动态泵原理教学演示装置研制

陈仙明, 陈　丹, 刘　锋

(1. 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院, 浙江 杭州　310018;2. 杭州之江水处理设备厂, 浙江 杭州　310009)



动态泵原理教学演示装置研制

陈仙明1, 陈丹2, 刘锋1

(1. 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院, 浙江 杭州310018;2. 杭州之江水处理设备厂, 浙江 杭州310009)

研制了一种集往复泵、离心泵和螺杆泵为一体的动态泵原理教学演示装置。采用控制技术,实现了软件和实物模型的同步动态演示。该装置具有良好的实用性、安全性、工艺性和扩展性,能应用于工科类院校的“液压与气压传动”、“水泵及水泵站”、“流体机械”等课程的实验教学中。

泵原理； PLC； 实验装置

2010年5月5日《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)年》中明确提出,高等教育要加强实验室建设,强化实践教学环境[1-3]。教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》指出“实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新意识与实践能力具有特殊作用”。实践教学是提高工程教育人才培养的重要途径,对于工科大学生的工程实践能力培养起着举足轻重的作用[4-6]。

当今教育中通常将教师、教材、教具统称为“三大基本条件”[7],进入二十一世纪以后,多媒体模拟替代了部分教学装置得到快速发展,但实物教学装置由于其独特的直观性与可拆解性,继续在教学中占据重要作用[8]。

1　研制背景

泵是输送液体或使液体增压的机械,在各行业中应用广泛[9]。机械类课程中的“液压与气压传动”,市政建工类课程中的“水泵及水泵站”、“流体机械”等课程中均涉及泵原理相关知识。

目前市场上泵原理教学装置主要包括两大类:一类以金属为基体,主要用于部件拆装,了解泵内部结构；另一类以透明塑料为基体,保留泵原理主要特征,用于泵原理的静态直观展示。上述两类产品只能做静态原理展示[10]。鉴于市售的装置难以完美满足教学环节需求,结合CDIO课堂教学和研究项目,研制了自制动态泵原理教学演示装置,项目的研制不仅锻炼了学生的能力,同时也使教师的能力得到了提升,自行研制教学装置是教师双师型培养的重要途径[6]。

2　设计思想

本教学装置采用机电一体化思路设计,将各类泵原理子装置(目前暂定往复泵、离心泵、螺杆泵)集成于统一控制平台,各子装置采用直流减速电机及调速模块,配合平台的三菱PLC和MCGS触摸屏,实现泵(电机)的启停和调速控制,达到触摸屏软件和子装置实物同步动态演示[11-12]。装置采用标准化和开放式设计,并预留扩展功能,可以在该装置平台上通过软件升级和子装置的更换实现扩展和升级,总体设计示意图见图1。

图1　装置总体示意图

3　机械结构

通过对往复泵、离心泵和螺杆泵原理的理解及分析,结合加工的可行性和工艺性,简化了泵的结构原理模型,采用NX软件分别设计了三类泵的三维结构模型,详见图2—图4。并对模型进行分解,设计部件的零件图。将零件图纸导入到自有的激光雕刻机中,加工出各类平面形状的有机玻璃板材,部分特殊构件采用数控车床和铣床进行加工,最后采用有机玻璃粘结剂对其进行拼接。

图2　往复泵结构

图3　离心泵结构

图4　螺杆泵结构

4　电路及控制

本实验装置控制部分采用三菱FX1N-14MR作为主控核心,搭配FX2N-4da模拟量模块实现模拟量输出控制。触摸屏采用昆仑通态177.8 mm(7英寸)TPC7062KS,触摸屏和PLC通过编程口进行通信。PLC输出模拟量0～5 V控制三块调速模块(CCM6C),实现往复泵、离心泵和螺杆泵的3个驱动电机(JS-50TT)启停和调速控制,控制框图见图5[13]。装置采用220 V工频带接地插座供电,进线部分增设漏电保护器,大大降低了触电的危险。

图5　控制框图

根据各类泵的动作原理,在触摸屏编程软件上对模拟动作进行按帧分解编制,再与时间进行连接,最终实现动态模拟,控制界面见图6。通过屏幕的触摸式开关实现泵启停和调速,界面中的模拟图形能够实现动态演示和调速变化。

图6　控制界面图

5　装置特点

研制的动态泵原理教学演示装置实物图见图7。本装置具有以下特点:

图7　装置实物图

(1) 装置采用220 V供电,驱动采用24 V直流电机,对可能接触到的危险电源进行隔离,配备断路器,提高了安全性。

(2) 主体采用有机玻璃,较好展示装置内部机理,加工方便制作成本低。

(3) 将离心式、往复式及螺杆式三类泵集成在一个实验台上,提高装置的使用效率,使各类原理的对比成为可能。

(4) 引入调速控制及触摸屏等技术,使实物模型和触摸屏同步显示泵内部运动状态。

(5) 泵模型与装置底座采用标准机械和电气接口,为单泵演示及扩展提供可能。

6　实践效果

本装置的研制过程得到了我校大学生创新创业项目、浙江省机械设计大赛等项目的资助,研制过程充分发挥了指导教师、团队学生、任课教师和合作企业的积极性,最终项目荣获了2014年浙江省“合兴杯”第十一届大学生机械设计竞赛(本科组)二等奖。

本装置研制成功后,在浙江水利水电学院“机电14-1”和“机电14-2”两平行班的“液压与气压传动”课程的教学中进行试用。14-1班采用本装置进行教学,14-2班采用纯软件模拟方式进行教学,最后对知识点提问和调查问卷方式进行反馈。通过汇总分析表明良好的教学装置有利于提高学生学习积极性,增强知识理解的直观性,学习效果更佳。

本实验装置的设计已经申请了知识产权保护,已授权实用新型《往复泵原理教学演示装置》( ZL201520081807.2)和软件著作权登记《多功能泵原理教学演示装置控制系统》(2015SR154438),发明专利《动态泵原理教学演示装置》尚处于实审阶段(申请号 2015100602852)。

7　结语

本装置在研制的过程中,严格按照标准进行设计,并保存了完整的设计和加工资料,本装置的大部分制作、加工过程均可在校内实验室完成,具有在短时间内实现重复生产、批量生产的可能性。该装置不仅可以用于泵原理的演示教学,制作过程也可作为“机电产品创新设计”CDIO项目制教学的示范案例,也可应用于机电专业认知和毕业设计中。本实验装置还在浙江医药高等专科学校进行了试用,反馈效果良好。杭州之江水处理设备厂也对装置性价比、工艺性进行了综合评估,认为该装置具有良好的综合市场潜力。

References)

[1] 吴仁华.围绕应用型人才培养加快新建本科院校改革和发展[J].中国高等教育,2010(22):11-14.

[2] 沈奇,张燕,罗扬.应用型本科实践教学体系的构建与改革[J].实验技术与管理,2010,27(10):36-38.

[3] 杨红,云霞.高校实验室在人才培养中的地位与作用[J].实验技术与管理,2011,28(7):288-289.

[4] 陆顺寿,曹其新.新颖的创新实践场所：“实学创新工坊”建设[J].实验室研究与探索,2012,31(2):98-100.

[5] 陈鹏勇.创新实践教学模式培养高素质创新人才[J].中国大学教学,2010(5):83-85.

[6] 仇润鹤,方建安,唐明浩,等.建立综合实验平台 培养学生创新能力[J].实验室研究与探索,2006,25(2):141-144.

[7] 张炳淳,白珍.信息技术环境下教师教学方式变革影响因素探析[J].中国信息技术教育,2008(6):18-20.

[8] 杨柏青.高职院校实物教具自主开发及应用的探索[J].职教研究,2009,1(1):40-42.

[9] 施卫东,李伟,刘厚林,等.国内泵业技术现状与发展趋势[J].农机化研究,2005(5):30-32.

[10] 河北理工大学.双作用叶片泵教学模型:中国, ZL200820182779.3[P].2009-10-07.

[11] 陈明忠,于淑萍.MCGS在三菱PLC教学中的应用[J].中国现代教育装备,2010(9):66-68.

[12] 王云刚,陈文燕.基于MCGS和PLC的水位自动控制系统设计[J].测控技术,2014,33(1):96-98.

[13] FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC系列编程手册[M].三菱电机公司.

Development of dynamic experimental demonstration device of pump principle

Chen Xianming1, Chen Dan2, Liu Feng1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang Institute of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018, China；2. Hangzhou Zhijiang Water Treatment Plant ,Hangzhou 310009, China)

The dynamic experimental demonstration device of pump principle,which integrated with reciprocating pattern, screw pattern and centrifugal pattern , is presented. The dynamic demonstration of software simulation and natural pattern can be realized synchronously with the help of control technology.With the advantages of practicability、safety、manufacturability and expansibility, the device can be used in the engineering experiment courses, including Hydraulic and Pneumatic Transmission,Pump and Water Pump Station,Fluid Machinery, etc., in colleges and universities.

pump principle； PLC； experimental device

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.025

2015- 10- 12修改日期：2015- 11- 26

浙江水利水电学院大学生创新创业训练计划项目 (CXCY2015021)；浙江水利水电学院校级重点项目(SLSDX880706)；2015年度浙江省教育厅省高校访问工程师项目

陈仙明(1980-),男,浙江杭州,硕士,讲师/工程师,数控教研室主任,主要从事机电一体化设备的研制及改造.

E-mail：63721918@qq.com

TH3-33；G484

A

1002-4956(2016)4- 0091- 03