新工科背景下液压传动系统课程教学实践探索

杨梅生

(安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243002)

液压传动技术深入地应用于工程机械、航空航天、深海探测及军工装备等多个领域，当前，随着电力电子、低功耗电路及远程通信技术的不断技术迭代，液压传动技术得到了日新月异的发展[1]。“液压传动系统”是机械专业非常重要的一门专业课，课程的实践性强，需要在教学过程中对基础理论、工作原理、设计计算及实验操作等做细致周密的安排，以切实培养学生的理论知识，提升学生的动手实践能力[2]。随着高速计算机、物联网、互联网、人工智能等先进技术的快速发展，“新工科”对传统的工科教学理论和实践活动进行了结构优化和提高。

一、新工科对液压传动系统课程教学的要求

首先，新工科的“新”体现在工程教育须具有新理念。新工科背景下，教师应不断形成新的教学理念，加强多学科知识和能力的融会贯通，提升所学知识解决真实世界复杂工程问题的综合能力。

其次，新工科背景下，液压传动系统课程教学需要新知识。液压传动系统新技术的不断涌现，需要教师不断更新知识来丰富课程教学。比如3D打印增材制造技术、先进激光加工技术等新的加工制造方法，要求工程师在设计中考虑多重因素，使得设计制造在成本、周期及工艺上更为合理。这些实际案例需要教师在日常的教学工作中将这些新知识引入到课堂中，充实教学内容。

再次，新工科背景下，液压传动系统课程教学需要新策略。液压传动系统作为一门专业课程，理论比较抽象，液压回路和系统繁杂，学生学习的主动性较低，因而，教师需探索新的教学策略，如通过提出企业实际面临的技术问题、结合当前新技术指导学生主动学习。

二、液压传动系统课程教学现状

液压传动系统作为一门专业性很强的工科课程主要面向大四学生开设。学生在前三年的本科学习过程中，掌握了部分专业基础课知识，如机械制图、材料力学、流体力学等，为该门课程的学习打下了一定的理论基础。

随着新工科建设的推进，液压传动系统课程教学内容逐步扩展，主要包括液压系统基本回路、典型液压系统和液压系统设计计算等方面内容。在整个教学过程中，要求学生对这几个主要部分的内容融会贯通，会分析液压系统、处理相关的液压工程问题。而要达到这些要求，以目前32个课时(其中4个课时为实验课)是难以做到的。

三、教学实践探索

(一)更新教学理念

近年来，先进控制理论、故障诊断、寿命预测技术的迅速发展，促使很多传统的液压传动技术发生了很大程度上的改进或完善。以往的教学中，并没有将新兴的液压传动技术引入课程，学生难以接触到较为前沿的学科技术。从某种意义上而言，学生学习到的理论知识已与前沿学科技术脱节。因而，在课程教学改革中，有必要对课程教学内容做出调整，增强多学科交叉融合知识的教学，以适应新工科培养学生探索液压传动系统新技术的要求。

在更新教学理念的过程中，要坚持开放包容的态度。新工科不能因为“新”就抛弃了传统知识，应在传统工科知识教学的基础上，吸纳“新”的工科知识。比如传统的液压传动系统课程教学中，通常重点介绍液压比例系统和液压伺服系统，这两种系统通过几十年的发展，技术日趋成熟，控制精度高。然而，同时也存在着一些技术弊端，如耐污染性能低，结构复杂可靠性低及调试周期长，系统性能在很大程度上依赖液压比例阀和液压伺服阀等核心控制元件，如果核心控制元件产生故障，则整个系统就会停机，难以继续工作，严重影响着工程实际现场。目前，针对比例液压技术和伺服液压技术，学术界和产业界正在积极研发和应用数字液压技术。相比于传统的比例技术和伺服技术而言，数字液压技术对核心元件的依赖度较低，通过多个数字液压阀的并联回路，对液压系统进行有效的精确控制。如果这种传动系统中的某一个或某几个数字液压阀产生了电气、机械或密封故障，则可以通过调整其他数字液压阀控制信号来进行实时的在线调整，以保证系统流量或压力达到所需要求。由于传统的液压技术是通过电流或电压模拟信号对流量或压力进行控制，而数字液压技术是通过数字阀的开启或关闭状态、数字化控制压力或流量，因而，在系统控制的学习中，可以引导学生对传统的液压系统和新兴的数字液压系统从控制硬件、控制编程方法等进行辨别。综上，在液压传动系统的课程教学中，可以重点引入这种新兴的数字液压技术，从技术产生背景、技术原理、技术实施细节及技术发展前沿，分层次、分结构地向学生由浅入深介绍。这样就和工程实践现场技术不会脱节，紧跟时代新兴技术。

在对液压传动系统进行设计计算讲解的过程中，可以引导学生对其他学科的知识点进行串联学习。比如有的工业机器人采用液压和气动两种系统混合而成的设备，在介绍这种设备时，可以引导学生对气压传动的相关知识点进行回顾学习。比如在一台机器人系统中，机械手可能会有多种工况，如轻载、中载和重载，在轻载时，可以使用气压传动，在中载和重载时，可以采用液压传动系统。对这一部分的讲解中，就需要结合两种传动系统的优缺点、系统成本、系统可靠性等多方面进行比较。通过这样对教学内容的调整改进，不但可以使学生掌握既有的液压传动系统的知识，也可以帮助学生巩固气压传动的相关知识，也可以使学生触类旁通。

(二)扩展课程内容

为了扩展学生的知识面，在教学过程中，还可以引入水液压传动系统的知识。传统的液压传动系统，指的是油液压传动系统，而工程实际现场也有水作为工作介质的水液压传动系统。在引导学生进行这一部分学习中可以将这两种工作介质的传动系统进行类比，从介质特性、负载情况、核心元件等多层面进行疏导讲解，帮助学生了解更多的技术实际情况。

在扩展课程教学内容的过程中，应兼顾基础性、系统性、连贯性等特点。具体而言，保留“液压基本回路”及“液压系统设计计算”等基础性课程章节，将以往教学内容中的“典型液压系统”中的部分章节如“冶炼设备液压系统”、“连铸设备液压控制系统”及“带钢热连轧液压传动系统”进行删减，并增加“负载敏感液压系统分析”、“步行式液压控制系统分析”及“负载口独立控制系统分析”等前沿技术的教学讲解，以促使学生接触学习到较为先进的工程技术，开阔眼界，充实其技术储备。

(三) 探索教学新策略

新工科背景下的课程教学设计要体现工程性和前沿性，要紧跟时代发展的需求。教师要给学生讲解液压传动领域的真实问题和探索性问题，只有这些实际问题才能激发和维持学生的学习热情，锻炼学生用理论知识解决实际工程问题的能力。

液压传动系统课程教学需要结合具体的工程实际问题。实际中的液压项目，是一个动态进行的工程。传统的教学中，教师通过板书和PPT课件给学生呈现的通常是一个静态的理论计算过程和工作原理分析。且理论计算和工作过程分析在某一个工况条件变化时，将会发生较大的变动，而课堂时间是十分有限的，教师和学生无法对多种工况进行详细的推理、计算。

随着高速计算机性能的提升，多种液压仿真软件的普遍应用，虚拟样机技术为该门课程的教学提供了另一条思路[3]。虚拟样机技术是利用虚拟样机代替真实的物理样机，对其各种性能进行多项测试和综合评价。由于虚拟样机技术在时间成本、项目运维、辅助设计等方面具有较大优势，在实际的工程项目中，发挥着越来越重要的作用[4]。

高性能计算机上利用仿真软件建立的数学模型可以进行实际工程的多种模拟。在教学过程中，可以倡导学生学习多种仿真软件，如Matlab/Simulink和Amesim进行联合仿真，对液压传动系统进行仿真模拟。这些软件通常基于底层语言，给使用者提供图形化编程途径，用户界面良好，学生接受程度较高。在应用这些软件过程中，可以得到多种过程数据和结果数据，使学生在获取过程变化曲线后，可以直观观察整个工作过程，对学生理解液压传动系统的工作原理、参数变化及系统结构优化有着较为明显的优势。此外，如果液压传动系统较为复杂，或需要对系统进行较多的优化探索，可以引导学生进行多种物理场软件的联合仿真学习。如利用Amesim和Ansoft软件中的Maxwell模块进行联合仿真，通过在Maxwell中仿真得到的电磁场中的电磁力、磁场强度等数据和Amesim中的阀的接口进行数据交换，可以帮助学生理解电磁阀由电信号转换为磁信号、再转为力信号，最终转换为阀口位移信号，推动阀内部流场的整个过程。

虚拟样机技术的介入和仿真软件提供的多种便利，使液压传动系统课程教学变得更加生动具体，也更加便于学生对课程的理解和领会。仿真技术的可修改性和可重构性，也为学生自由创造提供了空间，提高了学生的学习积极性。

在实验课程教学中，引导学生动手搭建多种形式的液压系统回路，如在进行调速回路的实验课程教学中，安排学生进行进口节流调速回路、出口节流调速回路及旁路节流调速回路的实验回路搭建，并测试其多项参数。学生通过亲手操作，深刻理解各种节流调速回路的优缺点和工作特性，增强了实际动手能力。

除了以上教学方法的改进之外，教师还可以通过构建完整的、系统化的课程知识体系来提高教学效果。液压传动系统这门课程主要涉及到两大板块，一个是液压核心基础件，比如液压泵、电液阀、液压缸及液压马达等，另一个是由这些液压核心基础件组建而成的液压传动及控制系统。首先，在接触到液压核心元件知识点时，学生需要熟练掌握流体力学、材料力学、理论力学、电磁场等理论知识；在学习液压传动系统时，学生需要掌握控制算法理论、能量守恒定律、运动学及动力学等。教师需要积极帮助学生构建完整的、系统的知识体系，将大学物理、电动电子实习及机电控制系统等课程加以归纳总结，使学生能够掌握常用液压元件的基础工作原理，能够通过查阅设计手册，进行核心基础元件的基本设计和计算及校核。在进行液压传动系统的学习过程中，要能够清晰地分析出整个工作周期的工况，对执行元件进行必要的运动学和动力学分析，要通过查阅相关的设计手册和产品样本，进行初步的、合理的元件选型。在对液压系统进行控制的过程中，要初步掌握控制程序的编写方法，了解并掌握控制软件(如PLC、LABVIEW等)的程序算法。只有通过对液压核心基础元件和液压传动系统涉及到的多学科、多层次的知识的系统构建，才能较为合理地设计计算出液压元件和液压系统，掌握液压传动系统的课程实质内容。

四、结语

液压传动系统是一门典型的且十分重要的机械专业课程。随着多种工程学科及信息学科的迅速发展，传统的教学在课程内容、教学方法等方面难以适应新工科建设的需求。教师应不断更新教学理念，扩展课程的新知识，发展教学新策略，提升学生的课堂学习兴趣，开阔学生的眼界，培养学生创新能力、实践能力、工程能力，提高人才的培养质量。