以面向工程實踐應用的方式開展液壓傳動課程教學

張世亮 尹凝霞 李偉洪 梁景松

[摘 要]針對液壓傳動課程教學中如何面向工程實踐應用開展教學，提出了通過課堂理論講述、液壓元件實體結構展示、液壓回路動態工況分析、液壓元件拆裝、液壓實驗臺實操實驗、工程應用案例分析、液壓課程設計等多種教學手段并舉的措施，這能實現學生在該課程學習中的循序漸進、機電液融合，能讓學生逐步具備解決工程實踐問題的能力，確保本課程教學質量的總體目標，可以為類似課程教學工作的有效、順利開展提供有益參考。

[關鍵詞]液壓傳動；教學手段；機電融合；工程實踐

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）06-0057-03

一、概述

液壓傳動課程是機械制造類、機電類等本、專科專業學生課程體系中一門重要的技術基礎課。該課程是機械技術和電氣控制技術的中間橋梁，在機電一體化技術和自動化技術中占有重要位置。一臺完整的機電設備其控制部分的功能由計算機、傳感檢測和電氣控制等系統來完成，執行裝置的動作由機械機構運動來完成，而控制部分與執行裝置之間的指令傳達、信息轉換與能量傳遞則可以由液壓傳動裝置來完成。一臺完整的機電設備就像完好的人體一樣：人體的軀干和四肢是機械結構，能完成人的各種動作；人體的大腦是控制系統，可向四肢發出各種動作指令并有效控制運動；而實現大腦指令向四肢動作傳輸并提供能量的是人體的血液循環和控制系統，如人體的心臟、動脈、毛細血管、靜脈、血液流動方向和大小等，這些就對應著液壓系統的液壓泵、壓力油路、回油路、三類控制閥（壓力閥、流量閥、方向閥）。

總體來看，液壓傳動課程具有內容多、難點多、知識跨度大、實際應用廣、機電融合度高、理論與實踐結合緊密、工程實戰性強的特點[1]（具體見圖1、圖2、圖3）。液壓傳動課程的理論是液壓流體力學，設備外形和執行裝置的動作是機械機構和裝置，整個系統的工作方式是回路循環（與電路的工作方式相同）。因此，該課程的教學既有理論性很強的抽象內容，機電設備的實際結構又多種多樣，這些加大了學生對本課程的學習和消化難度，學生容易出現畏難情緒。為此，對該課程必須采取機電知識融合、多種教學方法并舉、多種教學手段共用、理論與實踐緊密結合、課程內容循序漸進的綜合教學方式開展教學，這樣才能取得良好的教學效果。

二、理論教學中需把握好知識點之間的內在聯系

液壓傳動課程的理論基礎是液壓流體力學，對于流體的特點，壓力及其單位，流體的質量守恒、伯努利方程、動量方程、壓力損失、孔口和縫隙出流等這些重要的理論知識點，除了要從其本身的性質、特點、應用講解外，還要多從它們相互之間的關系與聯系進行講解，更要結合實際生活和工程現象用它們的原理加以解釋和分析。比如，河流中的旋渦是怎樣形成的，游泳時遇到旋渦應該怎樣應對？為什么水壩建得越高發電能力就越強？如果水位高度較低，能用什么方法也可以提高發電機的發電容量？為什么臺風能夠使建筑物倒塌、船舶傾翻、門窗飛掉？為什么高速行駛的列車可以將車旁的行人卷入車底？流動的水流改變方向的時候會發生什么現象？一般的液壓設備為什么運動的速度都比較慢？大負載、高精度控制的機電設備為什么一般都用液壓系統來控制等。通過將現實生活和工程中常見的實例融入課堂的理論教學中，可以加深學生對本課程理論知識的理解，引起學生的學習興趣，為后續學生學習液壓元件的工作原理打下良好的理論基礎。

三、注重三維實體、液壓回路動畫等多媒體教學手段的作用[2]

依據液壓流體力學原理設計、制造的液壓元件往往具有外形封閉、內部結構緊湊、零件之間的關系復雜、零件間的配合精密等特點，僅僅通過液壓元件工作原理圖的講授，過于簡單抽象，達不到使學生熟悉各類液壓元件的特點、性能優劣、應用場合與實際使用中如何正確選用液壓元件的目標。因此，需要在講述液壓元件工作原理的前提下，充分應用多媒體教學的特點，形象展示出各類液壓元件的三維實體形態、處于剖切狀態下的元件內部配合關系、元件裝配關系的三維實體爆炸圖等（具體見圖4、圖5、圖6）。通過對它們詳細的解讀與分析，使學生能夠在掌握液壓元件工作原理的基礎上，深刻理解各類元件內部結構的關系、功能、配合、特點和適用場合，掌握對液壓元件中存在的結構問題是怎樣通過技術手段加以解決的，為后續正確設計液壓系統、合理選擇液壓元件打好基礎。

在液壓回路的教學中，僅僅通過靜態液壓回路原理圖的講解，這樣的教學效果不會太好，因為它展示給學生的液壓原理圖是死的、靜態的（見圖7），而液壓系統工作時回路是活的、動態的（見圖8、圖9）。如何把死的液壓回路圖讀活，沒有專門、較長時間的訓練，讓學生只用靜態液壓原理圖來分析其工作原理一般是做不到的。因此，在給學生講解液壓回路的工作原理時，如有能夠模擬液壓回路真實工作狀態的動態回路動畫進行演示，其教學效果會好很多[3]。由于液壓回路的工作形態與電路相似，在講解液壓回路時，一定要用電回路的思維和方式進行講解，比如：什么是壓力油路和回油路、什么是油路的串聯和并聯，什么是負載串聯和并聯、什么是液阻液容、流量節點、壓力損失、流量相等原則等，這樣學生才會自然將液壓回路與電回路聯系在一起，并理解它們的內涵其實是一樣的。

四、注重工業產品級液壓元件實物教學的作用[4]

液壓傳動課程教學，是以應用為主要目標的，課程的理論知識都將以功能化產品的形式展現出來。其中，掌握液壓元件的應用是理論知識轉換為實際應用的關鍵內容之一。如果只向學生簡單講述三大類液壓元件（液壓泵、液壓閥、液壓缸（馬達））的工作原理是遠遠不夠的，需要通過分析各類液壓元件的工作原理、基本組成、結構特點、連接與安裝方式等，讓學生能夠熟悉它們，并且學會正確地選擇與使用它們。因此，指導學生完成三類工業產品級液壓元件的拆解、分析和裝配等液壓元件拆裝教學，是本課程必備的重要實踐教學環節之一。這就要求指導教師必須熟悉這三類液壓元件，能夠熟練地拆解、講解和分析它們的工作原理、理論依據、結構特點。比如：同樣是液壓泵，為什么齒輪泵，有困油現象而雙作用葉片泵就沒有；同樣是液片泵為什么單作用葉片泵能夠變量而雙作用葉片泵就不能變量（具體見圖10、圖11、圖12）。

在先導式溢流閥拆裝教學中，首先分析先導式溢流閥的外形，找到調節手輪、進出油口、遠程控制口，然后分析該閥怎樣在系統中安裝與管路連接，然后將該閥進行拆解，找到先導閥、調壓彈簧、先導閥和主閥彈簧，分析兩個彈簧的特點、先導閥的結構、主閥結構上面的阻尼孔位置和形式、油路的流動路線、主閥上的壓差是如何形成的，先導閥的回油是怎樣接到主閥回油口的，以此引出主閥是怎樣巧妙利用其相反面上的壓力差抵消掉作用在其上面絕大多數油壓力，只需要很小的彈簧力就能夠工作。比如，講授調速閥時，需強調其核心思想是：調速閥正常工作時，無論負載如何變化，通過該閥的流量基本不變的特點，其核心問題就是負載變化時調速閥中節流口前后的壓力差保持不變，并將閥芯的結構、彈簧參數設計與保持節流口前后的壓力差有機聯系起來等（具體見圖13、圖14、圖15）。

通過產品級液壓元件實際拆裝教學，可以使學生認識、熟悉各類液壓元件，增強學生對各種液壓元件性能、特點的了解，讓學生在實際選擇液壓元件時，能更有針對性。

五、通過液壓實驗臺實驗教學培養學生動手實操液壓設備的能力

在實驗臺上進行實驗課教學，是培養學生全面認識、熟悉真實的液壓系統，能夠正確操作使用液壓設備的重要手段。液壓實驗臺完全由工業產品級的液壓元件和液壓輔件組成，非常接近于生產實際中機電設備的液壓系統。該教學環節可以使學生能夠正確讀懂實際液壓設備中的液壓系統原理圖，找到與液壓原理圖對應的各類液壓元件，能夠正確地使用和操作液壓試驗臺，順利完成對應的液壓泵性能實驗、液壓閥性能實驗和節流調速回路性能實驗。教師應鼓勵學生根據自己已掌握的機械、電氣、液壓知識，在液壓綜合實驗臺上完成自行設計、自己組裝液壓系統、自己操作實驗、測試系統性能的創新式液壓實驗，以培養學生的創新能力。上述實操實驗教學環節可以使學生逐漸具備認識、熟悉液壓系統和液壓設備，正確操作和使用液壓設備的能力。這樣今后學生在面對實際生產中的液壓設備時，就能夠做到不陌生、敢面對、敢動手、能操作。

六、用工程實例使學生深切體會液壓傳動技術在機電設備中的作用[5]

由于液壓傳動技術在工程實踐中的應用十分廣泛，不同行業的液壓設備特點、性能等有所不同。因此，在學生系統掌握了液壓傳動課程的基本知識后，需要通過選取不同行業使用的典型機電設備中的液壓系統進行分析和解讀。如：金屬切削機床中的液壓系統，其特點是調速性能、精確換向性能和低速平穩性能要求高；壓力機中的液壓系統，其特點是如何做到在各個工況過程中的液壓功率能夠均衡使用，即低壓時如何實現大流量供油、高壓時如何實現系統的保壓卸荷；汽車起重機液壓系統，其特點是如何實現多執行裝置的聯動、單動、壓力與負載相平衡、急停保壓等功能。通過對這些不同應用領域典型液壓系統的深入分析與解讀，可以使學生將本課程的知識做到融會貫通，靈活使用，讓學生能有效應對不同實際需求。另外，要注意在后續學生到生產企業進行生產實習期間，有意加入有關機電設備中液壓系統在實際生產中應用的相關實習內容。比如：要求每個實習的學生至少分析一臺他在生產現場見到的正在使用的液壓設備的動作要求、液壓系統工作原理、技術特點、與本課程對應的知識點等，以進一步鞏固學生對本課程知識的掌握能力和實際應用能力。

七、開設液壓課程設計培養學生綜合應用本課程知識解決實際問題的能力

在完成上述各個教學環節后，需要開設一個兩周學時的“液壓傳動課程設計”實踐教學環節。學生針對實際生產需求，綜合應用本課程知識真實、完整完成一個液壓系統設計全過程鍛煉，這能為他們今后走向工作崗位、解決生產實際液壓問題打下堅實基礎。液壓課程設計要從所設計的液壓裝置動作要求、工作參數入手，分析該液壓系統所完成的動作要求、設計該裝置的液壓系統原理圖、完成相關的液壓回路理論計算、合理選取相關的液壓元件和液壓輔件、完成該液壓系統裝配圖的設計。當系統完成上述各個環節后，學生就會得到一個全面的鍛煉，這種鍛煉超越了本課程范疇，上升到機電液一體化知識綜合應用的層面。

八、結束語

在液壓傳動課程教學中，要想充分體現出其在機械與電氣的橋梁作用、面向工程實踐應用的教學目標，需要采取多種教學手段，使用多種教學環節、循序漸進、理論與實際有效結合、用機電一體化有機融合的方式來展開教學，這樣才能激發學生的學習興趣，培養學生的實戰能力。這是筆者多年課程實踐的體會，希望能夠對類似課程的教學開展起到借鑒作用。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張世亮.液壓傳動與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2] 李壯云.液壓元件與系統：第三版[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3] 秦曾煌.電工學：第七版[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4] 趙應樾.液壓控制閥及其修理[M].上海：上海交通大學出版社，1999.

[5] 史青錄.液壓挖掘機[M].北京：機械工業出版社，2012.

[責任編輯：陳 明]