模擬仿真技術在農用機械液壓傳動系統維修教學中的應用探討

石經緯，張昊宇，謝正鵬

(武警士官學校，杭州 311400)

0 引言

經過幾個世紀的發展，汽車已經走入千家萬戶，在追求極致性能的當下，汽車零部件結構越來越復雜。高校在開展汽車發動機、底盤和電氣系統維修實操教學時，學員操作上的失誤很可能會導致零部件損壞，造成教學成本的提高。同時，實訓設備數量的缺少限制了學員的練習次數，導致其基本技能水平不能有效提高。為了解決這些問題，大部分高校將模擬仿真技術運用到了汽車維修教學中，學員在使用仿真軟件學習的過程中能對各種訓練環節進行真實模擬，切實體會汽車修理的整個過程。

農用機械本質是復雜機械的組合體，近年來向著智能化、自動化方向發展，隨著農民老齡化嚴重，在操縱機械時不能很好地應用機械出現操縱不當、維護不及時等問題，使機械故障頻發。通過模仿汽車維修模擬仿真技術解決農機維修可視化問題，對農機技術狀況進行診斷，根據結果進行調整、更換、優化，全面恢復農機使用性能，大大降低維修教學成本。

目前模擬仿真技術應用在農用機械液壓控制元件上可分為如下幾類：1)對實體液壓系統或元件進行數字建模，仿真模擬，將仿真結果與實驗數據進行分析，驗證理論研究準確度，通過數據校準，使仿真數據接近理論設計，為產品更新換代提供依據。2)對于已完成設計系統，通過仿真試驗調整參數，結果作為理論依據，進而縮短調試周期。3)對于新一代元件設計，仿真元件各部分指數對動態性影響，進而確定結構參數，為設計提供依據。4)對于新一代系統設計，對控制方案進行驗證，研究整體參數對動態性能影響，以此獲得最佳控制方案[1]。同時液壓系統結構復雜，可視程度低，故障發生的主要原因是液壓油污染。液壓油作為傳動介質，受流動性、壓縮性、粘稠性及溫度、壓力等環境因素影響，故障表現往往比機械傳動復雜，容易出現噪音、振動、爬行、滲漏、沖擊等異常工作狀態，且故障原因不易尋找，在課堂中難以呈現[2]。

本文將對農用機械液壓維修模擬仿真技術展開探討分析,以期該技術在教學中能得到廣泛應用。

1 模擬仿真技術在農用機械液壓維修教學中的應用前景

以武警士官學校教學實際為例，農用機械液壓傳動系統維修(以下簡稱農用機械液壓維修)主要依托報廢件拆裝和實車拆裝開展教學活動。報廢液壓件的拆解教學，優點在于可以加深學員對零部件結構和工作原理的理解，其缺點也相對突出，即缺乏與整車結合，不利于學員掌握農用機械液壓系統常見故障的成因及解決辦法。液壓元件的實車拆裝，可以更好的解決以上問題，但學員操作不規范極易造成精密部件的損壞，使整車不能正常工作。同時，實訓設備的短缺不能滿足大量培養高技術人才的需求。在教學中運用模擬仿真技術就體現出了其優點。

1)模擬仿真技術可以將農用機械全車液壓系統及其零部件以動態圖和三維圖的形式展現出來[3]。學員在仿真平臺既可以實現對液壓零部件的拆裝，又能根據不同的故障現象對全車液壓系統進行診斷排查。

2)模擬仿真技術的應用可以很好地滿足高技術人才培訓的需求[4]。模擬仿真軟件只需要一個電子平臺就可以實現教學資源重復利用，有效解決了實訓教學需要大面積的場地問題;有效縮短了實訓教學的時間;有效提高了學校接收學員的數量,使學校能夠以較少的師資力量培養更多的學員。

3)采用模擬仿真與實物教學相結合的教學方式，可以為學校節省近10%的教學成本。模擬仿真軟件可以實現零部件的無限次拆裝，學員熟練掌握模擬拆裝以后再進行實物拆裝，就可以極大地降低操作失誤率，從而減少配件購買次數降低教學成本。

2 模擬仿真技術在農用機械液壓維修教學中的應用途徑

根據已有經驗，模擬仿真技術在農用機械液壓維修教學中的具體應用途徑為:創造三維模型、進行場景模擬構建、建立故障診斷數據庫、搭建考評系統。

2.1 創造三維模型

農用機械整車液壓系統及零部件三維模型的構建是一項重大而艱巨的任務。其主要利用力學、結構學、運動學、物理學等理論知識,對于各零部件進行模型構建。同時,采用動態的形式模擬各個部件的整合分裝等。這要求工程師不僅要對所研究的液壓元件或系統的基本原理和具體構造有深入的了解，還要具備深厚的數字建模能力。

三維模型技術開發的第一步需要查閱農用機械產品說明書及相關資料，保證模型數據的精確，包括各零部件的外部尺寸、內部構造、油路連接、裝配位置等。第二步需要利用3DMAX、SolidWorks等專業的三維造型軟件，建立農用機械液壓傳動系統各零部件的數字模型，統一建模格式后裝配形成模型。農用機械液壓系統通常包括工作液壓系統、轉向液壓系統、先導控制系統，其中主要零部件包括工作泵、轉向泵、控制閥、液壓缸等，應分別對各個零部件進行三維建模，建立各總成模型組，最后裝配形成各系統數字模型。第三步需要對農用機械整車進行建模。工程師除要根據實車數據建立整車外觀模型，還要考慮模型與液壓傳動系統的適配性，嚴格按照實際將液壓元件與外觀模型進行裝配。

2.2 進行場景模擬構建

三維模型創建完畢后,需采用3D技術對農用機械整車液壓系統的維修場景進行模擬。模擬的場景包括整車液壓系統組裝和分拆以及零部件的維修和調整。液壓系統場景應包括以下功能：1)模型接受駕駛艙操縱指令，仿真液壓系統功能，發送信號到與液壓系統連接的裝置；2)模型應包括發動機轉速及主泵流量、排量特性；3)響應模型所有變量，例如時速、牽引力、操作質量、燃油消耗率等；4)模型應能反映原始液壓系統性能，并遵守建模規范；5)液壓系統應能提供提升、下降、側傾、卸載、制動、轉向等功能；6)模型應包括失效情況下緊急預案[5]。建立復雜系統模型模擬仿真一般采用自內到外的建模方式。首先建立功能復雜核心動力裝置，然后根據所模擬液壓系統的特性，將所有功能區域有效結合，逐步完善整個模型。

從整體到部分提高學員的觀察能力、邏輯思維能力及最終工作技能。除此之外，場景模擬軟件應實現良好的人機互動,學員在操作時系統能根據輸入信息做出準確判斷，對錯誤的操作及時進行糾正，并在結束時對學員的技術水平做出客觀評價。

場景模擬技術開發的關鍵在于以下兩方面，一是對三維模型進行交互式處理。首先將三維模型導出為STL格式；然后將其導入3DS MAX進行貼圖、煊染和動畫制作，并導出為C3D格式；然后將渲染好的C3D格式的三維模型導入到安裝有Cult3D Exporter for 3DMAX插件的Cult3D軟件中，就可輸出為具有交互功能的三維模型了；二是利用3D VR技術將模型嵌入虛擬場景并進行交互編輯。該過程需要將具有交互功能的三維模型導入OpenGL中，在VC++環境下進行模型的可視化交互控制[6]。

2.3 建立故障診斷數據庫

在三維模型和場景模擬的基礎上,采用數據庫的形式對農用機械液壓系統常見故障進行統計分析，存儲的數據包括故障點、故障表現、排除和解決方法等。教師可以在仿真軟件中調用已有數據對液壓系統設置單個或多個故障點，學員則可以在軟件中根據故障現象，對液壓系統進行排查，準確發現故障點，并采取有效方法解決故障問題。可開展各類故障模式分析，如液壓系統多元件故障模式識別試驗研究；故障樹分析法；液壓缸內泄漏特定故障模式[7]。

2.4 搭建考評系統

在模擬仿真教學軟件的基礎上增加考評系統，構建“實模結合—數據融通—量化評估—即時反饋”的考核方式。教師可利用軟件考評系統組織模擬考核，并通過系統收集學員成績，隨時掌握學員技能水平，為改進訓練方法提供可靠依據。

該技術的開發需要工程師與一線教學人員進行密切配合，對操作步驟進行逐項分解，并確定分值。

2.5 軟件結構

圖1為農用機械液壓傳動系統模擬仿真軟件結構圖。

圖1 軟件結構圖

3 結語

模擬仿真技術可以在課堂上充分刺激學員的視覺、聽覺等感官,切實有效地幫助學員提高農用機械液壓傳動系統零部件拆裝調整、整車故障診斷等基本技能。有效解決了傳統農用機械液壓維修教學中存在的實訓場地面積大、耗費人力、培訓人數少等一系列問題。在未來模擬仿真技術一定會充分發揮其作用，在更多領域的教學活動中不斷發展壯大。