液压与气动技术课程仿真实验教学研究与实践

贾斐 马洪波 叶俊杰

摘  要：针对液压与气动技术课程教学过程中，理论知识内容多，理解掌握难度大，学生缺乏直观和感性认识的问题，对液压与气动技术课程与实践相结合的仿真实验构建进行探讨和研究。通过结合科研项目成果，建立液压系统仿真模型，引导学生了解并掌握液压系统新发展和技术，增强学生对液压系统各组成元件的感性认识，激发学生的创新思维和科学探究的好奇心，从而实现理论和实践教学的有效结合，提升学生对理论知识的理解和应用，培养学生的专业实践能力。

关键词：液压与气动技术；仿真实验；实践教学；实践能力；创新性

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）33-0114-04

Abstract： In the course of Hydraulic and Pneumatic Technology， there are many issues， including mountains of theoretical knowledge which are difficult to understand and students are lack of intuitive and perceptual understanding of the course. This study focuses on establishing and discussing virtual simulation experiments in the course. By combining research projects， a hydraulic virtual simulation experimental platform is constructed and hydraulic system models are developed. Thus， students are guided to master the new technology of hydraulic system and enhance perceptual understanding of components in hydraulic system. Meanwhile， students' scientific inquiry and innovative thinking abilities are developed. Therefore， the effective combination of theoretical and practical teaching can improve professional practical ability of students and application of theoretical knowledge.

Keywords： Hydraulic and Pneumatic Technology; virtual simulation; practical teaching; practical ability; innovativeness

在高等教育的工科學生培养中，学生不仅仅要牢固掌握基础理论知识，还需具备一定的结合理论知识分析和解决工程实践问题的能力，这使得实验环节在课程教学中至关重要。通过实验环节，学生们不仅可将课堂理论知识融会贯通，还可进行实验设备操作，提升他们的实际动手、协作及学术探索能力。

一  研究背景

液压与气动技术在实际工程中应用广泛，从工程机械到机器人领域都可以找到其身影。液压与气动技术课程是机械类专业的专业基础课，通过该课程的学习，学生需掌握液压与气压传动系统的基本工作原理，并能够对典型液压系统进行分析和设计。该课程不仅涉及到流体力学知识，如伯努利方程和连续性方程等基础公式，而且还包括液压元件结构、系统内压力油流动状态、液压回路连接和油液污染控制等内容[1]，与工程实际联系紧密。因此，液压与气动技术课程内的实验教学是培养过程中的重要环节，可帮助培养学生分析问题、解决问题的能力和综合素质的提升。然而，目前在液压与气动技术课程的实验教学中依然存在实验内容与实际工程关联性低，学生的学习热情不高；实验设备有限，学生分批次进行实验，个人参与度相对较低；实验过程无法对液压元件和系统内的油液状态和故障等问题进行展示和观测；设备维护和运行成本高，且涉及高压力和高电压环境，无法满足学生开展探索性实验的要求；此外，实验教学内容未与校内较好和成熟的科研成果联系起来，限制了工程实践知识和前端技术融入课程。

近几年，虚拟仿真实验成为了课程实验教学中的重要发展方向[2]。借助虚拟仿真实验，复杂抽象的物理工作过程及原理以可视形象的内容得以展现，学生可不受时间和场地的限制，随时灵活选择内容进行实验操作，并可进行反复实验和验证，直观深刻的理解理论知识。

因此，可以结合虚拟仿真实验的特点，突破液压与气动技术课程传统实验的限制，提高课程教学效果。通过仿真实验不仅可有效展示液压系统基本回路和工作性能，加深学生对课程理论知识的理解，而且还可进行液压系统故障分析，丰富拓展理论教学，调动学生主观能动性，培养学生分析、设计和实践创新的综合能力，使学生可完成对液压系统实际复杂问题的仿真计算和分析。

目前针对液压与气动技术课程的仿真实验教学方面，已有许多相关的探索。惠相君[3]在液压与气动技术课程的课堂教学中引入了液体静压力、帕斯卡原理和连续性原理虚拟仿真模型，通过可视化的仿真数据，提高学生学习兴趣，使学生更加直观深刻地掌握理论知识，提升课堂教学质量。张啟晖等[4]在机械电子工程专业的液压与气动课程实践教学中运用AMESim软件和Python语言，引导学生设计减压阀结构并对其特性进行仿真分析，使学生在理解液压元件原理的同时掌握编程能力，提升学生的整体专业技能。李梦如等[5]通过JetBrains和Unity 3D软件建设液压虚拟仿真平台，结合液压元件拆装和液压基本回路虚拟仿真试验，让学生理解液压系统内部构造和回路工作原理。邓江洪等[6]建立了四大虚拟实验模块，让学生体会液压系统设计、元件选型和性能分析等过程，大大提高了液压课程教学质量和效果。杨秀萍等[7]采用Automation Studio开发虚拟仿真实验，编写仿真实验指导文件，不但可以直观定量地描述液压系统工作原理，还可以让学生根据仿真实验独立搭建液压系统并进行实验验证，提高学生动手实践和设计能力。

本文針对液压与气动技术课程实验教学目前存在的问题，结合传统实验内容和已有科研项目成果展开虚拟仿真实验开发，充分发挥学科优势和科研技术的前沿性和创新性，使得学生更好掌握液压系统基础知识，并获得新理论和新技术，利用工程实际问题加深学生对理论知识的理解和应用，提高学生综合专业实践能力。

二  液压与气动技术虚拟仿真实验教学建设

（一）  虚拟仿真实验方法与流程

AMESim是一款复杂系统的仿真分析软件，广泛应用于航空航天、车辆和工程机械等领域中，可对流体、传热、机械和控制等问题进行求解，还可对液压系统、动力传动和机电系统等进行优化分析[8]。软件有丰富的元件库和案例资源，可以帮助学生机动灵活地进行自学，使其快速掌握软件的实操技能。具体建模中，可根据液压系统工作原理从元件库中选择相应元件，进行草图模型的构建，并确定各元件位置，进行油路连接。之后利用子模型对各液压元件进行参数设置，结合系统运行工况和条件完成系统、元件或回路的仿真计算。具体仿真流程如图1所示。在进行虚拟仿真实验前，学生可通过课内实验和科研项目实验平台，对实验内容和要求有所认知，通过独立建立液压系统模型，完成仿真实验，并与实际实验结果对比验证，利于抽象理论知识的理解和分析、设计能力的培养。

图1  虚拟仿真实验实施流程图

（二）  虚拟仿真实验内容

1  实验建设框架

根据液压与气动技术课程教学大纲及内容，结合已有科研成果及平台，将液压虚拟仿真实验分为了基础课内虚拟仿真实验和特色虚拟仿真实验两个大类。在基础课内虚拟仿真实验中，包含了课内教学大纲要求的液压元件、液压回路和基础液压系统的仿真实验；在特色虚拟仿真实验中，开发了基于已有科研成果且与理论教学内容相关的仿真实验。根据实验开展情况的反馈，可不断完善实验内容，从而形成发挥学科和科研优势下的液压虚拟仿真实验体系，具体实验如图2所示。

图2  液压与气动技术虚拟仿真实验

2  基础虚拟仿真实验

1）液压元件虚拟仿真实验。液压元件虚拟仿真实验，主要包括液压系统动力元件液压泵、执行元件液压缸和控制元件方向控制阀等。首先，通过理论教学让学生了解并掌握各液压元件的结构组成及工作原理。随后，在理解元件工作原理基础上，通过AMESim软件建立元件仿真模型，设置元件参数，进行仿真实验。如液压缸的参数设置，其中涉及活塞和活塞杆直径，用以确定油液作用的有效截面面积。在对液压泵进行仿真实验时，还需先确定液压泵的类型，设置液压泵的结构及驱动电机参数，仿真得到泵输出油液流量的变化。在液压系统控制阀，如方向控制阀的仿真实验中，须确定各开口连通形式，从而仿真得到阀芯位移的响应。在仿真完成后，根据得到的仿真数据，采用Origin或Matlab绘制结果曲线，分析元件工作性能，并通过调整元件参数，获得不同条件下元件性能规律，分析并完成实验报告。此外，学生也可根据基础仿真实验进行拓展，搭建自主设计的元件装置，检查参数设置，完成仿真模拟并实现所需功能，以培养学生独立分析、设计及实践的能力。

2）液压回路虚拟仿真实验。在液压系统中，可通过构建基本回路以实现控制系统的工作压力、油液流量和流向的功能。液压回路虚拟仿真实验包含了若干典型回路，如换向回路和节流调速回路等。学生首先根据回路需实现的功能需求，确定液压回路类型，结合课堂教学内容掌握回路的基本工作原理和特性；其次，根据回路组成在软件中选择元件并设置参数，确定元件连接方式和控制模式，建立液压回路仿真模型，设置实验工况，采集负载速度、油液流量、阀芯位移或油液压力等数据，分析相应的回路工作性能。通过液压回路仿真实验，学生可递进式地逐步加深对知识的理解和掌握，从元件选择、连接到回路功能完成，深刻领悟不同回路的应用场合和条件，为能够独立分析设计液压系统奠定基础。

3）典型液压系统虚拟仿真实验。典型液压系统虚拟仿真实验主要有千斤顶、机床工作台和压力机等。学生结合已掌握的液压元件和液压回路仿真实验内容，根据系统工作要求，分析系统工作过程和特点，确定执行、动力和控制元件类型，选择液压基本回路，完成系统原理图设计和动作循环表，计算液压元件的结构尺寸及回路主要参数，以保证在各回路配合下系统可安全有效地实现各种工作状态。进而，基于分析和设计结果完成组成回路建模，分别设置模型参数并进行回路连接，使得液压系统在给定条件下执行完成需求动作，获得执行元件工作性能曲线。为了继续拓展、提高液压基础理论知识的深度，学生可采用设计完成的系统仿真模型实现不同参数下系统性能分析，更直观地理解各元件和回路的工作及控制对液压系统的影响，培养学生们主动探究的能力。

3  特色虚拟仿真实验

液压系统具有体积小、重量轻、惯性小和输出力或转矩大的优点，广泛应用于现役工程机械中。然而，工程机械作业环境恶劣、强度大、时间长，易导致液压系统混入各种杂质，引起工作介质被污染，如水分、空气和粉尘等进入液压系统，造成液压元件发生机械磨损和腐蚀，导致整个系统工作性能和服役可靠性受到严重影响，甚至液压系统发生故障。因此，针对污染磨损条件下液压系统内元件的污染损伤特性展开研究具有重要的理论价值和工程意义。本部分结合科研项目实验平台（图3）和AMESim软件，开发设计了液压泵污染磨损仿真实验。首先，学生们根据理论教学中关于液压油污染和控制的内容，可以了解到当含有污染颗粒物的油液进入液压系统后会造成元件发生磨损、振动和泄漏等问题，导致系统无法正常工作甚至失效；其次，结合科研项目资料和成果帮助学生了解国内外关于油液污染磨损的研究现状，理解液压系统的污染机理及数学模型；之后，通过软件中的液压模型库，确定元件中污染颗粒和污染度间关系，建立液压系统污染模型，设置元件参数及油液初始污染度，分析污染度随时间的变化规律。进而，学生也可以在油液污染度仿真实验中对其影响因素进行研究，并结合元件污染磨损寿命模型对元件污染磨损寿命和可靠性进行分析和计算，获得元件在污染条件下的工作特性，与已有项目实验结果对比，验证所设计的液压系统仿真实验。通过该基于科研项目的特色虚拟仿真实验，学生可依托科研成果，结合虚拟仿真技术具体分析液压系统工作中的油液问题，提高其对基础知识的应用能力，培养其综合的专业实践能力。

圖3  液压泵污染磨损实验平台

（三）  效果与评价

与传统的线下实验教学相比，结合科研成果的液压虚拟仿真教学，通过建设可拓展的虚拟仿真实验，提高了课程内容的深度和广度，增强了学生对理论知识的理解，激发了学生的学习热情和积极性，培养了学生创新实践及主动学习和解决问题的能力。尤其是通过虚拟仿真实验的开展，学生对液压知识中各种液压元件的工作原理，及其在液压系统中的使用位置和相互之间的配合关系有了深度的了解；对工业系统中液压泵工作环境变化对其性能的影响有了一个清晰认知；针对液压系统中油液质量对其容积效率及其性能的影响规律有了更为直观感性的理解，并通过虚拟仿真实验对液压系统中主要参数和控制方式等理解得更加深刻。此外，仿真结果数据的处理和分析方法培养了学生基本的科学研究技能，为之后进行探索和尝试研究建立了基础。

三  结束语

虚拟仿真技术运用于课程内的实验教学环节，可加强学生对理论知识的理解和掌握，是对课程理论和实验教学的有效补充。在液压与气动技术课程的教学过程中，建设基础和有学科特色结合科研项目的虚拟仿真实验教学资源，使学生掌握基本液压元件、回路和系统的工作原理和特性的同时，通过液压系统污染磨损仿真实验，丰富和补充学生们关于液压污染磨损理论、寿命预估和可靠性等方面的相关知识，熟悉液压系统的设计分析过程，拓展学生视野和学习思路，增加学生主动探究和创新的热情，培养学生独立思考和解决问题的能力。

参考文献：

[1] 左健民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2] 刘习军，张素侠，崔福将，等.虚拟仿真实验在教学中的应用[J].高教学刊，2019（26）：115-117.

[3] 惠相君.仿真软件在《液压与气动技术》课程教学中的应用[J].液压气动与密封，2017，37（6）：43-46.

[4] 张啟晖，李聪，杨丽荣，等.Python与AMESim在液压与气动实践教学中的应用[J].教育教学论坛，2020（47）：213-214.

[5] 李梦如，陈哲，朱美华，等.液压虚拟仿真实验教学平台建设[J].实验技术与管理，2019，36（2）：148-152.

[6] 邓江洪，陈新元，曾良才.虚拟仿真技术在“液压传动”课程中的应用研究[J].教育教学论坛，2021（3）：157-160.

[7] 杨秀萍，胡文华，徐晓秋.液压专业课的虚拟仿真实验教学[J].液压与气动，2021，45（11）：112-116.

[8] 刘昕晖，陈晋市.AMESim仿真技术在液压系统设计分析中的应用[J].液压与气动，2015（11）：1-6.