“人機(jī)料法環(huán)”五位一體的工程機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)方案

張澤宇，耿 麒*，許仕偉

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710064）

目前的工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)教材以設(shè)備為主，或采用虛擬仿真教學(xué)方式，較少考慮人機(jī)交互、施工工法、作業(yè)對象以及環(huán)境工況等因素，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳、難以與新工科背景下卓越人才的培養(yǎng)目標(biāo)相匹配。針對以上問題，以工程機(jī)械為對象，按照動力源-傳動系統(tǒng)-牽引與作業(yè)機(jī)構(gòu)的功率流開展完整傳動鏈的性能實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步結(jié)合人員操作、作業(yè)對象、工藝參數(shù)、環(huán)境工況等因素，開展工程機(jī)械地面力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建“人機(jī)料法環(huán)”五位一體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教材體系。

1 工程機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)教材結(jié)構(gòu)

該課程根據(jù)工程機(jī)械性能傳動鏈分布展開，即：動力源性能實(shí)驗(yàn)、關(guān)鍵傳動零部件性能實(shí)驗(yàn)、關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)、執(zhí)行對象性能實(shí)驗(yàn)四個模塊；進(jìn)一步充分考慮到工藝工法、作業(yè)對象以及環(huán)境工況等因素，形成“人機(jī)料法環(huán)”五位一體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教材體系，如圖1 所示。

圖1 “人機(jī)料法環(huán)”五位一體的實(shí)驗(yàn)教材體系

2 工程機(jī)械人機(jī)互動的性能實(shí)驗(yàn)

人機(jī)互動實(shí)驗(yàn)主要包括工程機(jī)械發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)、工程機(jī)械牽引性能實(shí)驗(yàn)、工程機(jī)械典型作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)等。從動力源-傳動系統(tǒng)-牽引與作業(yè)機(jī)構(gòu)開展完整傳動鏈的性能實(shí)驗(yàn)。

2.1 發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)

2.1.1 工程機(jī)械發(fā)動機(jī)性能理論與實(shí)驗(yàn)

工程機(jī)械發(fā)動機(jī)性能理論與實(shí)驗(yàn)中的理論部分，先闡述柴油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本原理等，進(jìn)而講解發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。

發(fā)動機(jī)性能實(shí)驗(yàn)使用的儀器主要有測功機(jī)和傳感器。發(fā)動機(jī)速度特性實(shí)驗(yàn)是在油門開度相同的條件下，測定不同轉(zhuǎn)速下的扭矩、燃油消耗率等；負(fù)荷特性實(shí)驗(yàn)是在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的條件下，測定不同扭矩下的油耗量與油耗率等；萬有特性實(shí)驗(yàn)是在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、燃油供給量等確定的工況參數(shù)下進(jìn)行，采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩輸出、燃油消耗率、排放物濃度等多項(xiàng)指標(biāo)。

發(fā)動機(jī)性能實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生掌握柴油發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量等性能指標(biāo)的測試原理和方法，更加深入地了解柴油發(fā)動機(jī)的工作原理。

2.1.2 工程機(jī)械傳動系統(tǒng)性能理論與實(shí)驗(yàn)

發(fā)動機(jī)的功率主要通過傳動系統(tǒng)傳遞，以典型的發(fā)動機(jī)-變矩器-變速箱傳動鏈為例，開展液力變矩器與變速箱的傳動系統(tǒng)臺架實(shí)驗(yàn)。

液力變矩器臺架實(shí)驗(yàn)主要分為負(fù)載測試與效率測試。負(fù)載測試是記錄和分析液力變矩器在不同負(fù)載下的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和功率。效率測試實(shí)驗(yàn)旨在評估液力變矩器的傳動效率和效能。

變速箱臺架實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行換擋測試與轉(zhuǎn)速和負(fù)載測試，其中，換擋測試實(shí)驗(yàn)用于評估變速箱的換擋質(zhì)量。在轉(zhuǎn)速和負(fù)載測試中用于檢查變速箱在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下的工作可靠性。

2.2 工程機(jī)械牽引性能與滾動阻力實(shí)驗(yàn)

工程機(jī)械牽引性能與滾動阻力實(shí)驗(yàn)主要用于評估車輛的行駛性能表現(xiàn)，行走方式劃分為輪式和履帶式工程車輛，本課程主要講解工程車輛的功率平衡與牽引力平衡理論，其平衡構(gòu)架如圖2 所示。根據(jù)功率平衡方程得出發(fā)動機(jī)輸入傳動系統(tǒng)的功率流，進(jìn)而確定工程車輛傳動系統(tǒng)的阻力與牽引力；計(jì)算車輛的牽引特性時，通常采用有效牽引力計(jì)算；最后根據(jù)有效牽引力研究車輪滑轉(zhuǎn)率、牽引效率與生產(chǎn)率之間的關(guān)系，為工程車輛的牽引性能實(shí)驗(yàn)和滾動阻力實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

圖2 工程車輛功率平衡及牽引力平衡架構(gòu)

工程機(jī)械牽引性能實(shí)驗(yàn)主要使用五輪儀、傳感器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。輪式、履帶式工程車輛在不同負(fù)載和不同車速的工況下，測試發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、實(shí)際行駛速度、理論行駛速度以及牽引力等性能指標(biāo)。根據(jù)工程車輛的牽引力平衡可計(jì)算出被測車輛的滑轉(zhuǎn)率、牽引功率和牽引效率值等，并繪制出牽引特性曲線。

工程機(jī)械滾動阻力實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備與牽引性能實(shí)驗(yàn)大致相同，但滾動阻力實(shí)驗(yàn)中需加入輪胎氣壓表，分別測定充氣橡膠輪胎在不同充氣壓力條件下、不同行駛速度下的滾動阻力，計(jì)算相應(yīng)的滾動阻力系數(shù)。

2.3 工程機(jī)械典型作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)

工程機(jī)械典型作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)，主要包括振動性能實(shí)驗(yàn)、攪拌機(jī)均勻性能實(shí)驗(yàn)、工程機(jī)械噪聲測試、工程機(jī)械環(huán)保排放測試等。

工程機(jī)械振動性能實(shí)驗(yàn)以振動壓路機(jī)為例，開展其振動作業(yè)與減振性能實(shí)驗(yàn)。攪拌機(jī)均勻性能實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)材料是瀝青、水泥等混合料，按照特定配比進(jìn)行預(yù)定時間的攪拌，攪拌完成后進(jìn)行取樣分析，評估攪拌機(jī)的均勻性能。工程機(jī)械噪聲測試主要使用聲級計(jì)、高空桿等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，依據(jù)《土方機(jī)械聲功率級的測定動態(tài)試驗(yàn)條件》中的實(shí)驗(yàn)方法，采集噪聲圓6 個點(diǎn)位的噪聲數(shù)據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果和相關(guān)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，評估工程機(jī)械的噪聲水平是否符合要求。工程機(jī)械環(huán)保排放測試主要使用不透光煙度計(jì)、抽氣泵等實(shí)驗(yàn)儀器，在不同工作狀態(tài)下，進(jìn)行排放物的取樣和測量，評估和監(jiān)測工程機(jī)械在運(yùn)行過程中排放物的數(shù)量和質(zhì)量，以確保其符合相關(guān)的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

工程機(jī)械典型作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)旨在評估和監(jiān)測工程機(jī)械的性能或特性，以確保其符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3 “料法環(huán)”實(shí)驗(yàn)課程反饋體系

“料”指物料，是工程機(jī)械的作業(yè)對象，“法”指工藝工法，“環(huán)”指環(huán)境工況。“料法環(huán)”三者之間不僅存在聯(lián)系，還會在不同的工程機(jī)械中與“人機(jī)”產(chǎn)生影響。

以黃土壓實(shí)作業(yè)為例，首先，物料受到環(huán)境工況的影響，含水率、干濕容重等環(huán)境工況的變化會直接影響黃土的力學(xué)性能。在地面力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，模擬或控制相應(yīng)的環(huán)境工況，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反饋，可以優(yōu)化工藝工法，以適應(yīng)不同的環(huán)境工況。

“人機(jī)”互動實(shí)驗(yàn)是開展“料法環(huán)”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，同時，“料法環(huán)”實(shí)驗(yàn)為“人機(jī)”實(shí)驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)和指導(dǎo)，從而形成了從人到設(shè)備再到作業(yè)對象的閉環(huán)課程反饋體系。

依據(jù)“人機(jī)料法環(huán)”課程反饋體系，在工程機(jī)械人機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展工程機(jī)械地面力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，主要包括土壤干容重/濕容重實(shí)驗(yàn)、土壤剪切性能實(shí)驗(yàn)、土壤擊實(shí)性能實(shí)驗(yàn)、土壤固/液塑限實(shí)驗(yàn)。這四個實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，共同為工程機(jī)械的操作和施工提供了必要的土壤力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

4 結(jié)語

本文提出了“人機(jī)料法環(huán)”五位一體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教材體系，以工程機(jī)械為對象，以“人機(jī)”實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合“料法環(huán)”實(shí)驗(yàn)展開，得到以下結(jié)論：

①在“人機(jī)”實(shí)驗(yàn)方面，按照動力源-傳動系統(tǒng)-牽引與作業(yè)機(jī)構(gòu)的功率流，開展工程機(jī)械發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)、牽引性能實(shí)驗(yàn)、典型作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)，形成了完整傳動鏈的性能實(shí)驗(yàn)。

②與“料法環(huán)”實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過改變作業(yè)對象的基本特性、工藝參數(shù)、環(huán)境工況等，開展工程機(jī)械地面力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，形成了從人到設(shè)備再到作業(yè)對象完整的閉環(huán)教材體系，為新工科背景下的實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)提供了借鑒。