基于FluidSIM软件的液压传动系统仿真实训教学探索

摘要：对基于FluidSIM软件的液压传动系统仿真实训教学的目的及意义进行了介绍，详细阐述了液压传动系统仿真实训的设计思路和内容，并以实例从专业的角度介绍了仿真实训教学的实施过程。学生作为学习的主体，在教师引导下，通过实训项目将理论与实践有机地结合起来，不仅提高了理论水平和操作技能，还培养了学生团结协作、解决问题的能力。

关键词：FluidSIM软件；液压传动系统；仿真实训教学

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2013）02-0168-03

液压传动系统仿真实训教学的目的及意义

《液压与气压传动》是一门集机械原理、机械设计、流体力学、检测技术和自动控制等多方面知识于一体的综合性课程，相关技术在机床、工程机械、交通运输、冶金机械、农业机械、塑料机械、锻压机械、航空、航天、兵器、石油与煤炭等许多领域应用相当广泛。故该课程是机械类专业一门极其重要的专业基础课，且其实践性很强，旨在培养学生具有读懂一般机械液压系统原理图，并且独立运用所学知识综合分析和解决工程实际中机电液控制系统、液压与气动等相关问题的能力，以及设计中等复杂程度以下液压系统的能力。但基本概念难以理解、元件结构复杂、系统工作过程抽象等，一直是这门课程教学的难题。实践教学则一般停留在演示性和验证性实验上，很难构建新的回路，具有一定的局限性和欠缺。基于FluidSIM软件的仿真实训教学可以帮助解决这一系列问题。

FluidSIM软件内置各种标准液压、气动、电气等元件库，具有方便快捷的绘图、设计功能和先进的机电液控制系统仿真功能。在实践教学中应用FluidSIM软件对回路进行模拟运行和检验，能使学生清晰地了解各元件在回路各个运动阶段的工作过程，加深对元件和回路原理的理解。利用FluidSIM软件对液压回路及控制系统进行仿真实验，使机械、液压、电气有机结合，能进一步加深学生对机电液控制系统的理解，并使学生能灵活地运用已经掌握的知识分析和解决实际问题。FluidSIM仿真软件使用独立的液压及控制元件，很容易连接成不同的液压控制回路。对这些元件不同的组合，可以得到不同回路，学生可以方便快捷地搭建各类电、液控制回路，能激发学生的创新意识，培养学生整体构思设计能力和综合运用知识的能力。FluidSIM仿真软件还可对系统进行准确的动作和工作参数的模拟及测试，可以真实地反映、模拟现场实际，为设备的维护、故障分析提供依据。

液压传动系统仿真实训的设计思路

所设计的仿真实训内容呈现出不同的层次梯度：从基础到提高；从基本元件认识、简单回路连接到复杂控制回路联动；从液压回路的单模块到机械、电气、PLC、液压集成的综合模块，从功能演示、原理验证、操作互动到探索实验、自我设计。进而从让学生能掌握扎实的基础知识，独立运用所学知识分析和解决问题，到按照要求设计出符合实际工况的一般中等复杂程度的机电液控制回路。

加强学生对液压传动系统的组成、工作过程和特点的理解和各液压元件结构、原理、工作性能、连接方式和功用的认知，以及对仿真软件的安装与搭建液压回路的基本操作方法的学习，由仿真实训指导书和仿真实训报告书中的实训报告要求体现。分析液压系统原理图，深度理解液压控制阀在液压基本回路中所起的作用，解读系统工作过程和状态；在同一动作要求下发散思维，修改元件的组合或电气控制程序，设计出不同的液压回路；根据工况要求，设置简单的PLC控制程序，使用常见的液压元件、电气元件等元器件进行设计、搭建各类电液控制回路，这些由仿真实训指导书和仿真实训报告书中的思考题、选做思考题体现。选做思考题由教师根据实际教学情况选定，供有兴趣的学生选做。所设计的思考题要有很大的自由度，课堂考核标准应具有一定的灵活性，学生根据自己的理解和想法搭建出合理的控制回路，所得结果只要理由充分、设计合理、考虑全面都应取得较好成绩。

液压传动系统仿真实训的内容

我们当前设计的基于FluidSIM软件的液压传动系统仿真实训包括8个单元，最后一个单元为仿真实训考核。实训时间为4周。具体内容如表1所示。

仿真实训项目的实施

根据以上仿真实训项目的设计内容和思路，对实训课的上课方法、情景设置等都做了一些调整，并将课堂考核融入到实训项目的实施过程中，提高学生的完成能力。以实训五“差动连接回路”项目为例，其实施过程如下：

（一）教师借助仿真状态图，演示差动连接回路使液压缸快速运动的工作原理

如图1（a）和图1（b）所示，当液压缸活塞没有触碰到行程开关S1时，电磁阀处中位工作，液压泵输出的液压油同时与液压缸的左右两腔相通，回路呈差动连接状态；当触碰到行程开关S1时，电磁阀处左位工作，液压缸左腔进油，右腔回油，活塞杆继续伸出；当触碰到行程开关S1时，电磁阀处右位工作，活塞杆缩回。由液压缸的仿真状态图图1（c）可以很清楚地看到，液压缸伸出的过程中，其差动连接阶段的位移曲线斜率明显大于非差动连接阶段，充分说明了在不增加泵流量的前提下增加了供给无杆腔的油液量，使活塞快速向右运动。

（二）在教师引导下，学生在FluidSIM仿真软件界面中搭建满足工况要求的差动连接回路

工况要求提出由行程控制液压缸动作：快进—工进—快退，如图2（a）所示，速回路实现工进；采用换向阀实现快退。再进一步考虑用行程开关控制电磁换向阀实现快进和工进的换接，以及工进和快退的换接。原理图设计如图2（b）所示。

（三）根据PLC控制电路知识，完成液压缸动作编程

学生通过系统原理图和液压缸的动作，得出电磁铁的动作顺序，如图2（c）所示，再综合以前所学PLC知识进行编程。其程序如图2（d）所示。

（四）根据PLC程序选择和连接电气元件，其电气控制原理图如图2（e）所示，完成由行程开关控制的液压缸动作。然后进行仿真调试，检验系统工作是否满足工况要求，液压缸的仿真状态图如图2（f）所示。

从设计搭建回路到编程到仿真完成液压缸动作，教师起引导作用，学生有较大自由度。学生可以提出自己的想法和方案，采用仿真调试的手段来验证，并记录在报告中。课下将仿真实训报告书上交，教师记分作为实训平时成绩。

（五）教师引导学生在课堂上通过搭建回路，对其仿真、分析、调试，完成实训报告中的发散型和设计型思考题，并根据学生的完成情况当堂打分，作为课堂考核的平时成绩

思考题如下：（1）M型中位机能的三位四通电磁换向阀在该回路中起何作用？采用O型中位机能的三位四通电磁换向阀是否可行？为什么？（2）该系统中，二位三通电磁换向阀可以用两位两通电磁阀代替吗？如果可以，绘制回路图。（3）该系统中，若将二位三通电磁换向阀换为二位三通机动换向阀，液压缸动作是否能满足工况要求？PLC控制程序须如何修改？（4）若采用P行中位机能的三位四通电磁换向阀实现差动连接，要求工况动作不变，若可行，绘制回路图，给出PLC控制程序或电气原理图。（5）试设计一个回路能满足该工况要求，请绘制系统原理图，给出PLC控制程序梯形图或电气原理图。此题由教师根据实际教学情况选定，由有兴趣的学生选做。

仿真实训项目实施效果

FluidSIM软件信息量大、内容新颖、功能齐全。在仿真实训项目的实施过程中，教师可以很好地将专业理论和实践相结合，不仅增强学生的感性认识和学习兴趣，而且增加学生实践和动手的机会。其先进的仿真功能，直观、逼真的仿真效果，能加快学生对液压元件、液压基本回路、简单的机电液一体化系统的理解速度，进而提高学生的学习质量。利用软件对液压与气动回路及控制系统进行仿真实验，能使机械结构和传动、液压气动技术、可编程控制器等知识有机地结合起来。通过为液压系统设置控制电路，学生可以实现综合练习，激发出创新意识，培养整体构思能力。由于加大了平时学习成绩的比例，能提高学生对课程学习过程的重视。实训教学的开展，也促进教师不断学习，在对软件的熟悉、运用和实训项目的设计、实施过程中，教师提高了自身的业务素质。

仿真实训项目方案的进一步优化

在本课程的仿真实训教学的实施过程中，我们也对项目的设计方案和内容进行了思考。仿真实训项目的设计方案、内容可做出更进一步的优化：可改进基础知识呈现的方式方法，使其更具直观性，增强综合实例中各科知识之间的关联性。对学生在认知过程中所提出的想法，教师应循序渐进地引导，要加以肯定，以调动学生的积极性。应考虑增加强化机电液综合模块的选做实训项目和工程实际运用较多较简单的机电液控制系统的例子，简化后作为选做的实训项目，以满足部分兴趣浓厚、有想法、积极性较高的学生。还可将传感器技术、逻辑电路控制技术、计算机控制技术等融入其中，模拟工程实际例子形成综合实训系统，深层次地加强学生对综合知识的运用能力，使学生开拓眼界，拓宽知识面，为日后进一步深入学习、从事专业工作做好铺垫。

参考文献：

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作者简介：

卢志芳（1983—），女，湖北武汉人，硕士，湖北科技职业学院助教，研究方向为机电液一体化系统。

於红梅（1966—），女，湖北武汉人，湖北科技职业学院副教授，研究方向为机电一体化技术及数控技术。