一流學科建設(shè)背景下液壓實驗裝置設(shè)計及應用

摘? ? 要：一流學科建設(shè)的目標之一是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，針對此目標，作者結(jié)合液壓實驗室的科研情況及液壓實驗教學大綱的要求，將一些原來研究成熟的科研項目轉(zhuǎn)化為實驗教學資源，并動手研制了綜合液壓實驗教學裝置，同時改革原來的實驗教學方法，希望有助于一流學科的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：一流學科;實驗裝置;研制;應用;創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2021）06-0045-02

機械工程學科憑借在學科、學術(shù)隊伍、人才培養(yǎng)等方面的優(yōu)勢成為山東省建設(shè)的32個一流學科中的唯一的一個機械工程學科[1]。其主要建設(shè)目標之一就是培養(yǎng)一批高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，具有開拓性、創(chuàng)造性、開創(chuàng)新局面的能力，提出新理論、新觀點和新想法。以一流學科建設(shè)成果和高水平科研成果帶動專業(yè)建設(shè)與發(fā)展，構(gòu)建研教結(jié)合、產(chǎn)學互動的人才培養(yǎng)模式，突出強化學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、工程能力以及解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)[2]。基于上述建設(shè)目的，課題組人員調(diào)研了生產(chǎn)液壓實驗裝置的廠家及各高校相關(guān)設(shè)備的使用情況，結(jié)合調(diào)研的情況，把已經(jīng)做過的成熟的科研成果，結(jié)合實驗教學大綱的要求，設(shè)計成一個能滿足實驗教學、提高學生創(chuàng)新能力的實驗裝置。以《液壓傳動與控制》實驗教學大綱的要求為依據(jù)，在設(shè)計時也參照了國家B/T17491-2011標準《液壓泵、馬達和整體傳動裝置穩(wěn)態(tài)性能試驗及表達方法》等。

一、 液壓實驗裝置的設(shè)計

（一）液壓實驗項目的設(shè)計

裝置的設(shè)計以一流學科建設(shè)為目的，以創(chuàng)新能力、自我學習能力的培養(yǎng)為宗旨，結(jié)合進行的工程教育認證工作，優(yōu)化對學生能力提高不大的實驗項目，增加具有挑戰(zhàn)性的綜合性、研究性、設(shè)計性項目，使學生具有解決復雜工程問題的能力，掌握一定的基礎(chǔ)知識和實驗操作技能，并能夠運用多門課程知識來進行實驗方案設(shè)計及數(shù)據(jù)分析等。液壓傳動與控制這門課主要講元件與系統(tǒng)這兩部分內(nèi)容，實驗裝置設(shè)計也主要體現(xiàn)這兩部分內(nèi)容，因此實驗裝置設(shè)計了三個實驗項目：（1）柱塞液壓泵馬達的性能測試實驗;（2）變量泵-變量馬達組成的容積調(diào)速回路性能實驗;（3）為了拓寬學生的知識面設(shè)計了液壓綜合傳動裝置的效率實驗，這樣的設(shè)計使教學與科研相結(jié)合，激發(fā)了學生對實驗的興趣，提高了學生綜合能力。

（二）液壓系統(tǒng)的設(shè)計

1.液壓系統(tǒng)的設(shè)計。液壓系統(tǒng)的設(shè)計考慮了三個因素：（1）必須滿足實驗項目的要求，同時要堅持“標準化、通用化、系列化”的原則。根據(jù)實驗項目要求，液壓系統(tǒng)采用教科書上典型的液壓泵—馬達構(gòu)成的閉式調(diào)速系統(tǒng)，并進行改善。實驗裝置用于教學，所以采用節(jié)流加載方式，這種加載方式簡單，但是也會產(chǎn)生節(jié)流損失，所以要在實驗裝置中添加冷卻裝置。（2）液壓系統(tǒng)裝了流量傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器以及溫度傳感器等先進的液壓測試技術(shù)，可以使學生了解各種傳感器在液壓測試技術(shù)中是如何應用的。（3）設(shè)計要考慮到安全性和操作性，在系統(tǒng)設(shè)計時要采用遠程調(diào)壓閥。

2.液壓系統(tǒng)的組成。液壓系統(tǒng)主要由如下部分組

成：（1）液壓動力系統(tǒng)：液壓泵把電動機的電能轉(zhuǎn)化成液壓能，并為整個液壓系統(tǒng)提供動力，主要由電動機、變量柱塞泵等組成;（2）液壓執(zhí)行系統(tǒng)：液壓馬達把液壓能轉(zhuǎn)化成機械能，主要由變量柱塞馬達等組成;（3）加載系統(tǒng)：對馬達進行加載，主要由加載齒輪泵、節(jié)流閥以及溢流閥等組成;（4）控制系統(tǒng)：用來控制實驗裝置的液壓系統(tǒng)的參數(shù)，主要由溢流閥等組成;（5）補油與熱交換系統(tǒng)：由于實驗系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)，所以必須對系統(tǒng)進行補油、熱交換，主要由電動機、補油泵、液動換向閥、背壓閥及溢流閥等組成。

3.實驗裝置參數(shù)的擬定。實驗教學目的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、學會一些液壓元件及回路性能的測試方法，因此選擇了小排量的柱塞泵和柱塞馬達，其額定壓力為25MPa，所以系統(tǒng)壓力值擬定15～20MPa、柱塞泵的排量10mL/r，這樣系統(tǒng)的最大流量約為14L/min，能夠滿足實驗教學的要求。

（三）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)是為滿足對實驗裝置的控制要求，而控制系統(tǒng)的設(shè)計則是靈活多樣的，一般電氣控制系統(tǒng)應滿足實驗裝置的控制要求，要求線路簡單、工作可靠性高、安全性好、故障率少、操作和維護方便以及投資少等。在這個電氣控制系統(tǒng)中主要控制油泵電動機、補油泵的電動機及兩個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)零電動機的正反轉(zhuǎn)。另外，在設(shè)計控制電路時要考慮液壓實驗系統(tǒng)是閉式的，補油泵電機啟動前，不允許主泵電機進行啟動，所以這個環(huán)節(jié)要進行閉鎖設(shè)計。這個控制系統(tǒng)既可使用常規(guī)繼電—接觸器的電氣控制，也可采用PLC進行控制，經(jīng)過比較還是采用前者的控制方式。通過實驗要使學生了解實驗控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及器件的作用。整個電氣控制元件可以裝在控制柜里，控制柜平面板上安裝控制按鈕，控制器件都安裝在控制柜里，立板上可以裝各種數(shù)顯儀表，這樣控制柜結(jié)構(gòu)不僅簡單、美觀，還便于操作。

（四）數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)的設(shè)計

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器在各個領(lǐng)域應用不斷擴大，尤其是CPU的分散化，而產(chǎn)生智能化的傳感器，在液壓測試系統(tǒng)中也不例外，對液壓元件、組件和液壓系統(tǒng)的性能提出的要求也越來越高，同時通過實驗要使學生了解到液壓測試對技術(shù)人員的要求也很高，不但要懂得機械、液壓，而且還要懂得電器控制、信號處理、測試原理以及實驗方法等。所以在實驗裝置設(shè)計時采用了壓力傳感器、流量傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器以及溫度傳感器等對液壓系統(tǒng)的參數(shù)進行測試

（五）實驗裝置的布局設(shè)計

由于實驗裝置操作的對象是學生，所以要求其布置時必須堅持安全第一的原則。所采用布置如下：（1）把遠程調(diào)壓、加載閥塊分別做成兩塊集成塊，且安裝在實驗裝置的前部。（2）油泵—電動機組以及馬達—加載油泵組分別布置到臺面的兩側(cè)，且電動機、液壓馬達靠后面布置。（3）控制閥塊以及補油泵電機組布置到實驗裝置的中間，且電動機靠后面。（4）對于旋轉(zhuǎn)的聯(lián)軸器都做了安全保護罩，這樣安裝便于操作，而且安全，以防出現(xiàn)問題。

二、實驗裝置的應用

（一）實驗教學理念

十幾年來，學生都熱衷于參加各種大賽，并且取得較好成績，通過各種大賽也確實提高了學生的動手能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出一些創(chuàng)新型人才，如小平科技創(chuàng)新團隊等?；谌瞬排囵B(yǎng)理念一直要求學生把在實驗室做的實驗項目當成大賽的題目來做，這樣學生就必須根據(jù)實驗項目的要求及課本上學到的理論知識對實驗方案進行設(shè)計，包括根據(jù)實驗目的要求去擬定可行的實驗方案，那么這個實驗就要求學生根據(jù)學到的液壓傳動與控制的知識、去查閱相關(guān)資料先設(shè)計出液壓系統(tǒng)、明確要測試哪些數(shù)據(jù)及選擇測出實驗數(shù)據(jù)所需要的傳感器、儀表等，然后再去擬定實驗步驟，最后寫出預習報告。這都有助于提高學生的創(chuàng)新能力。

（二）實驗教學組織

1.實驗預習與準備。由于實驗項目的綜合性很強，設(shè)備比較復雜，要求測試的實驗數(shù)據(jù)比較多，所以要求學生實驗前先進行預習。實驗分組4～5人比較合適，這樣既能按照要求完成實驗項目，又能培養(yǎng)學生團隊分工與協(xié)作精神。學生在對照實驗裝置時，要比對一下自己設(shè)計的液壓系統(tǒng)與實驗室的有什么異同，并在開機實驗前搞清楚實驗原理，檢查自己擬定的實驗步驟是否合理。對變量泵—定量馬達容積調(diào)速實驗來說，擬定的實驗步驟要符合要求才能進行實驗，否則要修正自己的實驗步驟才可以進行實驗。

2.實驗過程的組織。根據(jù)變量泵—定量馬達容積調(diào)速這個實驗項目要求，每組人員具體分工如下：1人操作實驗裝置的液壓部分，1人操作實驗裝置的電氣控制部分，由于實驗過程中要讀出壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及功率等實驗數(shù)據(jù)比較多，所以要有1～2人來負責記錄，1人負責總體，監(jiān)督實驗的整個過程不得出現(xiàn)操作錯誤，并按照擬定好的實驗步驟進行操作、測得實驗數(shù)據(jù)，完成實驗。

在實驗開始前特別提示學生注意：（1）要先啟動供油泵，再啟動主油泵。（2）實驗過程中要控制馬達的轉(zhuǎn)速不準超過其額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)。（3）在此實驗結(jié)束后先停止主油泵，等馬達停止后再停止供油泵[3]。

3.實驗成果分析。實驗成果分析是實驗重要組成部分，與實驗原理、實驗方法、實驗步驟及實驗數(shù)據(jù)形成一個完整的實驗體系。因此，提高學生對實驗成果分析能力是提高學生實驗能力的重要環(huán)節(jié)，有助于提高與培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。由于這個實驗裝置在設(shè)計時選用了各種傳感器及儀表，沒有采用計算機對數(shù)據(jù)進行分析與處理，所以要求學生自己動手對測得的實驗數(shù)據(jù)進行計算，得出實驗結(jié)論及繪出實驗曲線。

三、實驗應用效果

實驗裝置投入使用后，每學年都完成了機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程、材料成型、物流工程、車輛工程及采礦工程等專業(yè)的液壓傳動與控制課程及相關(guān)課程的實驗教學任務，服務學生數(shù)量達800人。實驗能力的提高也為學生參加各種大賽奠定了基礎(chǔ)，近三年來學生獲得科技創(chuàng)新類競賽國家級特等獎、一等獎356項、二等獎939項、三等獎1364項，省級獎勵達3 000余項。2017年全國普通高等學校競賽評估結(jié)果（本科）TOP 100中排名42位。2010年來學生累計獲得專利4 800余件。當然這些成果不只是靠一門或者幾門課程的實驗教學改革取得的，而是靠每個教學環(huán)節(jié)對學生能力的培養(yǎng)才可以實現(xiàn) 。隨著一流學科建設(shè)的進行，很多實驗室將結(jié)合各自的科研情況來研制一些綜合型實驗裝置，以滿足一流學科的建設(shè)需求。

參考文獻：

[1]周光禮，武建鑫.什么是世界一流學科[J].中國高教研究，2016（1）.

[2]時連君，魏紹亮.基于產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新的應用基礎(chǔ)型本科實踐教學體系的構(gòu)建與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2015（5）.

[3]時連君，時慧喆，萬殿茂，等.液壓及氣壓傳動實驗教程[M].北京：中國電力出版社，2018：11.