虚拟仿真技术在液压与气动技术教学中的应用

姚忠

【摘 要】Aiming at the limitation of traditional practice teaching, this paper discusses the necessity of introducing virtual simulation technology into the teaching of hydraulic and pneumatic technology. The virtual simulation tech-nology not only solves the problem of the lack of experimental site and laboratory equipment, but also improves the teaching environment, optimizes the teaching method, obviously stimulates the interest of study, and improves the teaching effect.%针对传统实践教学存在的局限性，探讨虚拟仿真技术在液压与气动技术教学中的应用，提出以虚拟仿真技术提高教学效果的策略。

【期刊名称】《柳州职业技术学院学报》 【年(卷),期】2016(016)006 【总页数】4页(P100-103)

【关键词】虚拟仿真技术;液压与气动技术;教学改革 【作 者】姚忠

【作者单位】罗定职业技术学院 机电工程系，广东 罗定 527200 【正文语种】中 文 【中图分类】G642.0

高职教育强调以培养学生技术应用能力为主线，着重培养学生实际操作能力及发现和解决问题的能力。因此，在高职课程体系中实操教学比重占据较大，这就需要配套足够的实训场地和实习器材。部分高职院校办学经费短缺，而不少实训器材价格昂贵，实训设备的短缺问题难以得到解决。另外，有的实训仪器设备陈旧，功能不够完善，缺乏实际工作环境，不能满足学生的实训要求，教学效果不尽如人意。 虚拟仿真技术由于其独特的优势已广泛运用于工农业生产制造。[1]－[3]近年来，该技术已在多门学科教学中广泛运用。通过计算机和虚拟软件，可以使抽象枯燥的教学变得丰富多彩，教学过程变得更加直观和生动，从而有效激发学生学习兴趣，提升教学效果。[4]－[7]

《液压与气动技术》是高校机电类专业开设的一门专业基础课程，其元件结构抽象，工作原理复杂，各种功能回路众多，学生对知识点难以理解和吸收，需要大量的实验辅助教学。面对有的学校实验设施短缺，部分设备因老化不能正常运行的现状，会造成学生实训时每个组人数众多，每个学生动手操作时间不足，实训教学达不到理想效果的情况。

因此，对《液压与气动技术》课程进行教学创新，利用现有的计算机机房引入虚拟仿真技术，开发液压泵和控制阀的虚拟拆装实训、控制阀的原理演示实验以及基本回路功能测试实验，这些创新不仅解决了实训场所和实验设备不足的问题，还使教学形式更加直观生动，能够帮助学生更好地理解和掌握知识，取得良好的教学效果。 （一）液压元件结构的虚拟拆装实验

液压泵和控制阀是液压系统的重要元件，通过拆装实验使学生了解各类液压泵和控制阀的结构组成和工作原理，并掌握分析液压泵和控制阀常见故障和排除方法。传统的拆装实验采用实物，实验过程长，设备损耗大，部分设备拆卸后零件丢失无法装配。

实验室以Pro/E软件为平台，通过eDrawings生成人机交互页面，开发了液压泵

和控制阀的虚拟拆装系统。首先，采用Pro/E建立液压泵和控制阀的实体建模，然后采用eDrawings对各元件进行虚拟拆装。学生登陆该系统，根据实验进度点击需要拆装的元件，了解各元件的组成，认识其零部件，同时还可旋转、缩放，从不同角度观察元件的构造组成，如图1所示。学生还可以虚拟拆装液压元件，如图2所示。当学生操作错误时，系统弹出提示对话框，另外系统还对学生虚拟拆装进行评分。

（二）液压元件原理演示

液压泵如何输出压力油，液压控制阀怎样控制液压油流动方向、压力及流量，这些问题在传统的教学过程中，只能依靠教师比划，文字叙述，但学生很难理解其抽象的工作过程。

通过Flash软件对液压泵、液压控制阀的工作过程进行动画模拟。学生通过点击动画，可以清晰的看到液压泵的工作过程，液压控制阀内阀芯的移动及油路的开启和关闭，如图3所示为先导溢流阀的工作图。虚拟动画形象生动的展示了元件的工作原理和工作过程，显著提高了学生对知识点的学习效果。 （三）液压基本回路的功能测试

液压系统由若干不同功能的基本回路组成，掌握这些基本回路的功能，对学生分析和设计液压系统至关重要。传统的液压基本回路的功能测试主要靠各种仪器和传感器，工作繁琐，不利于学生实验和操作，影响实验的效果。

在计算机上安装FluidSIM、AMESim、EASY5等几款液压仿真软件，FluidSIM属于教学软件，界面相对直观，能动态观察液压控制元件阀芯的移动方向及执行元件的速度和位移变化，学生容易操作。[7]AMESim和EASY5属于工程软件，虚拟仿真更加接近实际工况，对学生入职有较大帮助。学生通过对基本回路进行建模，如图4所示的内控顺序阀平衡控制回路[8]，设置各个参数并仿真，即可得到控制元件流量和压力曲线，以及执行元件速度曲线，如图5所示。

高职院校的工科专业学生一部分为中职毕业，另一部分是高考成绩不太理想的考生，包括一部分文科生，他们的知识面和理论学习能力有限，怎样提高学习效果是科任老师必须考虑的问题。虚拟仿真技术的运用能把复杂问题简单化，抽象问题形象化。学生通过虚拟操作跟实物相结合，实现 “教学做”的统一。同时，不必专门建设计算机机房，只要装载虚拟仿真软件即可使用，可以缓解实验器材不足的困境，并且提高了学习效果。 （一）抽象知识形象化

高职学生大都是中职或者高中毕业的学生，之前较少接触到工程专业知识。其实很多知识在日常生活中都能见到，所以可以通过生活案例引人新的知识点。比如挖掘机在工地、基建等场所都能见到，但它的工作过程大部分学生都不知道。通过建立挖掘机的虚拟动画，让学生了解其机械手臂是通过液压缸驱动的，既激发了学生的学习兴趣，又提高了学习效果。对于抽象知识的教授，视频动画最生动形象，往往起到事半功倍的效果，图片的教学效果其次，教师的口头讲述教学效果最差。如图6所示，FluidSIM软件虚拟仿真出两个弹簧复位的液压缸在手动电磁换向阀控制下的作动过程，学生在生动教学环境中，很好理解了换向阀控制液压缸的工作过程。 （二）复杂知识简单化

各种液压元件都由若干大大小小的零件组成，并沾满了液压油和机油，学生嫌脏不愿动手，并且在实物拆装时容易出错，导致学习效率低下。比如在双作用叶片泵组装过程中叶片倾角容易出错，如图7所示。将液压元件各个零件进行虚拟建模，学生在计算机上即可进行装配，如图8所示，节省了教学时间，可以取得事半功倍的教学效果。 （三）课程内容实用化

课本内容更新较慢，导致课本内容跟实际工程有很大区别，造成学习与工作脱节。高职院校不具备工厂企业的先进仪器设备，学生很难在学习阶段参与工程建设。但

虚拟仿真软件的引入使课程内容更加实用，对学生的设计创新有无可比拟的优势，不用担心安全事故，不用项目经费，即可得到准确的实验结果。学校和工厂企业建立合作机制，让学生提前参与企业的工程项目，可以缩短学生到技术工人的转换时间。

高职学生作为未来的“制造强国”的建设者，夯实专业基础至关重要。将虚拟仿真技术运用于课程教学过程中，不仅解决了实验场地和实验经费不足的困境，还明显改善了教学环境，激发了学习兴趣，提高了教学效果和教学质量。

【相关文献】

[1]王伟，张鹏，刘庆云.制造业中虚拟仿真技术的发展研究[J].组合机床与自动化加工技术，2013(7)：1-4.

[2]方贵盛，王洪发.多孔溢流坝泄流三维虚拟仿真[J].系统仿真学报，2015（10）：2567-2574. [3]麻芳兰，韦荣发，叶才福，沈中华.小型甘蔗收割机切割系统的仿真与试验研究 [J].机械设计与制造，2014(12):：119-121.

[4]王静，杨金萍，王春梅.虚拟仿真在无机非金属材料实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2015（7）：107-108.

[5]刘亚丰，吴元喜，苏莉，刘凌.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J].实验技术与管理，2015(9)：120-123.

[6]吕明珠.虚拟仿真技术在液压与气动实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2015(4)：144-146. [7]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)：80-82.

[8]蒋丹，杨平，王丛岭.AMESim 在《液压传动》实践教学中的应用[J].实验科学与技术，2012(4)：48-49，63.