速度皆為零，此時(shí)壓力表5顯示壓力為5Mpa，溢流閥4 開(kāi)啟卸荷。

在仿真過(guò)程中，通過(guò)觀察元件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖還可實(shí)時(shí)觀察各元件的物理量值，如液壓油缸的運(yùn)動(dòng)速度、輸出力、換向閥的開(kāi)閉等。這樣能通過(guò)模擬演示預(yù)先了解所設(shè)計(jì)液壓回路的動(dòng)態(tài)變化，從而正確地估計(jì)所設(shè)計(jì)回路實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。另外該軟件在仿真時(shí)還可顯示液壓回路中一些關(guān)鍵元件的狀態(tài)量，如液壓油缸活塞桿的行程位置、換向閥的主閥芯位置、壓力表的壓力、流量計(jì)的流量等。這些參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)液壓回路的電氣控制系統(tǒng)是非常重要的。

3.仿真查錯(cuò)功能

FluidSIM軟件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它的仿真查錯(cuò)功能。在液壓回路設(shè)計(jì)過(guò)程中，各元件連線時(shí)，軟件將自動(dòng)檢查各元件之間的連接是否可行，從而避免了設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)一些低級(jí)失誤。在仿真時(shí)，還可通過(guò)實(shí)時(shí)參數(shù)的顯示和元件狀態(tài)圖及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤，最大限度地優(yōu)化回路。

4.輔助教學(xué)功能

FluidSIM軟件中內(nèi)置有大量液壓元件的說(shuō)明、插圖、圖片、影像資料和液壓傳動(dòng)的輔助教學(xué)資源。點(diǎn)擊軟件主界面的“教學(xué)”下拉菜單，內(nèi)有元件圖片，教學(xué)影片等內(nèi)容，可供課堂輔助教學(xué)和課后學(xué)生自學(xué)所用，如圖3所示。

通過(guò)FluidSIM軟件，可以在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)液壓回路并對(duì)其進(jìn)行仿真，在仿真中顯示和控制回路的動(dòng)作。因此，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤，有助于設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、效率高的最優(yōu)回路。

三、FluidSIM軟件在教學(xué)改革中的應(yīng)用

由上例可知：FluidSIM簡(jiǎn)單易學(xué)，可按要求隨時(shí)更換元件組成新回路并檢查回路的連通是否可行，且元件庫(kù)豐富，具有大量的輔助教學(xué)資料，便于本科生學(xué)習(xí)、理解和掌握“液壓與液力傳動(dòng)”課程。

現(xiàn)結(jié)合筆者課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，敘述FluidsSIM軟件應(yīng)用步驟：按教學(xué)大綱要求，使用多媒體課件講述課本內(nèi)容；課本內(nèi)容講完后，留一定時(shí)間讓學(xué)生看書，使其理解、消化課本知識(shí)；使用FluidSIM軟件演示課本所述元件和回路；當(dāng)堂提問(wèn)，了解學(xué)生掌握程度；要求學(xué)生對(duì)于所學(xué)內(nèi)容舉一反三，使用不同元件達(dá)到相同目的，并上講臺(tái)實(shí)際操作；對(duì)于要上實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，在課堂上先用FluidSIM軟件進(jìn)行演示，并要求學(xué)生思考，進(jìn)行回路設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；結(jié)合本專業(yè)的“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃和“機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”，重點(diǎn)發(fā)掘培養(yǎng)學(xué)有余力、動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)的學(xué)生，指導(dǎo)他們學(xué)習(xí)理論知識(shí)，使用FluidSIM進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

四、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于教師而言，在課堂教學(xué)中使用FluidSIM軟件可以更好地將理論知識(shí)和工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)，在較少的學(xué)時(shí)內(nèi)用多媒體手段演示液壓元件和傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際工作過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)分析評(píng)價(jià)，啟發(fā)學(xué)生的思維。

對(duì)于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)掌握FluidSIM軟件，可以理論聯(lián)系實(shí)踐，增加動(dòng)手機(jī)會(huì)，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，利用該軟件設(shè)計(jì)液壓或氣壓回路并進(jìn)行仿真，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確與否。

總之，將FluidSIM軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，可以改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，最大程度地解決目前“液壓與液力傳動(dòng)”教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，對(duì)于“液壓與液力傳動(dòng)”課程的教學(xué)改革具有重大意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀利樂(lè).液壓與液力傳動(dòng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[2]隋文臣，等.淺談FluidSIM液壓(氣動(dòng))仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2007，(6):73-76.

[3]劉艷.初探《液壓傳動(dòng)》課程的教學(xué)改革[J].科學(xué)大眾(科學(xué)教育)，2007，(11):86-87.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）