液壓與氣壓傳動實驗教學(xué)的改革與實踐

孫月華, 徐　鵬, 劉春生, 劉元林

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱　150027)

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液壓與氣壓傳動實驗教學(xué)的改革與實踐

孫月華, 徐鵬, 劉春生, 劉元林

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150027)

根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求,對液壓與氣壓傳動的實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革,在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上增加了具有工程應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗。以肋片管自動焊接機(jī)液壓系統(tǒng)為例,較詳細(xì)地介紹了所增加實驗的實驗過程和仿真方法。通過該實驗教學(xué)內(nèi)容的改革逐步提升了學(xué)生的實際動手、創(chuàng)新、獨立思考和軟件應(yīng)用能力,為卓越計劃順利地實施提供了保障。

液壓與氣壓傳動； 肋片管自動焊接機(jī)； 實驗教學(xué)； 卓越工程師

2010年,教育部提出了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃,目的是培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新能力、能更好地適應(yīng)社會需要的高質(zhì)量工程技術(shù)應(yīng)用人才,為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)[1-2]。本科教育不僅要培養(yǎng)研究型人才,更要以培養(yǎng)國際化、高水平、創(chuàng)新型人才為己任,學(xué)生應(yīng)學(xué)以致用、各盡其才。

黑龍江科技大學(xué)的機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是黑龍江省卓越試點專業(yè),專業(yè)的建設(shè)目標(biāo)是培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展,具有堅實的自然科學(xué)與技術(shù)、人文社會科學(xué)基礎(chǔ),具有機(jī)械設(shè)計制造基礎(chǔ)知識及應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力、組織協(xié)調(diào)能力,能在機(jī)械工程及相關(guān)領(lǐng)域從事機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計制造、科技開發(fā)、運營管理等方面工作的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才。實驗教學(xué)是達(dá)到此培養(yǎng)目標(biāo)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。

1　液壓與氣壓傳動實驗教學(xué)內(nèi)容改革

液壓與氣壓傳動課程是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)課程,該課程理論性強、與工程實際聯(lián)系較密切。目前黑龍江科技大學(xué)共開設(shè)了10學(xué)時的液壓與氣壓傳動基礎(chǔ)性實驗。原實驗方法、實驗內(nèi)容與多數(shù)工科院?；鞠嗨?實驗內(nèi)容不能充分滿足卓越工程師培養(yǎng)的需求,不能很好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此在卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)的要求下,對液壓與氣壓傳動實驗教學(xué)的改革是非常必要的。

為了提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力,更好地滿足卓越工程師教育培養(yǎng)的要求,液壓與氣壓傳動實驗教學(xué)在原有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加了具有工程實際的實驗內(nèi)容,對學(xué)生的實際動手能力、創(chuàng)新思維能力等進(jìn)行全面的訓(xùn)練。學(xué)生能加深對理論知識的理解和應(yīng)用,也能應(yīng)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識解決基本工程問題,較好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力[3-5]。

2　工程應(yīng)用背景下實驗內(nèi)容的設(shè)計

在原有的基礎(chǔ)性實驗的基礎(chǔ)上增加了俱用工程應(yīng)用的綜合性、設(shè)計性實驗。該實驗是在學(xué)生學(xué)完液壓與氣壓傳動的理論課,同時做完基礎(chǔ)性實驗后來完成的。首先學(xué)生分成小組,每組3～4人,結(jié)合工程實際完成液壓系統(tǒng)設(shè)計(該內(nèi)容一般是指導(dǎo)教師給出),在液壓試驗臺上聯(lián)接并進(jìn)行調(diào)試,同時應(yīng)用液壓動態(tài)仿真軟件Automation Studio 對所設(shè)計的工程實際系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過分析來判斷所設(shè)計的系統(tǒng)是否滿足工程實際。如不滿足工程要求則重新設(shè)計和調(diào)整,最終使系統(tǒng)能更好地滿足工程實際的要求[6-8]。

以肋片管自動焊接機(jī)液壓系統(tǒng)為例說明綜合性實驗的實驗過程。

2.1肋片管自動焊接機(jī)的主機(jī)工作過程

肋片管是一種散熱片,是用電阻焊把肋片焊接在無縫管上的新型高效熱能交換器。肋片管自動焊接機(jī)能把肋片自動地焊接在無縫管上,其動作主要由上料和焊接兩部分組成,其中焊接機(jī)的上料動作通過能間歇運動的推/拉液壓缸實現(xiàn)。

該液壓運動完成工作的過程是:送片→片夾緊管夾緊→片堆焊→送片返回→片松開管松開→推片返回→小拖板夾緊→步進(jìn)→大拖板夾緊→小拖板松開→步進(jìn)復(fù)位→大拖板松開。

2.2自動焊接機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

圖1所示為焊接機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖。液壓回路是雙回路系統(tǒng),圖1左側(cè)是步進(jìn)系統(tǒng),右側(cè)是焊接回路系統(tǒng)?；芈酚梢簤罕?供油,溢流閥2和電磁換向閥3保證系統(tǒng)供油壓力和系統(tǒng)卸荷,壓力表4用來監(jiān)測泵的壓力。為防止油液倒灌和雙回路互相干擾,分別增設(shè)了單向閥5和單向閥6。

2.2.1步進(jìn)系統(tǒng)

圖1左側(cè)的步進(jìn)系統(tǒng)由液壓缸21、23實現(xiàn)拖板夾緊功能，液壓缸22實現(xiàn)推拉動作。系統(tǒng)中的換向由換向閥8來實現(xiàn)。液壓缸是按大、小拖板夾緊→小拖板松開→步進(jìn)復(fù)位→大拖板松開的順序來完成的,液壓缸的順序動作由壓力控制方式來實現(xiàn),也就是當(dāng)系統(tǒng)壓力變化時,由3個壓力繼電器控制各電磁換向閥的通斷和單向閥14的開閉來完成步進(jìn)動作。推/拉液壓缸的運動速度由節(jié)流閥17來調(diào)節(jié)。

2.2.2焊接回路

圖1右側(cè)的焊接回路的執(zhí)行器包括實現(xiàn)管夾緊、片夾緊、送片、片堆焊的液壓缸31—34。與步進(jìn)回路一樣,該回路中三位四通電磁換向閥9是主換向閥。4種液壓缸的動作順序為送片→片夾緊→管夾緊→片堆焊→片返回→片松開→管松開→推片返回,缸的動作采用壓力控制方式實現(xiàn),也就是系統(tǒng)壓力變化,單向順序閥24、25、35和單向減壓閥26及壓力繼電器27的啟閉、發(fā)信使缸的油路通斷,順序?qū)崿F(xiàn)上述動作。單向減壓閥用于設(shè)定堆焊缸34的工作壓力并保持其穩(wěn)定,單向節(jié)流閥28和29則用于調(diào)節(jié)兩個堆焊缸的工作速度。

圖1　焊接機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下:

(1) 液壓缸:缸筒內(nèi)徑100 mm,活塞桿直徑50 mm,行程500 mm；

(2) 液壓泵:排量100 mL/r,轉(zhuǎn)速1 200 r/min。

2.3自動焊接機(jī)的配電原理及配電圖

自動焊接機(jī)中液壓元件的動作順序如表1所示,配電圖如圖2所示。

表1　自動焊接機(jī)中液壓元件的動作順序表

當(dāng)焊接工作時,電磁鐵1YA通電，使三位四通電磁換向閥9切換至左位,液壓泵1的壓力油經(jīng)換向閥9進(jìn)入缸32的無桿腔(有桿腔經(jīng)閥9向油箱排油),進(jìn)行送片動作。送片到位后,系統(tǒng)壓力升高,順序閥24打開,壓力油經(jīng)閥24分別進(jìn)入缸31和缸32的無桿腔 (有桿腔經(jīng)閥9向油箱排油),進(jìn)行管夾緊和片夾緊動作。夾緊后,系統(tǒng)壓力升高并打開單向順序閥35,壓力油流經(jīng)閥35。油液經(jīng)單向減壓閥26分兩路經(jīng)節(jié)流閥28和29分別進(jìn)入兩個缸34的無桿腔，有桿腔經(jīng)閥25和閥9向油箱排油,進(jìn)行片堆焊。堆焊速度取決于閥28和閥29的開度。動作完成后壓力繼電器27發(fā)信,使換向閥9切換至右位,各液壓缸回程復(fù)位。

進(jìn)給工作時,電磁鐵3YA帶電、三位四通電磁換向閥8左位工作,泵1的壓力油經(jīng)單向閥5和閥6、換向閥8、單向閥10進(jìn)入小拖板夾緊缸21的有桿腔,小拖板固定在工作臺導(dǎo)軌上。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到繼電器19的設(shè)定值時發(fā)出信號，使電磁換向閥13的電磁鐵7YA帶電,閥13下位工作,缸23在無桿腔的彈簧作用下,松開大拖板,有桿腔的回油經(jīng)閥13和閥8回油箱排油。

當(dāng)壓力繼續(xù)升高達(dá)到閥14設(shè)定值時,14打開,壓力油經(jīng)閥14、15、17進(jìn)入推/拉缸22的有桿腔,推/拉缸工作。當(dāng)推/拉缸停止工作后,繼電器18發(fā)信,換向閥8中的電磁鐵3YA失電,4YA通電,換向閥8右位工作,壓力油經(jīng)閥8進(jìn)入推/拉缸22的無桿腔,另一路經(jīng)閥11進(jìn)入大拖板夾緊液壓缸23的有桿腔,在單向閥15的作用下,推/拉缸22有桿腔回油被截止,因此該缸不動。大拖板夾緊液壓缸23的活塞桿工作將大拖板固定在導(dǎo)軌上,當(dāng)夾緊后,繼電器20發(fā)信使6YA、8YA通電,12上位工作和16右位工作,小拖板夾緊液壓缸21有桿腔經(jīng)閥12和閥8回油,小拖板松開,而推/拉缸22的有桿腔油經(jīng)節(jié)流閥17、換向閥16、單項順序閥14、換向閥8流回油箱,活塞桿復(fù)位。

圖2　自動焊接機(jī)配電圖

2.4推/拉液壓缸的速度特性分析

推/拉液壓缸的速度特性曲線如圖3所示。

圖3　推/拉液壓缸速度曲線

T1的前一時刻推/拉液壓缸靜止,因此速度為零。當(dāng)?shù)竭_(dá)T1時刻時,推/拉液壓缸處于推的狀態(tài),到達(dá)極限位置時停止,速度變?yōu)榱?；T2時刻為大拖板夾緊過程與之無關(guān),因此速度為零。當(dāng)?shù)竭_(dá)T3時刻時,推/拉液壓缸處于拉的過程,當(dāng)達(dá)到左側(cè)極限位置時停止。從圖3可以看出：T1和T2過程推/拉液壓缸的推和拉動作運行速度平穩(wěn),大小相等、方向相反,與實際步進(jìn)過程一致,因此滿足要求。

2.5結(jié)論

(1) 焊接機(jī)的液壓系統(tǒng)采用單泵雙回路形式,各回路設(shè)一個主換向閥,兩個回路間由單向閥隔離,以避免相互干擾。

(2) 焊接機(jī)的進(jìn)給送料通過導(dǎo)軌上的大小拖板和推/拉液壓缸的間歇運動來實現(xiàn)。步進(jìn)回路采用壓力繼電器和電磁換向閥配合實現(xiàn)各液壓缸的既定動作順序。與采用機(jī)械、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)液壓缸3種步進(jìn)方式相比,能滿足長距離的步進(jìn)的要求,成本較低。

(3) 焊接回路采用單向順序閥的壓力控制方式實現(xiàn)多缸的動作順序轉(zhuǎn)換；采用減壓閥和單向節(jié)流閥實現(xiàn)堆焊缸工作壓力的設(shè)定和調(diào)速。

通過幾年來實驗教學(xué)實踐,學(xué)生認(rèn)為工程實際應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計實驗對他們的實際動手能力、分析問題和解決問題能力、創(chuàng)新能力都有較大提高。

3　結(jié)語

液壓與氣壓傳動在工程實際中應(yīng)用非常廣泛。液壓與氣壓傳動實驗通過“工程設(shè)計→實際搭建→Automation Studio系統(tǒng)仿真”的實踐過程,成為學(xué)生應(yīng)用工程實例、自己動手親歷鍛煉、采用軟硬件結(jié)合的高等院校是“卓越工程師”培養(yǎng)的重要基地,要提高工程技術(shù)應(yīng)用人才的培養(yǎng)質(zhì)量,實踐教學(xué)的改革是必不可少的,通過改革能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力。通過不斷地改革,使實驗教學(xué)更加貼近當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展趨勢,有利于培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量技術(shù)人才[9-13]。

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Reform and practice of hydraulic and pneumatic transmission experimental teaching

Sun Yuehua, Xu Peng, Liu Chunsheng, Liu Yuanlin

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & technology,Harbin 150027,China)

The engineering practical teaching is one of the most important contents of the reform of excellent engineer plan. According to the requirements of “Excellent engineer education and training plan,” reforming hydraulic and pneumatic transmission experimental teaching contents on the basis of traditional experiment, this article increases the engineering application system design and simulation experiment. The experiment process and the simulation method are introduced in detail by taking the concrete engineering practice as an example. Through the reform of the contents, the students’ practical skills, innovatiability, and independent thinking and software application ability are improved,which can provide the guarantee for the smooth implementation of the project.

hydraulic and pneumatic transmission; rib tube automatic welding machine; experimental teaching； excellent engineer

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.031

2016-05-23

黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃備案課題(GBC1214062)；2014年黑龍江科技大學(xué)教學(xué)研究項目(JY14-52)

孫月華(1965—),女,黑龍江哈爾濱,本科,教授,主要研究方向為機(jī)械設(shè)計及其理論、液壓與氣壓傳動.E-mail：1580774753@qq.com

TH137.9；TH138.9；G642.4

A

1002-4956(2016)10-0123-04