一流學科建設背景下液壓實驗裝置設計及應用

摘? ? 要：一流學科建設的目標之一是培養高素質創新型人才，針對此目標，作者結合液壓實驗室的科研情況及液壓實驗教學大綱的要求，將一些原來研究成熟的科研項目轉化為實驗教學資源，并動手研制了綜合液壓實驗教學裝置，同時改革原來的實驗教學方法，希望有助于一流學科的建設。

關鍵詞：一流學科;實驗裝置;研制;應用;創新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2021）06-0045-02

機械工程學科憑借在學科、學術隊伍、人才培養等方面的優勢成為山東省建設的32個一流學科中的唯一的一個機械工程學科[1]。其主要建設目標之一就是培養一批高素質創新型人才，具有開拓性、創造性、開創新局面的能力，提出新理論、新觀點和新想法。以一流學科建設成果和高水平科研成果帶動專業建設與發展，構建研教結合、產學互動的人才培養模式，突出強化學生的創新創業能力、工程能力以及解決復雜工程問題能力的培養[2]。基于上述建設目的，課題組人員調研了生產液壓實驗裝置的廠家及各高校相關設備的使用情況，結合調研的情況，把已經做過的成熟的科研成果，結合實驗教學大綱的要求，設計成一個能滿足實驗教學、提高學生創新能力的實驗裝置。以《液壓傳動與控制》實驗教學大綱的要求為依據，在設計時也參照了國家B/T17491-2011標準《液壓泵、馬達和整體傳動裝置穩態性能試驗及表達方法》等。

一、 液壓實驗裝置的設計

（一）液壓實驗項目的設計

裝置的設計以一流學科建設為目的，以創新能力、自我學習能力的培養為宗旨，結合進行的工程教育認證工作，優化對學生能力提高不大的實驗項目，增加具有挑戰性的綜合性、研究性、設計性項目，使學生具有解決復雜工程問題的能力，掌握一定的基礎知識和實驗操作技能，并能夠運用多門課程知識來進行實驗方案設計及數據分析等。液壓傳動與控制這門課主要講元件與系統這兩部分內容，實驗裝置設計也主要體現這兩部分內容，因此實驗裝置設計了三個實驗項目：（1）柱塞液壓泵馬達的性能測試實驗;（2）變量泵-變量馬達組成的容積調速回路性能實驗;（3）為了拓寬學生的知識面設計了液壓綜合傳動裝置的效率實驗，這樣的設計使教學與科研相結合，激發了學生對實驗的興趣，提高了學生綜合能力。

（二）液壓系統的設計

1.液壓系統的設計。液壓系統的設計考慮了三個因素：（1）必須滿足實驗項目的要求，同時要堅持“標準化、通用化、系列化”的原則。根據實驗項目要求，液壓系統采用教科書上典型的液壓泵—馬達構成的閉式調速系統，并進行改善。實驗裝置用于教學，所以采用節流加載方式，這種加載方式簡單，但是也會產生節流損失，所以要在實驗裝置中添加冷卻裝置。（2）液壓系統裝了流量傳感器、壓力傳感器、轉矩轉速傳感器以及溫度傳感器等先進的液壓測試技術，可以使學生了解各種傳感器在液壓測試技術中是如何應用的。（3）設計要考慮到安全性和操作性，在系統設計時要采用遠程調壓閥。

2.液壓系統的組成。液壓系統主要由如下部分組

成：（1）液壓動力系統：液壓泵把電動機的電能轉化成液壓能，并為整個液壓系統提供動力，主要由電動機、變量柱塞泵等組成;（2）液壓執行系統：液壓馬達把液壓能轉化成機械能，主要由變量柱塞馬達等組成;（3）加載系統：對馬達進行加載，主要由加載齒輪泵、節流閥以及溢流閥等組成;（4）控制系統：用來控制實驗裝置的液壓系統的參數，主要由溢流閥等組成;（5）補油與熱交換系統：由于實驗系統是閉式系統，所以必須對系統進行補油、熱交換，主要由電動機、補油泵、液動換向閥、背壓閥及溢流閥等組成。

3.實驗裝置參數的擬定。實驗教學目的是培養學生的創新能力、學會一些液壓元件及回路性能的測試方法，因此選擇了小排量的柱塞泵和柱塞馬達，其額定壓力為25MPa，所以系統壓力值擬定15～20MPa、柱塞泵的排量10mL/r，這樣系統的最大流量約為14L/min，能夠滿足實驗教學的要求。

（三）電氣控制系統設計

電氣控制系統是為滿足對實驗裝置的控制要求，而控制系統的設計則是靈活多樣的，一般電氣控制系統應滿足實驗裝置的控制要求，要求線路簡單、工作可靠性高、安全性好、故障率少、操作和維護方便以及投資少等。在這個電氣控制系統中主要控制油泵電動機、補油泵的電動機及兩個轉矩轉速傳感器的調零電動機的正反轉。另外，在設計控制電路時要考慮液壓實驗系統是閉式的，補油泵電機啟動前，不允許主泵電機進行啟動，所以這個環節要進行閉鎖設計。這個控制系統既可使用常規繼電—接觸器的電氣控制，也可采用PLC進行控制，經過比較還是采用前者的控制方式。通過實驗要使學生了解實驗控制系統的構成以及器件的作用。整個電氣控制元件可以裝在控制柜里，控制柜平面板上安裝控制按鈕，控制器件都安裝在控制柜里，立板上可以裝各種數顯儀表，這樣控制柜結構不僅簡單、美觀，還便于操作。

（四）數據測試系統的設計

隨著科學技術的迅速發展，傳感器在各個領域應用不斷擴大，尤其是CPU的分散化，而產生智能化的傳感器，在液壓測試系統中也不例外，對液壓元件、組件和液壓系統的性能提出的要求也越來越高，同時通過實驗要使學生了解到液壓測試對技術人員的要求也很高，不但要懂得機械、液壓，而且還要懂得電器控制、信號處理、測試原理以及實驗方法等。所以在實驗裝置設計時采用了壓力傳感器、流量傳感器、轉矩轉速傳感器以及溫度傳感器等對液壓系統的參數進行測試

（五）實驗裝置的布局設計

由于實驗裝置操作的對象是學生，所以要求其布置時必須堅持安全第一的原則。所采用布置如下：（1）把遠程調壓、加載閥塊分別做成兩塊集成塊，且安裝在實驗裝置的前部。（2）油泵—電動機組以及馬達—加載油泵組分別布置到臺面的兩側，且電動機、液壓馬達靠后面布置。（3）控制閥塊以及補油泵電機組布置到實驗裝置的中間，且電動機靠后面。（4）對于旋轉的聯軸器都做了安全保護罩，這樣安裝便于操作，而且安全，以防出現問題。

二、實驗裝置的應用

（一）實驗教學理念

十幾年來，學生都熱衷于參加各種大賽，并且取得較好成績，通過各種大賽也確實提高了學生的動手能力與創新能力，培養出一些創新型人才，如小平科技創新團隊等。基于人才培養理念一直要求學生把在實驗室做的實驗項目當成大賽的題目來做，這樣學生就必須根據實驗項目的要求及課本上學到的理論知識對實驗方案進行設計，包括根據實驗目的要求去擬定可行的實驗方案，那么這個實驗就要求學生根據學到的液壓傳動與控制的知識、去查閱相關資料先設計出液壓系統、明確要測試哪些數據及選擇測出實驗數據所需要的傳感器、儀表等，然后再去擬定實驗步驟，最后寫出預習報告。這都有助于提高學生的創新能力。

（二）實驗教學組織

1.實驗預習與準備。由于實驗項目的綜合性很強，設備比較復雜，要求測試的實驗數據比較多，所以要求學生實驗前先進行預習。實驗分組4～5人比較合適，這樣既能按照要求完成實驗項目，又能培養學生團隊分工與協作精神。學生在對照實驗裝置時，要比對一下自己設計的液壓系統與實驗室的有什么異同，并在開機實驗前搞清楚實驗原理，檢查自己擬定的實驗步驟是否合理。對變量泵—定量馬達容積調速實驗來說，擬定的實驗步驟要符合要求才能進行實驗，否則要修正自己的實驗步驟才可以進行實驗。

2.實驗過程的組織。根據變量泵—定量馬達容積調速這個實驗項目要求，每組人員具體分工如下：1人操作實驗裝置的液壓部分，1人操作實驗裝置的電氣控制部分，由于實驗過程中要讀出壓力、流量、溫度、轉矩、轉速以及功率等實驗數據比較多，所以要有1～2人來負責記錄，1人負責總體，監督實驗的整個過程不得出現操作錯誤，并按照擬定好的實驗步驟進行操作、測得實驗數據，完成實驗。

在實驗開始前特別提示學生注意：（1）要先啟動供油泵，再啟動主油泵。（2）實驗過程中要控制馬達的轉速不準超過其額定轉速1500轉。（3）在此實驗結束后先停止主油泵，等馬達停止后再停止供油泵[3]。

3.實驗成果分析。實驗成果分析是實驗重要組成部分，與實驗原理、實驗方法、實驗步驟及實驗數據形成一個完整的實驗體系。因此，提高學生對實驗成果分析能力是提高學生實驗能力的重要環節，有助于提高與培養學生的創新思維和創新能力。由于這個實驗裝置在設計時選用了各種傳感器及儀表，沒有采用計算機對數據進行分析與處理，所以要求學生自己動手對測得的實驗數據進行計算，得出實驗結論及繪出實驗曲線。

三、實驗應用效果

實驗裝置投入使用后，每學年都完成了機械設計制造及其自動化、機械電子工程、材料成型、物流工程、車輛工程及采礦工程等專業的液壓傳動與控制課程及相關課程的實驗教學任務，服務學生數量達800人。實驗能力的提高也為學生參加各種大賽奠定了基礎，近三年來學生獲得科技創新類競賽國家級特等獎、一等獎356項、二等獎939項、三等獎1364項，省級獎勵達3 000余項。2017年全國普通高等學校競賽評估結果（本科）TOP 100中排名42位。2010年來學生累計獲得專利4 800余件。當然這些成果不只是靠一門或者幾門課程的實驗教學改革取得的，而是靠每個教學環節對學生能力的培養才可以實現 。隨著一流學科建設的進行，很多實驗室將結合各自的科研情況來研制一些綜合型實驗裝置，以滿足一流學科的建設需求。

參考文獻：

[1]周光禮，武建鑫.什么是世界一流學科[J].中國高教研究，2016（1）.

[2]時連君，魏紹亮.基于產學研協同創新的應用基礎型本科實踐教學體系的構建與實踐[J].實驗技術與管理，2015（5）.

[3]時連君，時慧喆，萬殿茂，等.液壓及氣壓傳動實驗教程[M].北京：中國電力出版社，2018：11.