教學用液壓實驗臺模塊化結構應用研究

蔡　蕾

(天津機電職業(yè)技術學院，天津　300350)

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教學用液壓實驗臺模塊化結構應用研究

蔡蕾

(天津機電職業(yè)技術學院，天津300350)

本次研究源于企業(yè)真實案例課題，以教學用液壓實驗臺為設計平臺，用戶為出發(fā)點，通過模塊化理論的指導，對現(xiàn)有教學用液壓實驗臺進行結構上的創(chuàng)新和功能上的改進，從而大大提升教學用液壓實驗臺的適用性，改善用戶的使用感受并改良企業(yè)的生產制造模式，提升實際課程推進效果及學生實際操作考核評價模式。

教學用液壓試驗臺；模塊化理念；功能有效；結構優(yōu)化

我國當前國情和經濟需要，行業(yè)的發(fā)展要求工作人員具備堅實的專業(yè)理論基礎知識、清晰的分析頭腦、敏銳的行業(yè)發(fā)展洞察力之外，還要有適合于職業(yè)發(fā)展推動所必須的技能以及獨立提升技能的空間。在教育培養(yǎng)過程中，教師教授普及學生專業(yè)技能是基礎工作，同時要建立學生獨立分析、自我形成應對能力的技巧。

液壓傳動技術作為一種傳統(tǒng)工業(yè)生產的傳動技術形式于當今的生產行業(yè)、人們的生活環(huán)節(jié)中屢見不鮮。因此于職業(yè)院校機械類專業(yè)教學過程中推進這樣一門課程，進行基礎學科知識技能培養(yǎng)是十分重要的。教學用液壓實驗臺的結構相對操作指示性及基礎訓練引導性強一些，在教學中對于師生“教——學”關系的引入和推進起到了重要的影響和推動作用。

一、教學用液壓實驗臺的作用分析

教學用液壓實驗臺的作用為學生可根據(jù)實驗臺的構成模式，形象真實地觀察且觸摸各元件的實際形式、系統(tǒng)組成以及回路連接方式，通過正確的連接完成基本典型回路傳動效果，理解且掌握液壓傳動技術工作原理，解決傳動中突發(fā)狀況的出現(xiàn)和系統(tǒng)故障的查找、分析、研究和維護。但針對教學用液壓實驗臺的改良及模塊化構建的優(yōu)化仍較缺乏。

(一) 國內外教學用液壓實驗臺的特性分析

針對國內外現(xiàn)今教學用液壓實驗臺的特性研究，可以從功能分析，結構分析和形態(tài)分析三個方面入手。

1.功能分析(見圖1-1)

液壓實驗臺實體化液壓傳動系統(tǒng)的五大組成部分，形象化系統(tǒng)各工作組成部分的連接，邏輯化傳動系統(tǒng)的工作原理，深入強化學生對于課程技能要求的建立和培養(yǎng)，自主了學生獨立分析能力和應對突發(fā)問題的解決能力。現(xiàn)今的多功能教學用液壓實驗臺的構成已經轉變成模塊化形式。各元件的標注符號標識在元件本體，元件的背面可與實驗臺自由連接和拆卸更換，各工作元件的連接透明化，傳動系統(tǒng)的邏輯連接以及管路連接通斷都可進行自由操作。

圖1-1　教學用液壓實驗臺的功能劃分

2.結構分析

圖1-2　教學用液壓實驗臺的結構劃分

圖1-3　教學用液壓實驗臺的形態(tài)元素劃分

教學用液壓實驗臺的接觸面板是教師教學、講授，學生學習、訓練中的直觀界面。操作界面使用掌握的便捷性、直觀性及通用性都是實施過程中需求考慮的關鍵因素。液壓傳動中各個元件的存在形式、變換模式、連接方式、執(zhí)行元件的靜止與運動狀態(tài)；學生的操作使用活動范圍、觀察范圍、數(shù)據(jù)的記錄等以及實驗臺設備于空間的擺放、挪動和安置等，都成為其存在的重要因素而受到重視。教學環(huán)境需要一個相對穩(wěn)定可行的安全支持，產品的使用輸出需要一個嚴肅安靜的課堂秩序，掌握在可控的經濟成本范圍之內，具有一些創(chuàng)新的元素，構成形式易于學生接受，符合師生的審美和情感需求。

3.形態(tài)分析(詳細劃分內容見圖1-3)

材質的觸感于用戶與產品使用交互的親和度有著重要的影響作用。在材質方面，目前市場上大部分的教學用液壓實驗臺幾乎都是鋼材制成，目的是保障使用過程的安全可靠且功能實現(xiàn)的穩(wěn)定性強。其控制按鈕多采用塑料材質，回路連接管路多采用膠制以達到液壓回路正確合理連接。試想我們可以在人機交互的主要位置更換傳統(tǒng)塑料材質，采用與人接觸親切感強的軟性材質，拉近用戶與使用對象之間的距離感?？刂泼姘宀还茏鳛檠塾^的顯示功能或者是人們需要去用手操作的操控功能，需要用不同材質區(qū)分開，達到使用方式的最佳人性化融合。尺度的空間限制和尺寸掌握是為了提升產品對于用戶適用范圍的增加。以往的實驗臺設計忽略了操作者在使用過程中操作區(qū)尺寸的調節(jié)，只是在固定模式下去操控和進行實操。在課程中實驗臺的利用率較高，用戶對象有授課教師和身高差距較大的學生，身材變換范圍較大，所以需要產品在滿足功能使用效果的前提條件下實現(xiàn)操作尺寸的可調節(jié)。

(二)教學用液壓實驗臺的結構相關性分析

教學用液壓實驗臺的結構并不復雜但仍包含了多個部件，各部件之間既有一定的聯(lián)系又具有分割并重新按照功能和需求排列組合的可能，詳細內容見表1-1。利用模塊化設計理論指導教學用液壓實驗臺的適用性重構是可行并且合理的。

表1-1　教學用液壓實驗臺的結構分析

二、教學用液壓實驗臺模塊化構建

根據(jù)分析研究教學用液壓實驗臺特性，其相關功能可以分為基本功能和附加功能兩大類，而由于附加功能本身就是作為獨立的結構安裝于液壓實驗臺的相關部位，對教學用液壓實驗臺進行模塊劃分時，將附加功能考慮在內且運用新的模式將其融入實驗臺主體?？梢詫⒔虒W用液壓實驗臺根據(jù)功能模塊的不同劃分為防護結構、支撐結構、運動結構、操作結構和其他必要結構五大塊。

在這些組成教學用液壓實驗臺系統(tǒng)的各部分中，首先要考慮的是工作過程中以及效果實現(xiàn)的安全、穩(wěn)定、可靠性；其次是人機界面操作的適用性；再者是實驗臺尺寸的可調節(jié)性，能夠使得實驗臺在操作的時候更優(yōu)化使用效果，滿足提升使用者適用范圍的舒適度；最后就是可以增加功能模塊，達到任務效果的多元化、實現(xiàn)實驗臺功能的增加和學生能力培養(yǎng)的自主性、自助性。

(一)教學用液壓實驗臺的模塊內容構建

對各個模塊進行編號和整理，為模塊構建的實際實現(xiàn)方式提供了可靠的依據(jù)和實現(xiàn)方式的模擬輸出，具體內容見表3-7。

表2-1　模塊編號和相關內容

2支撐結構實驗臺框架采用金屬材料支撐,可以穩(wěn)固且保證其在放置狀態(tài)和工作過程中的安全性,為教學過程和實驗操作提供了良好的保障。3運動結構實驗臺是實訓教室中既可固定又可移動的設備器材,利用滾輪的方式可以實現(xiàn)設備的移動,且輪帶與地面的摩擦可以滿足設備在移動過程中的穩(wěn)定性。當移動到需要的位置后可以利用輪帶外側的金屬卡片,搬動卡片位置來固定輪子的卡定,保證實驗臺非移動狀態(tài)的穩(wěn)定性。4操作結構在液壓實驗臺中存在元件控制操作區(qū),包含液壓缸、閥類元件等相關元件的固定。另還有電氣控制部分,需要有相關的電路連接位置點和電路連接線的收納位置。所以在實驗臺的上方設置了電路控制區(qū),操控臺上把缸體固定區(qū)和閥類固定區(qū)分別設置在不同方向來滿足使用功能的操作結構。5其他必要結構實驗臺下面有存放實驗指導書、實驗報告和備用元件的抽屜。實驗臺前方有可放置和收納的腳踏板,在實驗過程中使用,結束后長時間不使用或者挪用設備的時候把腳踏板收回。實驗臺移動設置上方有收納腳踏板的框架,位置適于使用。

(二)教學用液壓實驗臺模塊的接入可能性構建

對各個新構建的模塊進行可實現(xiàn)研究，考慮到模塊為實驗臺的可移動組成部分，實現(xiàn)其連接與更換的接口為進行研究的必要內容之一，具體內容見表2-2。

表2-2　模塊接口設計及相關內容

(三)教學用液壓實驗臺的新增功能模塊構建

對現(xiàn)有的教學用液壓實驗臺進行模塊分組聚類后，可以得出幾個有效的模塊，每個模塊都有接口相同而功能或者造型不同的幾類供用戶選擇，這也大大提高了教學用液壓實驗臺的適用性。

表4-2　教學用液壓實驗臺新增模塊設計

三、教學用液壓實驗臺設計研究價值體現(xiàn)

本次研究主要從用戶的需求和認知情況出發(fā)，選取了模塊化設計理論這一科學創(chuàng)新設計方法，對現(xiàn)有教學用液壓實驗臺的功能和結構進行了新的規(guī)劃。具體的設計研究價值體現(xiàn)為以下方面：

(一)理論意義

課題探討基于傳統(tǒng)液壓實驗臺改進后的現(xiàn)今教學用液壓實驗臺的應有形態(tài)和其具備的合理結構。符合當前社會職業(yè)化技能需求，順應了當前液壓傳動于行業(yè)的廣泛應用于教學方面的技能普及和推進。更重要的是優(yōu)化了職業(yè)需求技能于學生在學期間技能培養(yǎng)的對接，提出了對教學用液壓實驗臺的優(yōu)化構建方案。

(二)實際意義

本研究將以高職院校實際情況為例，結合具體課程實施過程中問題出現(xiàn)的可能性，提出具有針對性的問題和可行有效的教學用液壓實驗臺構建理論。改進已有模塊的不合理性，增加新的功能模塊利于操作障礙的解決，滿足教師和學生的實際使用操作要求；模塊化理論的運用為教學用液壓實驗臺的改良和優(yōu)化提供了指導性的方向，使得其在滿足教學基本使用的同時最大化地培養(yǎng)了學生的操作技能，更有效的順應了職業(yè)技能的長遠需求。

(三)對用戶的關注度

本次研究從教學用液壓實驗臺的適用性出發(fā)，結合不同用戶的生理狀況、使用習慣和操作過程中遇到的困難和障礙，分析得到用戶的潛在需求，以及被現(xiàn)有用戶適應但是不適于人對機器的操控內容點，提出了更優(yōu)化、更加人性化的適用性設計。新方案融入了模塊化理論的適時運用，讓用戶可以有更多的新奇體驗和良好的使用感受。

(四)概念構建具有一定的延伸空間

本次設計研究所提出的概念設計，只涉及當前職業(yè)教育模式對于學生人才培養(yǎng)要求內容中技能培養(yǎng)的基礎內容，并根據(jù)這些基礎需求提供了必要的功能模塊和創(chuàng)新性結構。但是隨著研究的深入，在此概念設計的基礎上，可以保持原有基本結構形式及連接形式不變的前提條件下，設計出今后更加適合行業(yè)發(fā)展大形勢下的職業(yè)教育人才培養(yǎng)方向和專業(yè)技能培養(yǎng)水平。其中模塊化設計理論和方法具有很好的適用性，可以在一定范圍內通過對模塊的不同設計，滿足今后更多的功能拓展需求。

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[2]姚春江，陳小虎，毋文峰，何慶飛.多功能液壓實驗臺設計.液壓與氣動，2009，(03)：15.

[3]喻楠霖.新型液壓教學實驗臺設計及實現(xiàn)方法的研究.湖南大學，2013，(12)：20.

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Research on Application of Modular Structure of Teaching-Use Hydraulic Test-bed

CAI Lei

(TianjinEngineeringVocationalTechnicalCollege,Tianjin,300131)

derived from real case of enterprises,with the hydraulic test-bed teaching as the design platform,this study carries out structural innovation and functional improvements of the existing teaching-use hydraulic test-bed with the modular theory as instruction and the user as the starting point,thereby the applicability of the teaching-use hydraulic test-bed is greatly enhanced,the user’s experience is improved and enterprise’s manufacturing model is enhanced,the evaluation model of the actual course’s effectiveness and students’ practical operation is promoted.

teaching-use hydraulic test-bed; modular concept; function effectiveness; optimizing of structure

2016-04-12

蔡蕾(1984-)，女，浙江省人，講師，研究方向：機械設計、液壓與氣動技術、逆向工程與快速成型。

G484

A

1673-582X(2016)10-0069-06