基于FluidSIM軟件的液壓傳動系統仿真實訓教學探索

盧志芳 於紅梅

（湖北科技職業學院 湖北 武漢 430074）

液壓傳動系統仿真實訓教學的目的及意義

《液壓與氣壓傳動》是一門集機械原理、機械設計、流體力學、檢測技術和自動控制等多方面知識于一體的綜合性課程，相關技術在機床、工程機械、交通運輸、冶金機械、農業機械、塑料機械、鍛壓機械、航空、航天、兵器、石油與煤炭等許多領域應用相當廣泛。故該課程是機械類專業一門極其重要的專業基礎課，且其實踐性很強，旨在培養學生具有讀懂一般機械液壓系統原理圖，并且獨立運用所學知識綜合分析和解決工程實際中機電液控制系統、液壓與氣動等相關問題的能力，以及設計中等復雜程度以下液壓系統的能力。但基本概念難以理解、元件結構復雜、系統工作過程抽象等，一直是這門課程教學的難題。實踐教學則一般停留在演示性和驗證性實驗上，很難構建新的回路，具有一定的局限性和欠缺。基于FluidSIM軟件的仿真實訓教學可以幫助解決這一系列問題。

FluidSIM軟件內置各種標準液壓、氣動、電氣等元件庫，具有方便快捷的繪圖、設計功能和先進的機電液控制系統仿真功能。在實踐教學中應用FluidSIM軟件對回路進行模擬運行和檢驗，能使學生清晰地了解各元件在回路各個運動階段的工作過程，加深對元件和回路原理的理解。利用FluidSIM軟件對液壓回路及控制系統進行仿真實驗，使機械、液壓、電氣有機結合，能進一步加深學生對機電液控制系統的理解，并使學生能靈活地運用已經掌握的知識分析和解決實際問題。FluidSIM仿真軟件使用獨立的液壓及控制元件，很容易連接成不同的液壓控制回路。對這些元件不同的組合，可以得到不同回路，學生可以方便快捷地搭建各類電、液控制回路，能激發學生的創新意識，培養學生整體構思設計能力和綜合運用知識的能力。FluidSIM仿真軟件還可對系統進行準確的動作和工作參數的模擬及測試，可以真實地反映、模擬現場實際，為設備的維護、故障分析提供依據。

液壓傳動系統仿真實訓的設計思路

所設計的仿真實訓內容呈現出不同的層次梯度：從基礎到提高；從基本元件認識、簡單回路連接到復雜控制回路聯動；從液壓回路的單模塊到機械、電氣、PLC、液壓集成的綜合模塊，從功能演示、原理驗證、操作互動到探索實驗、自我設計。進而從讓學生能掌握扎實的基礎知識，獨立運用所學知識分析和解決問題，到按照要求設計出符合實際工況的一般中等復雜程度的機電液控制回路。

加強學生對液壓傳動系統的組成、工作過程和特點的理解和各液壓元件結構、原理、工作性能、連接方式和功用的認知，以及對仿真軟件的安裝與搭建液壓回路的基本操作方法的學習，由仿真實訓指導書和仿真實訓報告書中的實訓報告要求體現。分析液壓系統原理圖，深度理解液壓控制閥在液壓基本回路中所起的作用，解讀系統工作過程和狀態；在同一動作要求下發散思維，修改元件的組合或電氣控制程序，設計出不同的液壓回路；根據工況要求，設置簡單的PLC控制程序，使用常見的液壓元件、電氣元件等元器件進行設計、搭建各類電液控制回路，這些由仿真實訓指導書和仿真實訓報告書中的思考題、選做思考題體現。選做思考題由教師根據實際教學情況選定，供有興趣的學生選做。所設計的思考題要有很大的自由度，課堂考核標準應具有一定的靈活性，學生根據自己的理解和想法搭建出合理的控制回路，所得結果只要理由充分、設計合理、考慮全面都應取得較好成績。

液壓傳動系統仿真實訓的內容

我們當前設計的基于FluidSIM軟件的液壓傳動系統仿真實訓包括8個單元，最后一個單元為仿真實訓考核。實訓時間為4周。具體內容如表1所示。

仿真實訓項目的實施

根據以上仿真實訓項目的設計內容和思路，對實訓課的上課方法、情景設置等都做了一些調整，并將課堂考核融入到實訓項目的實施過程中，提高學生的完成能力。以實訓五“差動連接回路”項目為例，其實施過程如下：

（一）教師借助仿真狀態圖，演示差動連接回路使液壓缸快速運動的工作原理

如圖1（a）和圖1（b）所示，當液壓缸活塞沒有觸碰到行程開關S1時，電磁閥處中位工作，液壓泵輸出的液壓油同時與液壓缸的左右兩腔相通，回路呈差動連接狀態；當觸碰到行程開關S1時，電磁閥處左位工作，液壓缸左腔進油，右腔回油，活塞桿繼續伸出；當觸碰到行程開關S1時，電磁閥處右位工作，活塞桿縮回。由液壓缸的仿真狀態圖圖1（c）可以很清楚地看到，液壓缸伸出的過程中，其差動連接階段的位移曲線斜率明顯大于非差動連接階段，充分說明了在不增加泵流量的前提下增加了供給無桿腔的油液量，使活塞快速向右運動。

表1 仿真實訓項目內容表

（二）在教師引導下，學生在FluidSIM仿真軟件界面中搭建滿足工況要求的差動連接回路

工況要求提出由行程控制液壓缸動作：快進—工進—快退，如圖2（a）所示，速回路實現工進；采用換向閥實現快退。再進一步考慮用行程開關控制電磁換向閥實現快進和工進的換接，以及工進和快退的換接。原理圖設計如圖2（b）所示。

圖1 液壓缸差動連接的快速運動回路圖

（三）根據PLC控制電路知識，完成液壓缸動作編程

學生通過系統原理圖和液壓缸的動作，得出電磁鐵的動作順序，如圖2（c）所示，再綜合以前所學PLC知識進行編程。其程序如圖2（d）所示。

（四）根據PLC程序選擇和連接電氣元件，其電氣控制原理圖如圖2（e）所示，完成由行程開關控制的液壓缸動作。然后進行仿真調試，檢驗系統工作是否滿足工況要求，液壓缸的仿真狀態圖如圖2（f）所示。

從設計搭建回路到編程到仿真完成液壓缸動作，教師起引導作用，學生有較大自由度。學生可以提出自己的想法和方案，采用仿真調試的手段來驗證，并記錄在報告中。課下將仿真實訓報告書上交，教師記分作為實訓平時成績。

（五）教師引導學生在課堂上通過搭建回路，對其仿真、分析、調試，完成實訓報告中的發散型和設計型思考題，并根據學生的完成情況當堂打分，作為課堂考核的平時成績

思考題如下：（1）M型中位機能的三位四通電磁換向閥在該回路中起何作用？采用O型中位機能的三位四通電磁換向閥是否可行？為什么？（2）該系統中，二位三通電磁換向閥可以用兩位兩通電磁閥代替嗎？如果可以，繪制回路圖。（3）該系統中，若將二位三通電磁換向閥換為二位三通機動換向閥，液壓缸動作是否能滿足工況要求？PLC控制程序須如何修改？（4）若采用P行中位機能的三位四通電磁換向閥實現差動連接，要求工況動作不變，若可行，繪制回路圖，給出PLC控制程序或電氣原理圖。（5）試設計一個回路能滿足該工況要求，請繪制系統原理圖，給出PLC控制程序梯形圖或電氣原理圖。此題由教師根據實際教學情況選定，由有興趣的學生選做。

圖2 液壓缸差動連接圖

仿真實訓項目實施效果

FluidSIM軟件信息量大、內容新穎、功能齊全。在仿真實訓項目的實施過程中，教師可以很好地將專業理論和實踐相結合，不僅增強學生的感性認識和學習興趣，而且增加學生實踐和動手的機會。其先進的仿真功能，直觀、逼真的仿真效果，能加快學生對液壓元件、液壓基本回路、簡單的機電液一體化系統的理解速度，進而提高學生的學習質量。利用軟件對液壓與氣動回路及控制系統進行仿真實驗，能使機械結構和傳動、液壓氣動技術、可編程控制器等知識有機地結合起來。通過為液壓系統設置控制電路，學生可以實現綜合練習，激發出創新意識，培養整體構思能力。由于加大了平時學習成績的比例，能提高學生對課程學習過程的重視。實訓教學的開展，也促進教師不斷學習，在對軟件的熟悉、運用和實訓項目的設計、實施過程中，教師提高了自身的業務素質。

仿真實訓項目方案的進一步優化

在本課程的仿真實訓教學的實施過程中，我們也對項目的設計方案和內容進行了思考。仿真實訓項目的設計方案、內容可做出更進一步的優化：可改進基礎知識呈現的方式方法，使其更具直觀性，增強綜合實例中各科知識之間的關聯性。對學生在認知過程中所提出的想法，教師應循序漸進地引導，要加以肯定，以調動學生的積極性。應考慮增加強化機電液綜合模塊的選做實訓項目和工程實際運用較多較簡單的機電液控制系統的例子，簡化后作為選做的實訓項目，以滿足部分興趣濃厚、有想法、積極性較高的學生。還可將傳感器技術、邏輯電路控制技術、計算機控制技術等融入其中，模擬工程實際例子形成綜合實訓系統，深層次地加強學生對綜合知識的運用能力，使學生開拓眼界，拓寬知識面，為日后進一步深入學習、從事專業工作做好鋪墊。

[1]白柳，于軍.液壓傳動與氣動[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]趙秀華，王秋敏.FESTO實訓系統在《液壓與氣壓傳動》課程實訓教學中的應用[J].機床與液壓，2010（22）.

[3]劉軍，唐曙光.FESTO培訓系統在機電液綜合課程設計中的應用[J].現代制造工程，2006（7）.

[4]錢振華.基于FluidSIM的液壓與氣動課程仿真教學研究[J].液壓氣動與密封，2009（4）.

[5]張群生.液壓傳動與氣動[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6]隋文臣，化雪薈，陳大力.淺談FluidSIM液壓（氣動）仿真軟件在教學中的應用[J].液壓與氣動，2007（6）.