FluidSIM软件在液压传动理论和实践教学改革中的应用

摘要：为了弥补液压传动传统教学中的不足，提高学生的创新设计能力，将FluidSIM软件应用于液压传动理论教学和实践环节中。理论教学实现了复杂图形演示和液压原理图搭接及动态仿真；实验环节实现了回路的模拟运行和检验；课程设计实现了原理图的设计仿真，并转换为DXF格式；毕业设计实现了复杂液压原理图的设计、仿真，并实现了电液系统联合仿真。实践证明：运用该软件后，增强了学生的学习积极性和主动性，提升了学生的自我创新设计能力，提高了教学质量，达到了预期的教改目的。

关键词：FluidSIM；液压传动；理论与实践教学；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0092-02

“液压传动”是机械类专业的一门实践性很强的技术基础课，是一门融合了机械、电子、控制等多学科的课程。该门课程要求学生掌握常用元件和系统的工作原理、元件选用与系统设计、调试的基本方法等。在以往的教学中，元件的工作原理以及回路的工作过程多采用结构图、图片等来展示，教学效果有限，学生在学习中普遍感到液压知识基本概念不清楚、元件结构复杂、工作过程抽象，从而影响了学生学习的积极性。为了增强学生的学习主动性，提高学生的创新设计能力，在液压传动理论和实践教学环节中加入了FluidSIM软件进行教学改革，实现了互动教学，达到了培养创新型人才的目的。

一、FluidSIM软件简介

FluidSIM软件是德国Festo公司开发的液压与气压系统仿真软件。FluidSIM软件用户界面直观，采用类似画图软件的图形操作界面，用户只需直接从元件库中将元件拖到绘图区，并用鼠标左键在各种元件接口之间拖动，便可完成油路的连接。

FluidSIM软件可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示，还可以进行简单的查错功能。如果仿真回路存在断点，则可自动找出并标识，从而能够在设计完回路后，验证设计的正确性，并演示其动作过程。FluidSIM软件还具有CAD功能，它符合DIN电气―液压回路图绘制标准，是针对流体而专门设计的。回路设计仿真成功后，软件即可输出与仿真回路相同的DXF图形格式。

FluidSIM软件提供了超过100多种标准液压及电气元件，利用这些符号及实物图片，可构成各种回路。软件还包含了大量的教学资料，其中对各种元件的工作原理和使用方法都有详细的功能描述，可用来自学、教学和多媒体教学液压技术知识。

FluidSIM软件还可设计和液压回路相配套的电气控制回路，实现电液联合仿真。传统的“液压传动”教学中，仅有液压回路及电磁铁动作顺序表，没有电气回路，学生不能明白各种控制阀和电气控制元件之间的关系。电气―液压回路设计与仿真同时进行，可以提高学生对机电液一体化的认识和实际应用能力。

FluidSIM分为FluidSIM-H和FluidSIM-P两个软件，其中FluidSIM-H用于液压传动技术的模拟仿真与排障。本文主要是将FluidSIM-H软件的各项功能应用到“液压传动”教学各环节中。

二、FluidSIM软件在理论教学改革中的应用

1.用于演示复杂元件的图形

一些结构复杂的元件，有时教材中插入的图形是采用机械制图的图样绘制的，较为详细准确，但是有时受版面限制显示的图形太小且都是黑白色，扫描到PPT中讲解时投影到屏幕上的图形显示不清楚，导致讲解时学生听课情绪受到影响。以往教学中，授课教师为了能让学生看清元件的结构原理图，在PPT中用鼠标采用“指针选项”中的“毡尖笔”或“荧光笔”分别用不同的颜色勾画出不同零件的边界，虽然视觉效果有了一定的改进，但是手动绘制零件的边界时间长，鼠标也很难精确绘制。采用FluidSIM软件后，软件中配有复杂元件的结构原理图，不同的结构采用不同的颜色，非常清晰。具体使用方法为：在“教学”菜单栏中的“工作原理”对话框中，选择相应的元件后单击确定，即可演示相应的元件工作原理图。

此外，在仿真文件中用右键单击液压元件的职能符号后，选择“元件图片”就可以直接演示出相应元件的实物照片，使学生对液压元件有了更直观的认识。

2.动态讲解液压原理图不同阶段的回路走向

液压原理图中，当换向阀换向时进、回油路总是发生变化。以往教学中，液压原理图是静止不动的，学生分析不同阶段电磁铁得电时的油路走向出现的错误较多。在没采用该仿真软件之前，授课教师想到的解决办法是：在PPT中对扫描的液压原理图用鼠标“指针选项”中的“毡尖笔”采用红色（表示有压力的进油路）和绿色（表示回油路）绘制油路的走向。与单纯静态讲解原理图相比，这种方法能使学生理解原理图的工作过程，但其缺点是：鼠标不好控制绘制油路的走向，当不同电磁铁得电时所有油路都得重新绘制，占用课上时间较多，费时费力。

采用FluidSIM软件中的回路搭接和仿真功能，在课堂上直接演示回路中各液压元件的连接过程，连接后点击仿真按钮，软件自动检查回路连接的正确性。如果连接错误，会直接标明连接的错误和原因。如果连接正确，根据电磁铁动作顺序表，可以手动或自动选择电磁铁的得电情况，回路会动态演示出油路的走向和液压缸的动作方向与速度。油路中压力油用红色显示，回油用浅黄色显示。这种方法连接回路的速度快，连接成功后，只要选择不同的电磁铁得电，每种油路走向都能清晰地动态显示出来。例如教材中的双路油压自锁装置，油液的走向和液压缸的速度与输出力都能实时显示。[1]采用这种可控的教学方式，回路走向清晰、容易理解，学生的学习积极性明显提高。

此外，教师课上使用软件演示回路的连接、仿真过程，也是学生学习软件使用方法的过程。学生可以下载免费试用软件安装在自己的电脑上，在课后练习软件的使用方法。由于后续的液压传动实验和课程设计中都将采用该软件进行连接与设计，在理论授课时学生就练习了软件的使用方法，为后面的学习打下了良好的基础。

三、在液压传动实践教学改革中的应用

1.在液压传动实验课程中进行回路连接、仿真和检查

液压传动实验是“液压传动”课程不可缺少的实践环节，传统的实验多为验证性实验，学生独立思考的空间小，动手能力得不到有效锻炼。东北电力大学的液压传动实验采用新引进的YD-II型智能液压综合实验台，采用先进的液压元件和新颖的模块设计，构成了插接方便的系统组合，可实现机电液一体化控制实验。新设备为学生主动开发实验回路，进行探索式实验设计和实践尝试提供了必要的条件，较好地促进了学生创新意识的建立。在本教改项目中，授课教师专门为学生设计了属于设计型的实验项目，指导教师给出液压回路的工作要求，具体的回路由学生独立设计完成。考虑到学生刚刚学习“液压传动”知识，所设计的实验系统和回路往往会存在连接与原理上的错误，完全让学生直接在液压传动实验台上进行实验，可能会使实验过程具有一定的盲目性和风险性，也可能会使学生忽视对基础理论的深入理解和分析。因此，此次教改对实验内容的实现形式进行了改革，预先让学生独立在计算机上运用FluidSIM软件进行液压回路的设计、运行控制和模拟演示，在保证其原理正确且操作可行之后，学生再在实验台上进行元件的实物搭接和调试，提高了设计能力和调试速度。

通过对实验实现形式的改革，对于同一个回路设计题目，学生可以设计出不同的连接形式。例如差动回路，学生可以利用仿真软件设计两种连接形式：一是为二位三通阀控制前进方向只有差动连接的形式，二是既可差动也可正常前进的回路。此外，实验中有些数据不好测量，如液压缸的工作速度，借助仿真软件可以将速度值实时显示出来。这种实验教学模式为学生搭建了创新实验的新平台。

2.在“液压传动”课程设计中进行回路设计、仿真和原理图的图形绘制

给学生下达了设计题目后，学生通过FluidSIM软件进行设计、仿真，提高了设计的准确性，对设计选型的正确性也进行了验证。东北电力大学的课程设计内容为液压专用铣床工作台进给液压系统，工作循环：工作台快进―工作进给―工作台快退―原位停止。[2]

图1回路中三位五通电磁换向阀左位工作时，实现快进时的差动连接；当液压缸前进压下二位二通行程换向阀后，进入工进，进油速度由调速阀调节；液压缸前进到行程终点后，三位五通电磁换向阀右位工作，实现快速退回，液压源可采用变量泵，由于元件库中没有变量泵，用定量泵代替使用。考虑到“液压系统”课程设计时间仅为1周，要求学生设计出液压原理图，并进行元件的选型计算和验算，时间紧、任务重，学生也没有时间学习电气控制部分的知识，因此只要求学生采用仿真软件设计出液压原理图，用鼠标手动控制电磁铁得电的方式模拟仿真。

AutoCAD软件图形库中没有液压元件的专用职能符号，学生绘制的液压元件大小不一，错误百出且费时费力。而利用FluidSIM软件，只要液压原理图仿真成功，就可将液压原理图直接转化为图形交互文件格式DXF，并能在AutoCAD软件中打开，进一步完善绘制，节省了学生设计、绘制原理图的时间，也使后面的元件选型计算和验算时间更充足。

3.在毕业设计中设计复杂回路并进行电液系统联合仿真

有了之前各教学环节的软件使用基础，学生在毕业设计时就可以运用FluidSIM软件实现复杂液压回路的设计。FluidSIM软件还可设计与液压回路相配套的电气控制回路，实现电液联合仿真。若电气控制回路和液压回路设计完毕，可立刻进行联合仿真。如果电气回路不符合电气原理，软件会自动提示，仿真中断。[3]对电气控制感兴趣的学生还能通过自己的努力学习到该部分的知识。学生从网上下载免费的试用版软件，利用自己的计算机进行设计，并进行电气和液压的综合训练，可以提高机电液综合应用能力。

图2为毕业设计学生设计的折弯机液压系统自动控制仿真回路图。要求设计的板料折弯机实现的工作循环是：快速下降―工作下压（折弯）―快速回程―停止。设计时按下按钮开关SB1，K1继电器线圈控制电磁铁Y1得电，三位四通电磁换向阀右位工作，实现快速下降。液压缸下降行程至180mm，由行程开关S2发出讯号，使二位二通阀从常开（Q2）切换至常闭（Q1）位置，液压缸无杆腔进油路由节流阀调节流量，进入下压折弯阶段。当液压缸无杆腔压力达到压力继电器设定值后延时2s。为了达到延时的目的，设置了延时继电器KT1完成延时2秒的任务。延时结束后，K3继电器线圈控制电磁铁Y2得电，三位四通电磁换向阀左位工作，实现快速回程。

该回路的设计过程为：从元件库里调用所需的元件组成液压回路图，设置好相关元件的相应参数，如行程阀的位置、液压缸的工作参数等，检查回路的正确性；依据行程阀电磁铁的动作顺序设计控制系统，并在已建立的液压系统中绘出电气原理图；在仿真图中设置元件列表和状态图。对需要时时显示工作状态的元件，用鼠标单击左键选中该元件后直接从液压原理图中拖拽到状态图中，就能将其列入状态图中；启动仿真按钮，实现实时仿真。依据液压系统的工作原理模拟其整个工作过程并仔细观察在整个仿真过程中液压缸的运行情况、行程阀以及电磁铁的动作、进回油路油液的流动情况等。

通过上述过程的训练，学生可进行多学科知识的学习和融合，提高了学生的综合能力，为学生进入实际工作岗位打下了坚实的基础。

四、结论

在连续两届的“液压传动”课程教学中，授课教师都将FluidSIM软件引入到“液压传动”教学的每个环节。实施教改后，取得了良好的教学效果，使师生能在课上、课下都产生良好的互动，学生的探索欲显著增强；从基本元件认识、基本回路连接到复杂回路联动，每个环节都能让学生运用仿真软件得到反复练习，提高了学生的动手能力，极大地激发了学生的学习兴趣；有效地培养了学生的创新意识，学生的分析能力和创造力有了明显提高；授课教师的业务水平也有了提高，达到了教改项目的预期效果。

参考文献：

[1]丁又青，周小鹏.液压传动与控制[M].重庆：重庆大学出版社，

2008.

[2]姜继海.液压传动[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

[3]郭津津，王晓兰，袁旭.FluidSIM软件在《液压传动》教学中的应用[J].机床与液压，2011，（2）.