液压传动系统设计与空化优化虚拟仿真实验教学体系构建

王 健 赵振江 宋向前 万 浩 李 杨

（泰州学院 机电工程学院，泰州 225300）

随着全球智能化的快速发展，我国实施了“中国教育现代化2035”“创新驱动发展”“中国制造2025”等一系列重大战略，推动我国制造业由“中国制造”向“中国智造”转型升级[1-2]。液压传动系统作为机电设备中的关键传动部件，其性能的优劣直接影响设备的运行，而空化现象会极大地影响系统运行的效率及稳定性[3]。因此，培养能够掌握液压传动系统设计并能够针对空化问题进行诊断和优化设计的综合应用型人才迫在眉睫[4]。但是，目前液压传动课程及其课程设计大多采用理论加实验验证的方法授课，与行业实际脱离较远。学生对知识点的掌握仍处于一知半解的状态[5]。

文章基于“能实不虚、虚实结合”的原则，依托典型数控加工中心，设计液压传动系统开展空化故障的诊断与优化的虚拟仿真实验，以期拓宽液压传动课程的深度与广度，增强学生工程实践能力与解决复杂工程问题能力，同时树立严谨的科学态度与工匠精神，培养具备高水平的综合应用型机械工程专业人才。

1 液压传动系统设计与空化优化虚拟仿真实验的必要性

1.1 实验设备投入大

数控加工中心实验台占地面积大、价格昂贵，运行过程中机、电、液、气资源耗费巨大，且拆装困难，后期维护成本较高。受资金和场地的限制，仅可通过演示或分组进行的方式开展实验教学，且大多液压传动实验仅能开展验证性和基础性的综合设计性试验，与实际工程问题脱离较远，导致学生缺乏兴趣、参与度不高、实践效果较差，无法满足人才培养的需求。因此，开展基于典型数控加工中心的液压传动系统设计虚拟仿真实验，是调动学生参与实验的积极性和主动性、提高课程教学质量的必然举措。

1.2 空化实验难度大

设计的虚拟仿真实验旨在训练学生在开展典型数控加工中心液压传动系统的设计过程中贯穿融入空化现象的诊断和优化设计理念，培养学生的创新意识与辩证思维，是一种综合的设计探索型实验。但是，由于空化现象发生在液压传动系统元件与管路内部，实验时学生无法直接观测到气泡发生的位置与结构形态，无法直观地观测空化发生时空泡的初生、发展以及溃灭的非定常动态过程，难以对不同液压部件采取针对性的优化措施，且实验过程会对液压元件造成不可逆的材料损伤[6]。

2 虚拟仿真实验设计

2.1 实验体系

实验教学过程基于“以学生为中心”的原则，以组合机床动力滑台液压系统设计及空化优化为最终目标，以任务驱动式教学方法为主导，辅以探究法、观察法、比较法等实验教学方法，强调培养学生自主学习的能力，制定了“一贯通，三递进”的实验教学体系，将工匠精神的培养贯穿于基础层、设计层与创新层3 个实验阶段。基础层包括实验所需知识的回顾与储备、实验项目的行业背景、液压与气压元件的认知。设计层包括液压系统的工况分析与计算、元件的参数计算与选择、基本回路的选择与合成、系统性能的验算。创新层包括空化问题的诊断与优化、空化技术的应用与发展。实验阶段层层递进，由浅入深，将课本知识与生产实际深度融合，充分锻炼学生解决困难工程问题的能力，达到培养高素质应用型专业人才的目的。实验实施过程与实验方法如图1 所示。

图1 实验实施过程与实验方法

2.2 教学方法

2.2.1 任务驱动式教学方法

实验以任务驱动式教学方法为主线，贯通实验项目的全过程。通过客户订单发布的模式，营造真实的商业场景，激发学生运用所学知识完成订单任务的兴趣，驱动学生依序完成各实验模块，实现液压系统设计与空化诊断优化虚拟仿真实验的实验教学目标。

2.2.2 自主学习与自主设计教学方法

实验立足“以学生为中心”的原则，使学生通过线上自主学习了解实验工程背景、实验目的以及实验流程，知晓实验运行条件与操作方法，回顾复习液压系统设计前后关联知识点，最终依据自学考核成绩判定是否能够进入下一实验模块。自主设计教学方法主要应用于实验第二阶段，学生将根据互动提示与要求自主完成液压系统设计任务，锻炼学生掌握有效的学习方法，树立自主学习和终身学习的意识，培养发现问题与解决问题的能力，从而具有不断学习和适应发展的能力。

2.2.3 比较式教学方法

该教学方法主要应用于组合机床液压系统设计阶段。学生需要通过比较不同的液压回路实现任务设计的需求，并对各功能回路进行整合、归并、整理，比较评判不同方案的优劣，在满足要求的情况下以回路精简、工作安全可靠、节省能源以及调整维护方便为目标进行优化，使学生在对比过程中掌握优化设计的原理，树立持续改进的意识。

2.2.4 观察式教学方法

实验项目在第三阶段采用观察式教学方法，需要学生对初步设计完成的组合机床液压系统进行观察诊断，根据系统工作压力与噪声的异常判定是否发生空化现象，并采用正确的测试方法判定发生位置，培养学生发现问题与解决问题的能力。

2.2.5 探究式教学方法

探究式教学方法同样应用于第三阶段。学生将根据诊断结果针对性地开展故障排除或液压元件结构优化设计任务，充分调动学生的积极性和主动性，使学生在探索中构建理论知识体系，培养学生的应用实践能力和创新思维。

2.2.6 归纳式教学方法

实验第四阶段采用归纳式教学方法，让学生对生成的组合机床仿真模型进行实验测量，记录数据并整理归纳，最终形成完整的设计说明书。

2.3 能力培养

2.3.1 探究液压泵安装高度对空化性能的影响规律

为了考查学生对伯努利方程、真空度知识的掌握程度，设置液压泵安装高度对空化性能影响的探索实验环节，培养学生通过实验结果分析获得规律的能力。学生通过自由调节油箱内的油液高度进行仿真，随后根据仿真结果分析油液高度与液压泵进口真空度的对应关系，总结归纳液压泵一般允许的最高真空度。

2.3.2 探究阀口开度、阀芯和阀座结构对空化性能的影响规律

调速阀、换向阀等阀类零件是空化现象的“重灾区”。阀座与阀芯构成的阀口通道狭窄导致油液流速升高、压力降低，极易引发空化。为了让学生掌握阀类零件的空化性能优化对策，利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟数据真实还原空化过程。学生可以搭配不同结构的阀座和阀芯组合，再通过调节阀口开度观察流道内的空泡发展情况，分析影响调速阀空化性能的关键因素并总结规律。不同阀座和阀芯结构组合在相同阀口开度时的CFD 空化流场仿真示意图，如图2 所示。学生可以通过图2 中空泡区域的大小总结归纳调速阀的空化性能优化思路。

图2 不同阀芯和阀座组合调速阀空化流场数值模拟结果

3 结语

针对传统液压传动系统设计的问题，设计了一种基于CFD 数值模拟方法的虚拟仿真实验设计思路，采用分层递进的实验体系，将课程思政元素贯穿始终，以液压系统的空化问题为落脚点与生产实际相结合，以期培养学生的学习积极性和应用实践能力。在枯燥的公式计算中穿插问题的提出，循序渐进引导学生进行归纳，总结可行的液压系统空化性能诊断和优化对策。这样不但能够全方位拓宽学生的专业视野，锻炼学生的工程实践能力与创新意识，还能够潜移默化地利用不同交互方式培养学生的工匠精神与职业素养，帮助其树立严谨的科学态度。