AMEsim在液壓傳動課程教學(xué)中的同步應(yīng)用設(shè)計

陳建華 史文森 王瑞臣

（海軍潛艇學(xué)院 山東·青島 266199）

0 引言

液壓傳動課程是一門融合了機(jī)械、電子、控制等多個學(xué)科的課程，實用性強(qiáng)、知識面廣。在人才培養(yǎng)方案中，液壓傳動課程是我院武器系統(tǒng)與工程和武器發(fā)射工程兩個專業(yè)的必修專業(yè)背景課程，其主要作用是為后續(xù)首次任職培訓(xùn)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下液壓傳動方面的理論基礎(chǔ)。由于液壓元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，且系統(tǒng)回路的運行過程比較抽象，因此教學(xué)難度較大。如何在有限的課時內(nèi)提高課程教學(xué)的效果，夯實理論基礎(chǔ)，提高實踐能力，是教學(xué)改革中要解決的重要問題。為此，在教學(xué)過程中引入液壓仿真軟件是一個較為有效的方法。這方面此前也有一些嘗試，但并未考慮AMEsim在教學(xué)過程中的同步應(yīng)用相關(guān)方法和具體問題，這正是本文主要關(guān)注的問題。

1 液壓傳動課程教學(xué)中面臨的問題

1.1 原理復(fù)雜，學(xué)員理解存在較大困難

作為一門專業(yè)背景課程，液壓傳動課程中的液壓流體力學(xué)、液壓元件和液壓回路等內(nèi)容理論性比較強(qiáng)，且元件種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也無法直接觀察液壓回路運行情況，學(xué)員要真正理解各種液壓元件和回路的原理存在較大困難。

1.2 實踐偏少，創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)不足

課程總學(xué)時有限，理論知識點多，因此不可能安排太多實踐課時。而要在教學(xué)實驗臺上完成液壓回路的搭接往往耗時較多，且出現(xiàn)問題時排查比較困難，這些特點決定了學(xué)員在短時間內(nèi)只能勉強(qiáng)完成實驗步驟，對液壓回路的運行也只能有一個初步體驗，而沒有太多機(jī)會深入思考，遑論創(chuàng)新。這就導(dǎo)致對學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)嚴(yán)重不足，不符合高等教育的要求。

2 教學(xué)中液壓仿真軟件的選擇

在利用計算機(jī)進(jìn)行液壓元件及系統(tǒng)仿真的相關(guān)研究和應(yīng)用上，已有數(shù)十年的歷史。當(dāng)前，液壓仿真軟件已出現(xiàn)10余種。其中應(yīng)用較多的主要有3種，分別是Simulink、FluidSIM和AMEsim。

2.1 Simulink軟件

Simulink實際上是Matlab的一個模塊，是基于傳遞函數(shù)和系統(tǒng)方框圖來進(jìn)行動態(tài)仿真的。該軟件通過集成大量基本程序模塊，使用戶在進(jìn)行建模時可以直接從基本模塊庫中選擇所需模塊，并合理設(shè)置仿真參數(shù)，從而完成控制系統(tǒng)的建模和仿真分析。Simulink的優(yōu)點是可以直觀地對液壓閥進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，但缺點是建模過程中需要先列出數(shù)學(xué)方程或相應(yīng)的傳遞函數(shù)，因此對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，掌握起來難度較大。當(dāng)然，Simulink畢竟不是一款專門用于液壓傳動仿真的軟件，一般只能進(jìn)行某些液壓元件和部分能夠用傳遞函數(shù)形式表達(dá)的簡單回路的仿真，因此應(yīng)用范圍相對較小。

2.2 FluidSIM軟件

FluidSIM仿真軟件由一款專門用于液壓、氣壓傳動及電液壓、電氣動的教學(xué)培訓(xùn)軟件，通常包含F(xiàn)luidSIM-H和Fluid-SIM-P兩個模塊，分別用于液壓傳動和氣壓傳動。其主要優(yōu)勢是用戶界面直觀，采用圖形操作，移動圖標(biāo)即可設(shè)計回路，較易掌握，特別是能夠較為直觀地展示對液壓、氣壓傳動系統(tǒng)的動作過程。但其缺點是不能進(jìn)行機(jī)、電、液、氣聯(lián)合仿真，數(shù)據(jù)分析和處理能力相對較弱。因此更適合于教學(xué)培訓(xùn)中輔助理解液壓原理使用。

2.3 AMEsim軟件

AMESim軟件是一款工程系統(tǒng)高級建模和仿真的綜合性平臺軟件，但其具有強(qiáng)大的液壓氣壓仿真能力。該軟件首先是基于直觀圖形界面進(jìn)行仿真建模的平臺，軟件內(nèi)部集成了多種物理場的仿真模型，可以對很多復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)特性分析。從液壓與氣壓仿真的角度來看，其優(yōu)勢是既可以進(jìn)行獨立的液壓氣壓元件及回路的性能和故障仿真，也可以進(jìn)行機(jī)、電、液、氣聯(lián)合仿真，同時可以方便地與Matlab等其他軟件聯(lián)合仿真，且數(shù)據(jù)分析和處理功能強(qiáng)大。當(dāng)然，在學(xué)習(xí)掌握上有一定的難度。

綜上，Simulink軟件對數(shù)學(xué)要求較高，仿真不直觀，應(yīng)用范圍小，因此不適合用于課程同步教學(xué)；FluidSIM軟件直觀易用，若單純從幫助學(xué)員理解液壓傳動原理的角度出發(fā)，F(xiàn)luid-SIM比較適用，但是在學(xué)員創(chuàng)新實踐能力和工程思維培養(yǎng)方面有所欠缺；而AMEsim軟件雖然難度略大，但一方面其圖形界面操作特性能幫助學(xué)員理解液壓回路原理，同時其強(qiáng)大的工程仿真能力又對學(xué)員創(chuàng)新實踐能力和工程思維培養(yǎng)大有裨益。因此，本文選用AMEsim軟件應(yīng)用于課程教學(xué)中。

3 AMEsim在課程教學(xué)中的同步應(yīng)用設(shè)計

液壓傳動課程內(nèi)容通常包括液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)、液壓元件和液壓回路等，在教學(xué)過程中使用AMEsim軟件可以對上述內(nèi)容選取具體實例進(jìn)行仿真演示，并安排學(xué)員課下完成類似仿真任務(wù)。

3.1 液壓流體力學(xué)仿真

液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)模塊內(nèi)容包括帕斯卡原理、伯努利方程和動量方程等。其中伯努利方程的典型應(yīng)用是孔口流量計算，動量方程的典型應(yīng)用是滑閥液動力計算。

以帕斯卡原理為例，利用AMEsim搭建仿真模型，如圖1所示。其中元件3的負(fù)載值設(shè)置為元件1的100倍。通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，可以仿真觀察大液壓缸4的活塞移動情況（基本不動），證明大液壓缸4的輸出力能夠支撐外負(fù)載，也即用很小的力就能夠推動很大的負(fù)載，從而驗證了帕斯卡原理。

圖1：帕斯卡原理仿真模型

對于孔口流量計算和滑閥液動力計算，也可以用AMEsim進(jìn)行仿真，可以安排學(xué)員課下進(jìn)行。

3.2 液壓元件特性分析

液壓元件模塊內(nèi)容包括液壓動力元件、液壓執(zhí)行元件和液壓控制元件等。這一部分重點在于使用AMEsim對各種典型元件進(jìn)行特性分析。AMEsim軟件中提供的標(biāo)準(zhǔn)液壓庫和液壓元件設(shè)計庫（HycraulicComponentDesign，HCD）都可以實現(xiàn)液壓元件性能分析，其中利用HCD庫可以由各種基本模塊構(gòu)造出任一元件的子模型，使AMEsim功能得到進(jìn)一步拓展。

圖2：減壓閥仿真模型

減壓閥的流量特性是指輸入壓力一定時，輸出壓力隨輸出流量的變化而變化的特性。當(dāng)流量發(fā)生變化時，輸出壓力的變化越小則性能越好。影響減壓閥流量特性的因素包括減壓閥彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、阻尼孔直徑、初始開度及油溫等，通過對模型中參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，可以分別對上述因素的影響進(jìn)行分析，并繪制出特性曲線。

這種自主構(gòu)造模型并進(jìn)行特性分析的過程不僅能直接幫助學(xué)員理解元件結(jié)構(gòu)和原理，更能鍛煉學(xué)員創(chuàng)新實踐能力，且在參數(shù)設(shè)置等過程中也有助于培養(yǎng)學(xué)員工程思維。

3.3 液壓回路特性分析

液壓回路模塊內(nèi)容包括方向控制回路、流量控制回路和壓力控制回路等。這一部分重點在于使用AMEsim對各種典型回路進(jìn)行原理驗證和特性分析。

以進(jìn)油口節(jié)流調(diào)速回路為例，利用AMEsim搭建仿真模型，如圖3所示。節(jié)流調(diào)速回路的特性主要包括速度負(fù)載特性和調(diào)節(jié)特性。其中，速度負(fù)載特性反映執(zhí)行元件運動速度與負(fù)載之間的關(guān)系，而調(diào)節(jié)特性則反映執(zhí)行元件運動速度與節(jié)流閥通流面積之間的關(guān)系。通過對模型中參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，可以分別對上述特性進(jìn)行仿真，并繪制出特性曲線。

圖3：進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路仿真模型

通常液壓傳動課程會安排液壓回路搭接實驗，要求學(xué)員根據(jù)給定的功能要求，設(shè)計回路并在實驗臺上進(jìn)行搭接，驗證運行情況。然而，教學(xué)用實驗臺通常不具備各類參數(shù)的測量功能，而且實驗課時畢竟有限，不可能讓學(xué)員嘗試所有回路。而引入AMEsim后，可以由學(xué)員在實驗課前學(xué)員完成液壓回路仿真。AMEsim的數(shù)據(jù)處理功能可以讓學(xué)員查看各個參數(shù)的變化情況，并根據(jù)需求繪制出特性曲線。經(jīng)過仿真之后，在實驗課中便能做到成竹在胸，得心應(yīng)手。此外，利用AMEsim可以方便地對各種回路進(jìn)行建模仿真，幫助學(xué)員全面理解各種液壓回路原理。

4 AMEsim軟件教學(xué)同步應(yīng)用應(yīng)注意的問題

將AMEsim軟件引入課程教學(xué)同步應(yīng)用的根本目的是促進(jìn)學(xué)員對于知識的理解和提高創(chuàng)新實踐能力，而不只是掌握軟件本身的操作使用。因此，需要注意以下幾個問題。

4.1 注意控制時間

控制時間包括兩個方面。一是控制課上仿真演示的時間。在課堂教學(xué)中進(jìn)行仿真演示，不能占用太多時間，以每次課（90分鐘）進(jìn)行1個仿真演示，時間不超過5分鐘為宜。這就要求教員事先做好準(zhǔn)備，演示時展示關(guān)鍵步驟和結(jié)果。二是控制課下仿真任務(wù)的時間。學(xué)員精力畢竟有限，教學(xué)過程中要合理布置課后理論作業(yè)和仿真任務(wù)，合理調(diào)節(jié)理論作業(yè)與仿真任務(wù)的比例，使學(xué)員既感到有一定的壓力，同時又不至于過于疲累。

4.2 注意循序漸進(jìn)

循序漸進(jìn)也包括兩個方面。一是在知識點難度上循序漸進(jìn)。這可以從課程總體設(shè)計上把握，同步應(yīng)用AMEsim過程中按照課程總體設(shè)計進(jìn)程實施即可。二是在軟件操作難度上循序漸進(jìn)。AMEsim是一個功能較為復(fù)雜的工程仿真軟件，對于之前幾乎沒有接觸過大型仿真軟件的本科學(xué)員來說，學(xué)習(xí)使用有一定難度。因此，在課程推進(jìn)過程中，應(yīng)注意在軟件操作難度上由簡單到復(fù)雜，由初級功能到進(jìn)階功能，使學(xué)員逐步適應(yīng)。

4.3 注意跟蹤指導(dǎo)

鑒于AMEsim軟件比較復(fù)雜，教學(xué)過程中要注意從軟件安裝開始即做好進(jìn)度跟蹤和使用指導(dǎo)，確保每一個學(xué)員跟上進(jìn)度，不在軟件安裝、功能使用等與課程知識學(xué)習(xí)關(guān)系不大的環(huán)節(jié)耗費太多精力，從而充分發(fā)揮AMEsim軟件的教學(xué)輔助作用，確保將AMEsim引入課程教學(xué)同步應(yīng)用的目的真正達(dá)成。

5 結(jié)束語

針對液壓傳動課程教學(xué)中存在的現(xiàn)實問題，提出將AMEsim軟件同步應(yīng)用到課程教學(xué)中。結(jié)合課程內(nèi)容，對具體應(yīng)用方法進(jìn)行了設(shè)計，并對實施過程中應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了分析，可為液壓傳動課程教學(xué)改革提供參考。