FluidSIM軟件在“液壓與液力傳動”教改中的應用

摘要：分析了目前“液壓與液力傳動”課程教學中出現的一些問題，提出了教學改革的一種思路，即通過引入一種液壓仿真軟件FluidSIM來彌補傳統教學方法的不足，提高教學質量。

關鍵詞：液壓仿真；FluidSIM；教學改革；液壓與液力傳動

作者簡介：呂剛（1976-），男，陜西西安人，西安建筑科技大學機電工程學院，講師；賀利樂（1963-），男，陜西戶縣人，西安建筑科技大學機電工程學院，教授。（陜西西安710055）

基金項目：本文系西安建筑科技大學2011年重點教改項目“新辦工程機械專業創新性應用型人才培養模式的研究與實踐”（項目編號：JG011110）的研究成果。

中圖分類號：G642#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）16-0048-02

液壓傳動與液力傳動具有其他類型的傳動所不具備的優點，目前廣泛應用于建筑機械、礦山機械、數控機床、汽車制造業、軍事工業等諸多領域。因此，“液壓與液力傳動”課程已成為高等院校機械專業一門非常重要的專業基礎課。但是，隨著時代的發展，這門課的教學過程中出現的一些問題影響了教學效果，為此需要進行教學改革方面的研究與探索。

一、目前“液壓與液力傳動”教學中出現的問題

1.學時壓縮

傳統的“液壓與液力傳動”教學計劃總課時在100學時（包括流體力學部分）以上，其中包括10個課時左右的實驗學時。隨著國家本科專業的調整以及多媒體教學方法的大規模應用，西安建筑科技大學（以下簡稱“我校”）的“液壓與液力傳動”課程的總教學學時由原先的64學時調整為56學時，實驗學時也減少到6個學時。如何在這么短的學時內，達到國家教育部門要求的本科教學目標，是這門課教改面臨的首要問題。

2.新知識和新內容的增加

近年來，隨著液壓技術、控制技術、液力傳動技術的迅速發展，出現了插裝閥、比例閥、伺服閥、多功能復合閥等新型液壓元件和電液比例控制、伺服控制等新型控制系統。在教學過程中，是選擇成熟的傳統元件和傳動系統，還是選擇新型元件和新型液壓控制系統作為教學的基本方向，這是教改面臨的重要問題。

3.實驗設施的缺乏

從2000年開始，國家在高校中進行擴招，高校在校生數量急劇上升，而各高校的實驗室人員和設施的增長卻跟不上學生數量的增長，導致做實驗時常出現十幾個學生共用一臺實驗器材的現象。此外，隨著新技術的不斷出現和物價的持續上漲，新型實驗器材的價格也不斷上漲，這制約著高校實驗器材的購買和更新。

4.理論和實踐的脫節

“液壓與液力傳動”是機械專業的專業基礎課，是一門實踐性很強的課程。在課堂教學中，學生只是通過課本和老師講授來學習理論知識，學習起來普遍感到知識抽象、不易掌握。上完課后不能直接進行實際操作，等到上實驗課時，知識點又遺忘得差不多了。

5.多媒體教學方法的不足

隨著多媒體教學方法的推廣，“液壓與液力傳動”紛紛改為多媒體授課，這有利于將抽象的知識直觀化、形象化，激發學生學習興趣，調動其學習積極性，發揮其創造性；有利于增大教學信息量，有效擴展課時容量，提高教學質量；有利于活躍課堂氛圍，加深鞏固所學內容，有助于師生之間的互動。

但是，多媒體教學并不是萬能的。現在很多高校的“液壓與液力傳動”多媒體教學是采用PPT和Flash動畫相結合的形式。多媒體課件已經根據課本提前做好，無法在課堂上根據需要而改動，這削弱了學生的主動參與性與創新性。而且課本上講授的部分元件和回路是實驗室所不具備的，這又造成了理論與實踐的脫節。

面對以上問題，除了加大資金投入、政策扶持外，還要求廣大教師充分利用現有條件，使用液壓仿真技術來達到教學目標。

結合教學經驗和工程實際，筆者認為液壓仿真軟件FluidSIM可以在課堂教學中解決這些問題。

二、FluidSIM軟件介紹

現在應用的液壓仿真軟件有多種，如AMEsim、Matlab、Adams、FluidSIM等等。其中，FluidSIM軟件由德國Festo公司和杜伊斯堡大學聯合開發，專門用于液壓傳動和氣壓傳動的教學與培訓。它分為兩個獨立的部分：FluidSIM—H用于液壓傳動教學；FluidSIM—P用于氣壓傳動教學。FluidSIM軟件簡單易學、入門快，不像其他幾種軟件一樣要分析掌握數學模型，因此特別適合于本科生和初學液壓傳動與氣壓傳動的人員。

下面結合換向閥鎖緊回路的設計來介紹FluidSIM軟件。

1.液壓回路的設計

如圖1所示，軟件主界面左邊區域為元件庫，內有數百種標準的液壓、氣壓、電氣元件。右邊區域為繪圖區。

設計回路時可用鼠標直接拖拽元件庫中所需元件到繪圖區，鼠標雙擊元件圖標或使用右鍵菜單可打開該元件的屬性，修改元件的各種參數，然后將各元件連線，即可生成所需液壓原理圖。同時，該軟件還提供元件列表和各元件實時運動狀態圖。

2.液壓回路的仿真

液壓系統原理圖經檢查無誤后，啟動仿真命令進行回路仿真。在仿真過程中，可用鼠標點擊換向閥6兩邊的電磁鐵來模擬換向閥的切換，仿真結果如圖2所示。

圖2中，粗線條為高壓油路，細線條為低壓油路。如圖所示，當三位四通電磁換向閥6處于中位時，回路不通，液壓油缸7的輸出力和速度皆為零，此時壓力表5顯示壓力為5Mpa，溢流閥4 開啟卸荷。

在仿真過程中，通過觀察元件運動狀態圖還可實時觀察各元件的物理量值，如液壓油缸的運動速度、輸出力、換向閥的開閉等。這樣能通過模擬演示預先了解所設計液壓回路的動態變化，從而正確地估計所設計回路實際運行時的狀態。另外該軟件在仿真時還可顯示液壓回路中一些關鍵元件的狀態量，如液壓油缸活塞桿的行程位置、換向閥的主閥芯位置、壓力表的壓力、流量計的流量等。這些參數對設計液壓回路的電氣控制系統是非常重要的。

3.仿真查錯功能

FluidSIM軟件的一個優點就是它的仿真查錯功能。在液壓回路設計過程中，各元件連線時，軟件將自動檢查各元件之間的連接是否可行，從而避免了設計時出現一些低級失誤。在仿真時，還可通過實時參數的顯示和元件狀態圖及時發現設計中存在的錯誤，最大限度地優化回路。

4.輔助教學功能

FluidSIM軟件中內置有大量液壓元件的說明、插圖、圖片、影像資料和液壓傳動的輔助教學資源。點擊軟件主界面的“教學”下拉菜單，內有元件圖片，教學影片等內容，可供課堂輔助教學和課后學生自學所用，如圖3所示。

通過FluidSIM軟件，可以在虛擬環境中設計液壓回路并對其進行仿真，在仿真中顯示和控制回路的動作。因此，可以及時發現理論設計中存在的錯誤，有助于設計出結構簡單、工作可靠、效率高的最優回路。

三、FluidSIM軟件在教學改革中的應用

由上例可知：FluidSIM簡單易學，可按要求隨時更換元件組成新回路并檢查回路的連通是否可行，且元件庫豐富，具有大量的輔助教學資料，便于本科生學習、理解和掌握“液壓與液力傳動”課程。

現結合筆者課堂教學經驗，敘述FluidsSIM軟件應用步驟：按教學大綱要求，使用多媒體課件講述課本內容；課本內容講完后，留一定時間讓學生看書，使其理解、消化課本知識；使用FluidSIM軟件演示課本所述元件和回路；當堂提問，了解學生掌握程度；要求學生對于所學內容舉一反三，使用不同元件達到相同目的，并上講臺實際操作；對于要上實驗課的內容，在課堂上先用FluidSIM軟件進行演示，并要求學生思考，進行回路設計，在實驗課中進行實驗驗證；結合本專業的“卓越工程師”培養計劃和“機械創新設計大賽”，重點發掘培養學有余力、動手能力強、創新意識強的學生，指導他們學習理論知識，使用FluidSIM進行設計，在實驗中進行驗證。

四、結束語

對于教師而言，在課堂教學中使用FluidSIM軟件可以更好地將理論知識和工程實際結合起來，在較少的學時內用多媒體手段演示液壓元件和傳動系統的實際工作過程，現場分析評價，啟發學生的思維。

對于學生而言，學習掌握FluidSIM軟件，可以理論聯系實踐，增加動手機會，提高學習興趣，激發創新意識。學生可以充分發揮自己的想象力和創造力，利用該軟件設計液壓或氣壓回路并進行仿真，然后在實驗室中進行現場安裝、調試，驗證設計正確與否。

總之，將FluidSIM軟件應用于課堂教學和實驗，可以改進教學方法，提高教學質量，最大程度地解決目前“液壓與液力傳動”教學中存在的一些問題，對于“液壓與液力傳動”課程的教學改革具有重大意義。

參考文獻：

[1]賀利樂.液壓與液力傳動[M].北京:國防工業出版社，2011.

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[3]劉艷.初探《液壓傳動》課程的教學改革[J].科學大眾(科學教育)，2007，(11):86-87.

（責任編輯：宋秀麗）