FluidSIM軟件在液壓傳動理論和實踐教學改革中的應用

摘要：為了彌補液壓傳動傳統教學中的不足，提高學生的創新設計能力，將FluidSIM軟件應用于液壓傳動理論教學和實踐環節中。理論教學實現了復雜圖形演示和液壓原理圖搭接及動態仿真；實驗環節實現了回路的模擬運行和檢驗；課程設計實現了原理圖的設計仿真，并轉換為DXF格式；畢業設計實現了復雜液壓原理圖的設計、仿真，并實現了電液系統聯合仿真。實踐證明：運用該軟件后，增強了學生的學習積極性和主動性，提升了學生的自我創新設計能力，提高了教學質量，達到了預期的教改目的。

關鍵詞：FluidSIM；液壓傳動；理論與實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0092-02

“液壓傳動”是機械類專業的一門實踐性很強的技術基礎課，是一門融合了機械、電子、控制等多學科的課程。該門課程要求學生掌握常用元件和系統的工作原理、元件選用與系統設計、調試的基本方法等。在以往的教學中，元件的工作原理以及回路的工作過程多采用結構圖、圖片等來展示，教學效果有限，學生在學習中普遍感到液壓知識基本概念不清楚、元件結構復雜、工作過程抽象，從而影響了學生學習的積極性。為了增強學生的學習主動性，提高學生的創新設計能力，在液壓傳動理論和實踐教學環節中加入了FluidSIM軟件進行教學改革，實現了互動教學，達到了培養創新型人才的目的。

一、FluidSIM軟件簡介

FluidSIM軟件是德國Festo公司開發的液壓與氣壓系統仿真軟件。FluidSIM軟件用戶界面直觀，采用類似畫圖軟件的圖形操作界面，用戶只需直接從元件庫中將元件拖到繪圖區，并用鼠標左鍵在各種元件接口之間拖動，便可完成油路的連接。

FluidSIM軟件可對基于元件物理模型的回路圖進行實際仿真，并有元件的狀態圖顯示，還可以進行簡單的查錯功能。如果仿真回路存在斷點，則可自動找出并標識，從而能夠在設計完回路后，驗證設計的正確性，并演示其動作過程。FluidSIM軟件還具有CAD功能，它符合DIN電氣—液壓回路圖繪制標準，是針對流體而專門設計的。回路設計仿真成功后，軟件即可輸出與仿真回路相同的DXF圖形格式。

FluidSIM軟件提供了超過100多種標準液壓及電氣元件，利用這些符號及實物圖片，可構成各種回路。軟件還包含了大量的教學資料，其中對各種元件的工作原理和使用方法都有詳細的功能描述，可用來自學、教學和多媒體教學液壓技術知識。

FluidSIM軟件還可設計和液壓回路相配套的電氣控制回路，實現電液聯合仿真。傳統的“液壓傳動”教學中，僅有液壓回路及電磁鐵動作順序表，沒有電氣回路，學生不能明白各種控制閥和電氣控制元件之間的關系。電氣—液壓回路設計與仿真同時進行，可以提高學生對機電液一體化的認識和實際應用能力。

FluidSIM分為FluidSIM-H和FluidSIM-P兩個軟件，其中FluidSIM-H用于液壓傳動技術的模擬仿真與排障。本文主要是將FluidSIM-H軟件的各項功能應用到“液壓傳動”教學各環節中。

二、FluidSIM軟件在理論教學改革中的應用

1.用于演示復雜元件的圖形

一些結構復雜的元件，有時教材中插入的圖形是采用機械制圖的圖樣繪制的，較為詳細準確，但是有時受版面限制顯示的圖形太小且都是黑白色，掃描到PPT中講解時投影到屏幕上的圖形顯示不清楚，導致講解時學生聽課情緒受到影響。以往教學中，授課教師為了能讓學生看清元件的結構原理圖，在PPT中用鼠標采用“指針選項”中的“氈尖筆”或“熒光筆”分別用不同的顏色勾畫出不同零件的邊界，雖然視覺效果有了一定的改進，但是手動繪制零件的邊界時間長，鼠標也很難精確繪制。采用FluidSIM軟件后，軟件中配有復雜元件的結構原理圖，不同的結構采用不同的顏色，非常清晰。具體使用方法為：在“教學”菜單欄中的“工作原理”對話框中，選擇相應的元件后單擊確定，即可演示相應的元件工作原理圖。

此外，在仿真文件中用右鍵單擊液壓元件的職能符號后，選擇“元件圖片”就可以直接演示出相應元件的實物照片，使學生對液壓元件有了更直觀的認識。

2.動態講解液壓原理圖不同階段的回路走向

液壓原理圖中，當換向閥換向時進、回油路總是發生變化。以往教學中，液壓原理圖是靜止不動的，學生分析不同階段電磁鐵得電時的油路走向出現的錯誤較多。在沒采用該仿真軟件之前，授課教師想到的解決辦法是：在PPT中對掃描的液壓原理圖用鼠標“指針選項”中的“氈尖筆”采用紅色（表示有壓力的進油路）和綠色（表示回油路）繪制油路的走向。與單純靜態講解原理圖相比，這種方法能使學生理解原理圖的工作過程，但其缺點是：鼠標不好控制繪制油路的走向，當不同電磁鐵得電時所有油路都得重新繪制，占用課上時間較多，費時費力。

采用FluidSIM軟件中的回路搭接和仿真功能，在課堂上直接演示回路中各液壓元件的連接過程，連接后點擊仿真按鈕，軟件自動檢查回路連接的正確性。如果連接錯誤，會直接標明連接的錯誤和原因。如果連接正確，根據電磁鐵動作順序表，可以手動或自動選擇電磁鐵的得電情況，回路會動態演示出油路的走向和液壓缸的動作方向與速度。油路中壓力油用紅色顯示，回油用淺黃色顯示。這種方法連接回路的速度快，連接成功后，只要選擇不同的電磁鐵得電，每種油路走向都能清晰地動態顯示出來。例如教材中的雙路油壓自鎖裝置，油液的走向和液壓缸的速度與輸出力都能實時顯示。[1]采用這種可控的教學方式，回路走向清晰、容易理解，學生的學習積極性明顯提高。

此外，教師課上使用軟件演示回路的連接、仿真過程，也是學生學習軟件使用方法的過程。學生可以下載免費試用軟件安裝在自己的電腦上，在課后練習軟件的使用方法。由于后續的液壓傳動實驗和課程設計中都將采用該軟件進行連接與設計，在理論授課時學生就練習了軟件的使用方法，為后面的學習打下了良好的基礎。

三、在液壓傳動實踐教學改革中的應用

1.在液壓傳動實驗課程中進行回路連接、仿真和檢查

液壓傳動實驗是“液壓傳動”課程不可缺少的實踐環節，傳統的實驗多為驗證性實驗，學生獨立思考的空間小，動手能力得不到有效鍛煉。東北電力大學的液壓傳動實驗采用新引進的YD-II型智能液壓綜合實驗臺，采用先進的液壓元件和新穎的模塊設計，構成了插接方便的系統組合，可實現機電液一體化控制實驗。新設備為學生主動開發實驗回路，進行探索式實驗設計和實踐嘗試提供了必要的條件，較好地促進了學生創新意識的建立。在本教改項目中，授課教師專門為學生設計了屬于設計型的實驗項目，指導教師給出液壓回路的工作要求，具體的回路由學生獨立設計完成。考慮到學生剛剛學習“液壓傳動”知識，所設計的實驗系統和回路往往會存在連接與原理上的錯誤，完全讓學生直接在液壓傳動實驗臺上進行實驗，可能會使實驗過程具有一定的盲目性和風險性，也可能會使學生忽視對基礎理論的深入理解和分析。因此，此次教改對實驗內容的實現形式進行了改革，預先讓學生獨立在計算機上運用FluidSIM軟件進行液壓回路的設計、運行控制和模擬演示，在保證其原理正確且操作可行之后，學生再在實驗臺上進行元件的實物搭接和調試，提高了設計能力和調試速度。

通過對實驗實現形式的改革，對于同一個回路設計題目，學生可以設計出不同的連接形式。例如差動回路，學生可以利用仿真軟件設計兩種連接形式：一是為二位三通閥控制前進方向只有差動連接的形式，二是既可差動也可正常前進的回路。此外，實驗中有些數據不好測量，如液壓缸的工作速度，借助仿真軟件可以將速度值實時顯示出來。這種實驗教學模式為學生搭建了創新實驗的新平臺。

2.在“液壓傳動”課程設計中進行回路設計、仿真和原理圖的圖形繪制

給學生下達了設計題目后，學生通過FluidSIM軟件進行設計、仿真，提高了設計的準確性，對設計選型的正確性也進行了驗證。東北電力大學的課程設計內容為液壓專用銑床工作臺進給液壓系統，工作循環：工作臺快進—工作進給—工作臺快退—原位停止。[2]

圖1回路中三位五通電磁換向閥左位工作時，實現快進時的差動連接；當液壓缸前進壓下二位二通行程換向閥后，進入工進，進油速度由調速閥調節；液壓缸前進到行程終點后，三位五通電磁換向閥右位工作，實現快速退回，液壓源可采用變量泵，由于元件庫中沒有變量泵，用定量泵代替使用。考慮到“液壓系統”課程設計時間僅為1周，要求學生設計出液壓原理圖，并進行元件的選型計算和驗算，時間緊、任務重，學生也沒有時間學習電氣控制部分的知識，因此只要求學生采用仿真軟件設計出液壓原理圖，用鼠標手動控制電磁鐵得電的方式模擬仿真。

AutoCAD軟件圖形庫中沒有液壓元件的專用職能符號，學生繪制的液壓元件大小不一，錯誤百出且費時費力。而利用FluidSIM軟件，只要液壓原理圖仿真成功，就可將液壓原理圖直接轉化為圖形交互文件格式DXF，并能在AutoCAD軟件中打開，進一步完善繪制，節省了學生設計、繪制原理圖的時間，也使后面的元件選型計算和驗算時間更充足。

3.在畢業設計中設計復雜回路并進行電液系統聯合仿真

有了之前各教學環節的軟件使用基礎，學生在畢業設計時就可以運用FluidSIM軟件實現復雜液壓回路的設計。FluidSIM軟件還可設計與液壓回路相配套的電氣控制回路，實現電液聯合仿真。若電氣控制回路和液壓回路設計完畢，可立刻進行聯合仿真。如果電氣回路不符合電氣原理，軟件會自動提示，仿真中斷。[3]對電氣控制感興趣的學生還能通過自己的努力學習到該部分的知識。學生從網上下載免費的試用版軟件，利用自己的計算機進行設計，并進行電氣和液壓的綜合訓練，可以提高機電液綜合應用能力。

圖2為畢業設計學生設計的折彎機液壓系統自動控制仿真回路圖。要求設計的板料折彎機實現的工作循環是：快速下降—工作下壓（折彎）—快速回程—停止。設計時按下按鈕開關SB1，K1繼電器線圈控制電磁鐵Y1得電，三位四通電磁換向閥右位工作，實現快速下降。液壓缸下降行程至180mm，由行程開關S2發出訊號，使二位二通閥從常開（Q2）切換至常閉（Q1）位置，液壓缸無桿腔進油路由節流閥調節流量，進入下壓折彎階段。當液壓缸無桿腔壓力達到壓力繼電器設定值后延時2s。為了達到延時的目的，設置了延時繼電器KT1完成延時2秒的任務。延時結束后，K3繼電器線圈控制電磁鐵Y2得電，三位四通電磁換向閥左位工作，實現快速回程。

該回路的設計過程為：從元件庫里調用所需的元件組成液壓回路圖，設置好相關元件的相應參數，如行程閥的位置、液壓缸的工作參數等，檢查回路的正確性；依據行程閥電磁鐵的動作順序設計控制系統，并在已建立的液壓系統中繪出電氣原理圖；在仿真圖中設置元件列表和狀態圖。對需要時時顯示工作狀態的元件，用鼠標單擊左鍵選中該元件后直接從液壓原理圖中拖拽到狀態圖中，就能將其列入狀態圖中；啟動仿真按鈕，實現實時仿真。依據液壓系統的工作原理模擬其整個工作過程并仔細觀察在整個仿真過程中液壓缸的運行情況、行程閥以及電磁鐵的動作、進回油路油液的流動情況等。

通過上述過程的訓練，學生可進行多學科知識的學習和融合，提高了學生的綜合能力，為學生進入實際工作崗位打下了堅實的基礎。

四、結論

在連續兩屆的“液壓傳動”課程教學中，授課教師都將FluidSIM軟件引入到“液壓傳動”教學的每個環節。實施教改后，取得了良好的教學效果，使師生能在課上、課下都產生良好的互動，學生的探索欲顯著增強；從基本元件認識、基本回路連接到復雜回路聯動，每個環節都能讓學生運用仿真軟件得到反復練習，提高了學生的動手能力，極大地激發了學生的學習興趣；有效地培養了學生的創新意識，學生的分析能力和創造力有了明顯提高；授課教師的業務水平也有了提高，達到了教改項目的預期效果。

參考文獻：

[1]丁又青，周小鵬.液壓傳動與控制[M].重慶：重慶大學出版社，

2008.

[2]姜繼海.液壓傳動[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.

[3]郭津津，王曉蘭，袁旭.FluidSIM軟件在《液壓傳動》教學中的應用[J].機床與液壓，2011，（2）.

（責任編輯：孫晴）