“人机料法环”五位一体的工程机械性能实验教材建设方案

张泽宇，耿 麒*，许仕伟

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 陕西 西安 710064）

目前的工程机械实验教材以设备为主，或采用虚拟仿真教学方式，较少考虑人机交互、施工工法、作业对象以及环境工况等因素，导致教学效果不佳、难以与新工科背景下卓越人才的培养目标相匹配。针对以上问题，以工程机械为对象，按照动力源-传动系统-牵引与作业机构的功率流开展完整传动链的性能实验，进一步结合人员操作、作业对象、工艺参数、环境工况等因素，开展工程机械地面力学性能实验，构建“人机料法环”五位一体的创新实验教材体系。

1 工程机械性能实验教材结构

该课程根据工程机械性能传动链分布展开，即：动力源性能实验、关键传动零部件性能实验、关键执行机构性能实验、执行对象性能实验四个模块；进一步充分考虑到工艺工法、作业对象以及环境工况等因素，形成“人机料法环”五位一体的创新实验教材体系，如图1 所示。

图1 “人机料法环”五位一体的实验教材体系

2 工程机械人机互动的性能实验

人机互动实验主要包括工程机械发动机与传动系统性能实验、工程机械牵引性能实验、工程机械典型作业性能实验等。从动力源-传动系统-牵引与作业机构开展完整传动链的性能实验。

2.1 发动机与传动系统性能实验

2.1.1 工程机械发动机性能理论与实验

工程机械发动机性能理论与实验中的理论部分，先阐述柴油发动机的结构、基本原理等，进而讲解发动机的性能指标，为后续的实验奠定理论基础。

发动机性能实验使用的仪器主要有测功机和传感器。发动机速度特性实验是在油门开度相同的条件下，测定不同转速下的扭矩、燃油消耗率等；负荷特性实验是在发动机转速恒定的条件下，测定不同扭矩下的油耗量与油耗率等；万有特性实验是在发动机转速、负荷、燃油供给量等确定的工况参数下进行，采集发动机转速、扭矩输出、燃油消耗率、排放物浓度等多项指标。

发动机性能实验可以让学生掌握柴油发动机功率、转矩、燃油消耗量等性能指标的测试原理和方法，更加深入地了解柴油发动机的工作原理。

2.1.2 工程机械传动系统性能理论与实验

发动机的功率主要通过传动系统传递，以典型的发动机-变矩器-变速箱传动链为例，开展液力变矩器与变速箱的传动系统台架实验。

液力变矩器台架实验主要分为负载测试与效率测试。负载测试是记录和分析液力变矩器在不同负载下的输出扭矩、转速和功率。效率测试实验旨在评估液力变矩器的传动效率和效能。

变速箱台架实验主要进行换挡测试与转速和负载测试，其中，换挡测试实验用于评估变速箱的换挡质量。在转速和负载测试中用于检查变速箱在不同转速和负载下的工作可靠性。

2.2 工程机械牵引性能与滚动阻力实验

工程机械牵引性能与滚动阻力实验主要用于评估车辆的行驶性能表现，行走方式划分为轮式和履带式工程车辆，本课程主要讲解工程车辆的功率平衡与牵引力平衡理论，其平衡构架如图2 所示。根据功率平衡方程得出发动机输入传动系统的功率流，进而确定工程车辆传动系统的阻力与牵引力；计算车辆的牵引特性时，通常采用有效牵引力计算；最后根据有效牵引力研究车轮滑转率、牵引效率与生产率之间的关系，为工程车辆的牵引性能实验和滚动阻力实验提供理论基础。

图2 工程车辆功率平衡及牵引力平衡架构

工程机械牵引性能实验主要使用五轮仪、传感器等实验设备。轮式、履带式工程车辆在不同负载和不同车速的工况下，测试发动机的转速、实际行驶速度、理论行驶速度以及牵引力等性能指标。根据工程车辆的牵引力平衡可计算出被测车辆的滑转率、牵引功率和牵引效率值等，并绘制出牵引特性曲线。

工程机械滚动阻力实验所采用的设备与牵引性能实验大致相同，但滚动阻力实验中需加入轮胎气压表，分别测定充气橡胶轮胎在不同充气压力条件下、不同行驶速度下的滚动阻力，计算相应的滚动阻力系数。

2.3 工程机械典型作业性能实验

工程机械典型作业性能实验，主要包括振动性能实验、搅拌机均匀性能实验、工程机械噪声测试、工程机械环保排放测试等。

工程机械振动性能实验以振动压路机为例，开展其振动作业与减振性能实验。搅拌机均匀性能实验的主要实验材料是沥青、水泥等混合料，按照特定配比进行预定时间的搅拌，搅拌完成后进行取样分析，评估搅拌机的均匀性能。工程机械噪声测试主要使用声级计、高空杆等实验设备，依据《土方机械声功率级的测定动态试验条件》中的实验方法，采集噪声圆6 个点位的噪声数据，根据测量结果和相关的噪声标准，评估工程机械的噪声水平是否符合要求。工程机械环保排放测试主要使用不透光烟度计、抽气泵等实验仪器，在不同工作状态下，进行排放物的取样和测量，评估和监测工程机械在运行过程中排放物的数量和质量，以确保其符合相关的环境保护标准。

工程机械典型作业性能实验旨在评估和监测工程机械的性能或特性，以确保其符合相关的标准和要求。

3 “料法环”实验课程反馈体系

“料”指物料，是工程机械的作业对象，“法”指工艺工法，“环”指环境工况。“料法环”三者之间不仅存在联系，还会在不同的工程机械中与“人机”产生影响。

以黄土压实作业为例，首先，物料受到环境工况的影响，含水率、干湿容重等环境工况的变化会直接影响黄土的力学性能。在地面力学实验中，模拟或控制相应的环境工况，通过实验结果的反馈，可以优化工艺工法，以适应不同的环境工况。

“人机”互动实验是开展“料法环”实验的基础，同时，“料法环”实验为“人机”实验提供必要的数据和指导，从而形成了从人到设备再到作业对象的闭环课程反馈体系。

依据“人机料法环”课程反馈体系，在工程机械人机性能实验的基础上，开展工程机械地面力学性能实验，主要包括土壤干容重/湿容重实验、土壤剪切性能实验、土壤击实性能实验、土壤固/液塑限实验。这四个实验相互补充，共同为工程机械的操作和施工提供了必要的土壤力学性质数据和指导。

4 结语

本文提出了“人机料法环”五位一体的创新实验教材体系，以工程机械为对象，以“人机”实验为基础，结合“料法环”实验展开，得到以下结论：

①在“人机”实验方面，按照动力源-传动系统-牵引与作业机构的功率流，开展工程机械发动机与传动系统性能实验、牵引性能实验、典型作业性能实验，形成了完整传动链的性能实验。

②与“料法环”实验相结合，通过改变作业对象的基本特性、工艺参数、环境工况等，开展工程机械地面力学性能实验，形成了从人到设备再到作业对象完整的闭环教材体系，为新工科背景下的实验课程体系建设提供了借鉴。