FluidSIM仿真在《液壓與氣動技術》課程中的應用與實踐

苗煒麗 琚愛云 杜明才

摘要：《液壓與氣動技術》課程以往都是采用理論與實訓相結合的教學模式，學生在實訓中出現液壓（氣壓）控制回路與電氣控制線路連接錯誤及系統工作不協調的問題概率較高。本文基于FluidSIM仿真軟件實現課程虛擬仿真實驗教學，通過分析課程現狀及FluidSIM仿真的優勢，重點研究FluidSIM仿真在搭建液壓（氣壓）控制回路中的應用與實踐，加強學生對理論知識的理解，提升學生的實訓能力及綜合應用能力。

Abstract： The course of "Hydraulic and Pneumatic Technology" used to be a teaching mode that combined theory and practical training. In the practical training， students have a high probability of incorrect connection of hydraulic or pneumatic control circuit and electrical control circuit and incoordination of system work. This article is based on FluidSIM simulation software to realize the virtual simulation experiment teaching of the course. Through the analysis of the current situation of the course and the advantages of FluidSIM simulation， the focus is on the application and practice of FluidSIM simulation in building hydraulic or pneumatic control loop circuits， so as to strengthen students' understanding of theoretical knowledge and improve students Training ability and comprehensive application ability.

關鍵詞：FluidSIM仿真;液壓;氣壓;應用;實踐

Key words： FluidSIM simulation;hydraulic;pneumatic;application;practice

中圖分類號：G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0247-04

0 ?引言

在我國職業教育大力發展與“互聯網+”的大背景下[1]，教學方式和手段日益豐富，如何更好地將其融入到課程教學中顯得尤為重要。《液壓與氣動技術》課程的傳統教學采用先理論后實訓的的教學模式，學生在實訓過程中出現液壓（氣壓）控制回路與電氣控制線路連接錯誤及系統工作不協調的問題概率較高。本文基于FluidSIM軟件實現虛擬仿真實驗教學，讓學生在實訓任務前完成液壓（氣壓）控制回路的仿真，建立“先理論，后仿真，再實訓”的教學模式，在一定程度上提升學生的學習積極性，同時也可以有效規避純實訓過程中出現的問題，更大程度上加深學生對知識的理解，提高學生的實踐動手能力。

1 ?課程現狀分析

《液壓與氣動技術》課程是高職數控技術、模具設計與制造等機電類專業的一門重要的專業必修核心課程，也是專業性和實踐性較強的一門綜合性課程。以往的課程教學存在以下問題：

①理論化教學模式占據較大比重。教師仍以多媒體教學為主[2]，理論性要求較高，比如介紹液壓泵、液壓控制閥、液壓輔助裝置等知識點時，雖然課堂中加入了視頻、動畫的方式幫助學生針對相關知識點進行直觀理解，但由于欠缺對實物及系統的實際操作，學生對知識點的理解仍存在盲區。同時，過分強調理論知識點會讓學生產生厭學情緒，事倍功半。

②學生缺乏實際操作的機會，動手能力差，實踐能力弱。以往教學理論講解占比較重，比如液壓泵、液壓控制閥等元器件的拆裝，液壓系統的運行等，純理論講解顯得很蒼白，學生動手實際參與的機會很少，導致學生理論與實踐相脫節，實際動手能力較差，工程實踐技能匱乏[3]。

根據我院以培養高素質和高技能型人才為目標的辦學宗旨，以及《液壓與氣動技術》的教學大綱與教學要求，結合我院學生的實際情況及實訓設備情況，在《液壓與氣動技術》課程中采用FluidSIM仿真實驗教學與實訓相結合很有必要。

2 ?FluidSIM軟件概述

2.1 FluidSIM軟件簡介

FluidSIM軟件是用于液壓與氣動技術的教學軟件，由Paderborn大學、Festo Didactic GmbH & Co和Art Systems Software GmbH，Paderborn聯合開發研制。FluidSIM軟件符合DIN電氣—液壓回路圖繪制標準，且可對基于元件物理模型的回路圖進行實際仿真，這樣就使回路圖繪制和相應液壓系統仿真相一致[4]。該軟件分為FluidSIM-H液壓仿真和FluidSIM-P氣動仿真兩個模塊，它是一款集機電液一體化的綜合學科軟件，不僅具有強大的仿真功能而且還自帶豐富的學習庫[5]。

2.2 FluidSIM軟件優勢

FluidSIM軟件不僅可以創建液壓回路圖，也可以創建電氣回路圖，而且可以通過標簽建立電氣元件與液壓元件之間的聯系，使二者融為一體。仿真時可以自動檢測回路連接中的錯誤，提醒學生進行修改。仿真模式有連續仿真和單步仿真，學生可以通過連續仿真查看系統運行狀態，通過單步仿真可以查看每個動作過程中每個元件的實時運行狀態。而且可以通過添加狀態圖可以實時查看仿真過程中每個元件的主要運行參數比如壓力、速度、位置、流量等的變化，便于學生深刻理解每個元件的工作狀態及系統運行原理。

在傳統的先理論后實訓的基礎上引入FluidSIM仿真實驗環節，形成“先理論，后仿真，再實訓”的教學模式。學生可以通過FluidSIM仿真軟件對液壓（氣壓）控制回路進行搭建和仿真，快速實現自己的設計思路和理念，通過多媒體可以展示和表達自己的想法，展現創新和特色，樹立自信;通過仿真結果檢驗所搭建回路的正確性并分析控制系統的動態特性，依托實訓平臺對搭建的液壓（氣壓）控制回路進行實際操作，有效規避純實訓過程中可能出現的管路錯誤以及電氣回路與液壓（氣壓）回路的不協同工作的問題，提高實訓的成功率。

3 ?FluidSIM仿真在課程中的應用與實踐

根據高職《液壓與氣動技術》課程的教學大綱和教學要求，結合本院實訓設備——THPYC-1A液壓傳動與PLC實訓裝置建立本課程的實訓指導書，共分為15個實訓項目，如表1所示。

在15個實訓項目中實訓項目一是實訓設備操作與安全方面的介紹，實訓項目二是液壓系統的演示，教師通過系統的操作演示讓學生對液壓技術建立初步認知，實訓項目三與實訓項目四分別是齒輪泵與葉片泵的拆裝，實訓項目十五是氣動實驗演示，由教師先演示，后由學生自行完成，故學生需完成剩余10個實訓項目的FluidSIM仿真任務。實訓項目六是雙活塞桿液壓缸的特性實驗，由于實訓室不具備相應的實訓條件，只能進行FluidSIM仿真。故學生需完成除實訓項目一、實訓項目二、實訓項目六以外的12個實訓項目的實際操作任務。由此可以看出通過FluidSIM仿真就可以克服實訓室液壓（氣壓）元器件不足的缺點，讓學生通過仿真來模擬真實的實訓并實現該特性實驗。

以實訓項目十二換向回路實驗為例分析FluidSIM仿真回路的搭建。換向回路實驗采用行程開關控制的自動往復運動回路，如圖1所示。在搭建液壓仿真回路時，通過在液壓缸上使用標尺8，來準確定位行程開關SQ1與SQ2。通過標尺8來定義行程開關SQ2的位置為200mm，行程開關SQ1的位置為50mm。

3.1 采用三位四通換向閥的換向回路搭建

本回路采用三位四通換向閥的換向回路進行仿真回路的搭建，換向閥采用中位機能為O型，P、A、B、T四個油口全部封閉時，液壓泵不卸荷，可實現系統保壓。

3.2 仿真回路采用元件列表

搭建仿真回路所采用的液壓與電氣元件如表2所示。

3.3 電氣原理圖設計

根據仿真回路，結合THPYC-1A液壓傳動與PLC實訓裝置，學生設計出與仿真回路相匹配的電氣控制原理圖，如圖2所示。

3.4 回路原理描述

回路中，系統壓力由直動式溢流閥3進行調節控制。當按下SB2按鈕，中間繼電器KZ1線圈通電，KZ1常開觸點閉合實現自鎖，三位四通電磁換向閥4的線圈Z1通電，換向閥4右位工作，此時油口P、A連通，油口B、T連通，液壓缸5左缸進油，右缸回油，活塞桿向右運動。當活塞桿右行200mm觸碰到行程開關SQ2時，SQ2常開觸點閉合，中間繼電器KZ2線圈通電，KZ2常閉觸點斷開，Z1失電;KZ2常開觸點閉合實現自鎖，三位四通電磁換向閥4的線圈Z2通電，換向閥4左位工作，此時油口P、B連通，油口A、T連通，液壓缸5右缸進油，左缸回油，活塞桿向左運動。當活塞桿左行至50mm處觸碰到行程開關SQ1時，SQ1常開觸點閉合，中間繼電器KZ3線圈通電，KZ3常開觸點閉合實現自鎖，中間繼電器KZ4線圈通電，KZ4常閉觸點斷開，Z2失電;KZ4常開觸點閉合，中間繼電器KZ1線圈通電，KZ1常開觸點閉合實現自鎖，三位四通電磁換向閥4的線圈Z1通電，換向閥4右位工作，此時油口P、A連通，油口B、T連通，液壓缸5左缸進油，右缸回油，活塞桿向右運動。周而復始進行自動往復運動，當按下SB1按鈕時，系統控制回路斷開，液壓缸停止工作。

3.5 回路仿真圖

啟動仿真，按下SB2時，三位四通電磁換向閥4的線圈Z1得電，無桿腔進油，有桿腔回油，液壓缸5活塞桿向右運動，如圖3所示，活塞桿運動速度為0.17m/s，系統壓力如壓力表顯示值為4.93MPa。當活塞桿右行觸碰到行程開關SQ2時，Z1斷電，Z2得電，有桿腔進油，無桿腔回油，液壓缸5活塞桿開始向左運動，如圖4所示，活塞桿運動速度為0.27m/s，系統壓力如壓力表顯示值為14.51MPa。當活塞桿左行觸碰到行程開關SQ1時，Z2斷電，Z1得電，無桿腔進油，有桿腔回油，液壓缸5活塞桿開始向右運動，如圖5所示。重復進行以上過程。

由此可以看出，有桿腔進油時活塞桿的運動速度比無桿腔進油時要高，系統壓力比無桿腔進油時也要高，通過仿真實驗驗證了理論知識。學生可以直觀地觀察到液壓缸活塞桿的運動參數從而理解系統回路的工作原理。

3.6 元件狀態圖

在啟動仿真前，可以在狀態圖中添加液壓缸5。啟動仿真后，點擊按鈕開關SB2得到液壓缸5的狀態圖，如圖6所示，橫軸代表時間（s），縱軸代表位移（mm）。

通過圖5液壓缸的位移曲線圖，可以分析出液壓缸5的最大行程為200mm，即行程開關SQ2的位置。Z1得電時，液壓缸活塞桿向右運動不斷伸出，達到最大行程200mm處就會觸碰行程開關SQ2，使Z1斷電，Z2得電，液壓缸活塞桿向左運動不斷退回，行程逐漸縮小至50mm處就會觸碰行程開關SQ1，使Z2斷電，Z1得電，液壓缸活塞桿向右運動不斷伸出，達到最大行程200mm，周而復始此過程。通過圖5的曲線也可以分析出活塞桿退回時的曲線斜率較活塞桿伸出時的曲線斜率大，從而證明活塞桿退回時的運動速度較活塞桿伸出時要快，更加驗證仿真過程中速度值的變化規律。

3.7 回路的特點及應用

采用行程開關控制的自動往復運動回路換向位置準確，動作可靠，并且容易調整行程大小。但采用電磁換向閥的換向時間短，會產生換向沖擊，因而適用于小流量、換向頻率較低的場合。

通過在課程中應用FluidSIM仿真實驗環節，很大程度上加深了學生對回路原理的理解，多數學生都能一次性完成實訓回路與電氣控制線路的連接，成功率較高，學生的積極性和主動性有所提高。隨著對系統回路及實訓設備的熟悉，在保證成功率的前提下還能提高時間效率。

4 ?結語

采用FluidSIM仿真與實訓相結合形成“先理論，后仿真，再實訓”的教學模式，通過FluidSIM仿真模擬液壓（氣壓）控制回路的連接和運行與實際搭建液壓（氣壓）控制回路相結合，于學生而言，激發了學生的學習積極性和主動性，讓學習過程變得更靈活，比如學生可以通過仿真與實訓相結合實現與液壓元器件的零距離接觸，搭建系統、拆裝元器件、運行系統，全方位地加強學生的理論基礎和實際動手能力，提升學生的職業素質和能力，為學生頂崗實習和就業打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]朱節宏，謝述雙，盧運嬌.高職機電類專業基礎課程翻轉課堂教學模式改革實踐——以“液壓傳動”課程為例[J].廣西教育，2019（39）：71-74.

[2]趙霞，張志鵬.基于AHK模式下《液壓與氣動技術》課程的改革探索[J].內燃機與配件，2020（18）：247-248.

[3]周海燕，李海霞，程巧軍.《液壓與氣壓傳動》項目課程的改革研究與實踐[J].內燃機與配件，2020（16）：239-240.

[4]段彩云，石磊.液壓與氣動技術[M].北京：北京出版社，2014：213.

[5]李現友.FluidSIM在液壓與氣動技術綜合實訓中的應用[J]. 包頭職業技術學院學報，2013，14（04）：73-76.