FluidSIM仿真在《液压与气动技术》课程中的应用与实践

苗炜丽 琚爱云 杜明才

摘要：《液压与气动技术》课程以往都是采用理论与实训相结合的教学模式，学生在实训中出现液压（气压）控制回路与电气控制线路连接错误及系统工作不协调的问题概率较高。本文基于FluidSIM仿真软件实现课程虚拟仿真实验教学，通过分析课程现状及FluidSIM仿真的优势，重点研究FluidSIM仿真在搭建液压（气压）控制回路中的应用与实践，加强学生对理论知识的理解，提升学生的实训能力及综合应用能力。

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.

关键词：FluidSIM仿真;液压;气压;应用;实践

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

中圖分类号：G712                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0247-04

0  引言

在我国职业教育大力发展与“互联网+”的大背景下[1]，教学方式和手段日益丰富，如何更好地将其融入到课程教学中显得尤为重要。《液压与气动技术》课程的传统教学采用先理论后实训的的教学模式，学生在实训过程中出现液压（气压）控制回路与电气控制线路连接错误及系统工作不协调的问题概率较高。本文基于FluidSIM软件实现虚拟仿真实验教学，让学生在实训任务前完成液压（气压）控制回路的仿真，建立“先理论，后仿真，再实训”的教学模式，在一定程度上提升学生的学习积极性，同时也可以有效规避纯实训过程中出现的问题，更大程度上加深学生对知识的理解，提高学生的实践动手能力。

1  课程现状分析

《液压与气动技术》课程是高职数控技术、模具设计与制造等机电类专业的一门重要的专业必修核心课程，也是专业性和实践性较强的一门综合性课程。以往的课程教学存在以下问题：

①理论化教学模式占据较大比重。教师仍以多媒体教学为主[2]，理论性要求较高，比如介绍液压泵、液压控制阀、液压辅助装置等知识点时，虽然课堂中加入了视频、动画的方式帮助学生针对相关知识点进行直观理解，但由于欠缺对实物及系统的实际操作，学生对知识点的理解仍存在盲区。同时，过分强调理论知识点会让学生产生厌学情绪，事倍功半。

②学生缺乏实际操作的机会，动手能力差，实践能力弱。以往教学理论讲解占比较重，比如液压泵、液压控制阀等元器件的拆装，液压系统的运行等，纯理论讲解显得很苍白，学生动手实际参与的机会很少，导致学生理论与实践相脱节，实际动手能力较差，工程实践技能匮乏[3]。

根据我院以培养高素质和高技能型人才为目标的办学宗旨，以及《液压与气动技术》的教学大纲与教学要求，结合我院学生的实际情况及实训设备情况，在《液压与气动技术》课程中采用FluidSIM仿真实验教学与实训相结合很有必要。

2  FluidSIM软件概述

2.1 FluidSIM软件简介

FluidSIM软件是用于液压与气动技术的教学软件，由Paderborn大学、Festo Didactic GmbH & Co和Art Systems Software GmbH，Paderborn联合开发研制。FluidSIM软件符合DIN电气—液压回路图绘制标准，且可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，这样就使回路图绘制和相应液压系统仿真相一致[4]。该软件分为FluidSIM-H液压仿真和FluidSIM-P气动仿真两个模块，它是一款集机电液一体化的综合学科软件，不仅具有强大的仿真功能而且还自带丰富的学习库[5]。

2.2 FluidSIM软件优势

FluidSIM软件不仅可以创建液压回路图，也可以创建电气回路图，而且可以通过标签建立电气元件与液压元件之间的联系，使二者融为一体。仿真时可以自动检测回路连接中的错误，提醒学生进行修改。仿真模式有连续仿真和单步仿真，学生可以通过连续仿真查看系统运行状态，通过单步仿真可以查看每个动作过程中每个元件的实时运行状态。而且可以通过添加状态图可以实时查看仿真过程中每个元件的主要运行参数比如压力、速度、位置、流量等的变化，便于学生深刻理解每个元件的工作状态及系统运行原理。

在传统的先理论后实训的基础上引入FluidSIM仿真实验环节，形成“先理论，后仿真，再实训”的教学模式。学生可以通过FluidSIM仿真软件对液压（气压）控制回路进行搭建和仿真，快速实现自己的设计思路和理念，通过多媒体可以展示和表达自己的想法，展现创新和特色，树立自信;通过仿真结果检验所搭建回路的正确性并分析控制系统的动态特性，依托实训平台对搭建的液压（气压）控制回路进行实际操作，有效规避纯实训过程中可能出现的管路错误以及电气回路与液压（气压）回路的不协同工作的问题，提高实训的成功率。

3  FluidSIM仿真在课程中的应用与实践

根据高职《液压与气动技术》课程的教学大纲和教学要求，结合本院实训设备——THPYC-1A液压传动与PLC实训装置建立本课程的实训指导书，共分为15个实训项目，如表1所示。

在15个实训项目中实训项目一是实训设备操作与安全方面的介绍，实训项目二是液压系统的演示，教师通过系统的操作演示让学生对液压技术建立初步认知，实训项目三与实训项目四分别是齿轮泵与叶片泵的拆装，实训项目十五是气动实验演示，由教师先演示，后由学生自行完成，故学生需完成剩余10个实训项目的FluidSIM仿真任务。实训项目六是双活塞杆液压缸的特性实验，由于实训室不具备相应的实训条件，只能进行FluidSIM仿真。故学生需完成除实訓项目一、实训项目二、实训项目六以外的12个实训项目的实际操作任务。由此可以看出通过FluidSIM仿真就可以克服实训室液压（气压）元器件不足的缺点，让学生通过仿真来模拟真实的实训并实现该特性实验。

以实训项目十二换向回路实验为例分析FluidSIM仿真回路的搭建。换向回路实验采用行程开关控制的自动往复运动回路，如图1所示。在搭建液压仿真回路时，通过在液压缸上使用标尺8，来准确定位行程开关SQ1与SQ2。通过标尺8来定义行程开关SQ2的位置为200mm，行程开关SQ1的位置为50mm。

3.1 采用三位四通换向阀的换向回路搭建

本回路采用三位四通换向阀的换向回路进行仿真回路的搭建，换向阀采用中位机能为O型，P、A、B、T四个油口全部封闭时，液压泵不卸荷，可实现系统保压。

3.2 仿真回路采用元件列表

搭建仿真回路所采用的液压与电气元件如表2所示。

3.3 电气原理图设计

根据仿真回路，结合THPYC-1A液压传动与PLC实训装置，学生设计出与仿真回路相匹配的电气控制原理图，如图2所示。

3.4 回路原理描述

回路中，系统压力由直动式溢流阀3进行调节控制。当按下SB2按钮，中间继电器KZ1线圈通电，KZ1常开触点闭合实现自锁，三位四通电磁换向阀4的线圈Z1通电，换向阀4右位工作，此时油口P、A连通，油口B、T连通，液压缸5左缸进油，右缸回油，活塞杆向右运动。当活塞杆右行200mm触碰到行程开关SQ2时，SQ2常开触点闭合，中间继电器KZ2线圈通电，KZ2常闭触点断开，Z1失电;KZ2常开触点闭合实现自锁，三位四通电磁换向阀4的线圈Z2通电，换向阀4左位工作，此时油口P、B连通，油口A、T连通，液压缸5右缸进油，左缸回油，活塞杆向左运动。当活塞杆左行至50mm处触碰到行程开关SQ1时，SQ1常开触点闭合，中间继电器KZ3线圈通电，KZ3常开触点闭合实现自锁，中间继电器KZ4线圈通电，KZ4常闭触点断开，Z2失电;KZ4常开触点闭合，中间继电器KZ1线圈通电，KZ1常开触点闭合实现自锁，三位四通电磁换向阀4的线圈Z1通电，换向阀4右位工作，此时油口P、A连通，油口B、T连通，液压缸5左缸进油，右缸回油，活塞杆向右运动。周而复始进行自动往复运动，当按下SB1按钮时，系统控制回路断开，液压缸停止工作。

3.5 回路仿真图

启动仿真，按下SB2时，三位四通电磁换向阀4的线圈Z1得电，无杆腔进油，有杆腔回油，液压缸5活塞杆向右运动，如图3所示，活塞杆运动速度为0.17m/s，系统压力如压力表显示值为4.93MPa。当活塞杆右行触碰到行程开关SQ2时，Z1断电，Z2得电，有杆腔进油，无杆腔回油，液压缸5活塞杆开始向左运动，如图4所示，活塞杆运动速度为0.27m/s，系统压力如压力表显示值为14.51MPa。当活塞杆左行触碰到行程开关SQ1时，Z2断电，Z1得电，无杆腔进油，有杆腔回油，液压缸5活塞杆开始向右运动，如图5所示。重复进行以上过程。

由此可以看出，有杆腔进油时活塞杆的运动速度比无杆腔进油时要高，系统压力比无杆腔进油时也要高，通过仿真实验验证了理论知识。学生可以直观地观察到液压缸活塞杆的运动参数从而理解系统回路的工作原理。

3.6 元件状态图

在启动仿真前，可以在状态图中添加液压缸5。启动仿真后，点击按钮开关SB2得到液压缸5的状态图，如图6所示，横轴代表时间（s），纵轴代表位移（mm）。

通过图5液压缸的位移曲线图，可以分析出液压缸5的最大行程为200mm，即行程开关SQ2的位置。Z1得电时，液压缸活塞杆向右运动不断伸出，达到最大行程200mm处就会触碰行程开关SQ2，使Z1断电，Z2得电，液压缸活塞杆向左运动不断退回，行程逐渐缩小至50mm处就会触碰行程开关SQ1，使Z2断电，Z1得电，液压缸活塞杆向右运动不断伸出，达到最大行程200mm，周而复始此过程。通过图5的曲线也可以分析出活塞杆退回时的曲线斜率较活塞杆伸出时的曲线斜率大，从而证明活塞杆退回时的运动速度较活塞杆伸出时要快，更加验证仿真过程中速度值的变化规律。

3.7 回路的特点及应用

采用行程开关控制的自动往复运动回路换向位置准确，动作可靠，并且容易调整行程大小。但采用电磁换向阀的换向时间短，会产生换向冲击，因而适用于小流量、换向频率较低的场合。

通过在课程中应用FluidSIM仿真实验环节，很大程度上加深了学生对回路原理的理解，多数学生都能一次性完成实训回路与电气控制线路的连接，成功率较高，学生的积极性和主动性有所提高。随着对系统回路及实训设备的熟悉，在保证成功率的前提下还能提高时间效率。

4  结语

采用FluidSIM仿真与实训相结合形成“先理论，后仿真，再实训”的教学模式，通过FluidSIM仿真模拟液压（气压）控制回路的连接和运行与实际搭建液压（气压）控制回路相结合，于学生而言，激发了学生的学习积极性和主动性，让学习过程变得更灵活，比如学生可以通过仿真与实训相结合实现与液压元器件的零距离接触，搭建系统、拆装元器件、运行系统，全方位地加强学生的理论基础和实际动手能力，提升学生的职业素质和能力，为学生顶岗实习和就业打下坚实的基础。

参考文献：

[1]朱节宏，谢述双，卢运娇.高职机电类专业基础课程翻转课堂教学模式改革实践——以“液压传动”课程为例[J].广西教育，2019（39）：71-74.

[2]赵霞，张志鹏.基于AHK模式下《液压与气动技术》课程的改革探索[J].内燃机与配件，2020（18）：247-248.

[3]周海燕，李海霞，程巧军.《液压与气压传动》项目课程的改革研究与实践[J].内燃机与配件，2020（16）：239-240.

[4]段彩云，石磊.液压与气动技术[M].北京：北京出版社，2014：213.

[5]李现友.FluidSIM在液压与气动技术综合实训中的应用[J]. 包头职业技术学院学报，2013，14（04）：73-76.