虚拟仿真技术在“液压传动”课程中的应用研究

邓江洪 陈新元 曾良才

[摘 要] 针对液压传动传统实验在本科“液压传动”实验教学中的不足，研究采用虚拟仿真技术建立虚拟仿真实验，对传统实验进行扩展与深化，并从仿真实验的总体框架、实验内容、实验原理、实验特点和表现形式等方面对虚拟仿真技术在“液压传动”实验课中的应用进行了探索，建立了液压元件与系统虚拟仿真平台，使用结果表明，虚拟实验有助于提高学生的学习积极性、巩固课本知识、培养安全意识和创新精神。

[关键词] 液压传动;实验教学;虚拟仿真技术;虚拟仿真实验

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）03-0157-04   [收稿日期] 2020-09-13

虚拟仿真实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上所进行的对传统实验各操作环节的模拟与仿真[1，2]。虚拟仿真实验不仅可以逼真重建实验设备外形，还可以对元件灵活放大与缩小，对元件内部结构透视，对实验进程进行控制，甚至模拟故障，等等。由于虚拟仿真实验教学的教学效果等值于甚至优于实体实验，引起了国内外的广泛关注与研究[3]。“液压传动”是机械电子工程专业的主干课程之一[4，5]，是机、电、液、控制多学科知识综合应用的典型代表，液压传动实体实验具有很强的复杂性、不可视性和危险性，实体实验难以满足教学需要[6-10 ]，为了提高教学效果，液压传动课程教师一直对新的教学方法进行探索，包括对传统的液压实验局限性进行分析，对虚拟实验内容进行整体规划[8-10 ]，对表现方法进行探索[5-7，9，10]。我校在已有的液压元件及系统性能试验台的基础上，采用虚拟仿真技术，建立了《液压元件及系统仿真实验》。在两个学年的教学中，特别是在新型冠状肺炎疫情期间，开展了网上实验，巩固了学生的课程基础知识，增强了学生对涉及多学科交叉的综合知识点的理解深度，提高了液压实验的直观性，培养了学生的创新思维。

一、传统的液压传动实验教学存在的问题与提高教学效果的途径

液压传动实体实验在本科教学中发挥了重要作用，增进了学生对课本知识的理解，提高了学生的实践能力，但由于其本身的特点，存在一定的局限性[4]，主要包括以下几点。

一是液压传动实验在教学中受到各种因素的制约，如液压传动介质高压力（约0～31.5MPa）、驱动设备高电压、实验设备结构和控制复杂、环境恶劣（噪声大、油液污染）、危险性高（出现泄漏易伤人）等，为了防止安全事故的发生，避免组织大量学生进行实验和禁止学生进行自主实验，实验流程多为教师准备、安全检查，学生点击按钮，观察和记录分析，这就导致学生无法参与实验的全部流程[5]，不利于学生实践能力的提高和培养其安全意识及创新能力。

二是传统的液压传动实验只能通过液压缸、马达、仪表对实验结果进行描述，关键的元件内部结构和工作原理及流体流动状态无法观测，气穴也无法观测。

三是由于液压元件型号和规格繁多，元件选型与应用是实践的要点，需要通过实验结果的异同来加深知识点的理解与记忆，但是由于实验室元件种类有限，且不同规格元件安装平台不同，加工周期长、成本高，因此实验室的条件无法实现，制约了教学效果[ 10 ]，限制了学生开展探索性研究和对创新思维的培养。

因此可以利用虚拟仿真实验的优势，打破液压传动实体实验的局限，提高教学效果。主要有以下几点：（1）虚拟实验能真实模拟实验步骤规划、实验元件选型、安装、实验安全检查、实验操作步骤和数据分析处理的全流程。（2）虚拟实验能利用计算机技术，采用元件阀体透视、半剖、全剖等方法，展现出元件的內部结构与工作过程;采用局部放大，展现流体的微小运动状态，采用整体缩小，展现设备的整体状态;采用进程控制，对瞬间发生的液压现象进行慢放或回放。（3）虚拟实验能表现出不同规格的元件，并且选择不同规格后，系统有不同的表现形式。

虚拟实验不仅是实体实验的真实反映，更是对实体实验的补充与扩展，符合现代教学发展。

二、液压传动虚拟实验平台建设

（一）总体框架

液压传动仿真实验教学体系中心构建“一平台、两目标、三层次、四结合、五模块、十学科”。以液压传动仿真实验平台为切入口，实现高素质应用型行业领军人才培养和创新实践能力培养的目标;分为专业基础、专业拓展和综合创新三个层次;搭建元件认知与设计模块、回路搭建与故障处理模块、关键元件性能检测模块、典型系统测试与评估模块、互动与考核模块，巩固课本知识，提高创新能力，融入工程实践知识，实现共性问题系统自动解答，特殊问题教师对应解答;结合课本理论知识、实验教学内容、工程案例和前沿技术，在专业拓展和创新实践层次辐射“流体力学”“电工电子”“机械控制原理”“计算机测试技术”“可编程控制器原理及应用”等上游学科与“液压比例系统”“液压伺服系统”“液压故障诊断”“智能控制基础”共九门核心专业课程，并将课本知识点连成片，融入工程实践，培养高层次人才。

（二）模块设计原则与作用

1.液压元件认知与设计模块。熟悉和深入了解泵、阀、缸和辅件等液压元器件的结构和工作原理，通过自主构建新型结构的液压元件，培养学生的创新能力。

2.液压回路搭建与故障处理模块。熟悉典型液压回路的搭建与典型液压系统故障诊断，了解液压系统设计本质和维护要领，提高实践动手能力，建立良好的工程观念。

3.关键液压元件性能测试模块。掌握元件性能曲线的识读和指标的计算，强化依据液压元件性能指标选型的设计能力。

4.液压典型液压系统测试与性能评判模块。深入理解机—电—液—控制一体化，学会控制系统性能分析比对和参数的调节优化，强化液压系统稳、准、快的控制思想与电、液联动调试方法。

（三）各模块实验原理简介

1.液压元件认知与设计模块实验原理。为了巩固基础知识，加深对液压元件的理解并培养创新精神，虚拟实验系统建立了丰富的液压元件和基础部件库，通过文字、图片或声音对其进行基本讲解，学生通过调用液压元件库中的对应元件，结合课堂讲授或教材上的理论知识，运用相应工具可对其进行任意拆装和解剖（如图1所示），充分观察元件结构和内部流道、阻尼孔、阀口、节流边、均压槽、摩擦副等关键部位的特征，弥补现有实验室因经费、场地等限制导致的元件种类和数量少、操作困难等不足之处。

学生还可以调用液压基础部件库，运用“功能单元法”，按照元件各部件的功能进行简化（如图2所示），学生根据原理组合出不同结构和功能的新型液压元件，促进学生思考，激发其创造力。

2.液压回路搭建模块实验原理。为了提高学生分析问题和实践动手的能力，建立良好的工程观念，虚拟实验系统开发了典型液压回路虚拟搭建、诊断功能模块。学生根据给定条件、目标原理图，从元件库中自主选择主要元件的类型（如图3所示）、主要参数（如图4所示）、连接和控制方式等，根据元件的连接方式，选择合适的工具（如图5所示）进行液压回路的虚拟装配搭建。

在装配搭建过程中，虚拟实验回路会检测元件的额定参数、传感器量程、元件安装方式是否正确，密封件是否安装、螺栓是否紧固，实时提示错误和故障，引导学生运用所学理论知识分析判断并纠正错误，直到液压系统正确搭建完成。为了强化学生的安全意识，模拟故障现场，如密封件未安装，出现安装面或接头渗漏，学生应补充安装;如安装阀件螺栓未紧固，启动泵电机后，油液从缝隙处喷射，甚至出现阀体从安装面喷出的场景;如压力设置超过安全值，管道破裂，油液飞溅。

通过虚拟实验操作，让学生亲身经历工具使用、元件选型和配合、系统的集成制造、故障处理等过程，领悟液压系统设计本质和维护要领。同时，排除了实际实验系统高压和强电伤害学员的隐患，避免了在装配过程中油液外泄导致的资源浪费和环境污染。

3.关键液压元件性能测试模块实验原理。为了培养学生的工程意识和机电专业知识的融合，虚拟实验系统开发了关键液压元件性能虚拟检测模块。学生操作系统，可对选定的液压缸的启动压力、带载动摩擦力等指标进行检测，分别生成启动压力曲线、带载动摩擦力曲线，通过试验结果分析比对，学会液压缸类性能曲线的识读和指标的计算，强化依据液压元件性能指标选型的设计能力。

4.典型液压系统测试与性能评判模块实验原理。虚拟实验系统开发了典型液压系统性能测试与控制参数调试测控模块。学生可对系统设定的典型位置伺服控制系统的试运行、阶跃响应、动态频宽等指标进行测试，生成阶跃响应曲线和频率特性曲线。通过对试验曲线识读，计算伺服控制系统的动态特性指标，并对主要控制参数（P、I、D等）进行调整，改善和优化控制系统的性能。

通过典型液压系统虚拟性能测试与控制参数调试操作，掌握液压位置闭环控制原理，体会机—电—液—控制一体化系统的复杂性，强化液压系统稳、准、快的控制思想与电、液联动调试方法。

（四）实验特色

1.对实验进行放大，即允许学生操作错误，虚拟操作不当导致的危险，培养学生的安全意识;可对实验进行缩小，即看到在实体实验中看不到的内部动作、流体流动状态等。

2.对实验进行加速，对进展缓慢且不关键的过程进行加速，缩短实验时间;对实验进行减速，对瞬时发生的现象进行减速或多次回放，便于观察细节。

3.对实验过程非线性化设计，操作顺序、操作方法、参数设置具有一定的随机性和任意性，允许容错、试错，不同实验条件产生不同的实验结果，训练学生的综合能力。

（五）教学效果

自“液压传动”虚拟仿真实验上线以来，对提高“液压传动”理论课和实验课教学效果起到了积极作用。学生反馈，虚拟实验生动有趣，提高了学生对液压传动课程的兴趣。本科一年级和二年级的学生通过虚拟实验，对专业知识体系和工程应用有了一定的了解;本科三年级学生反馈，虚拟实验加深了对课本知识的理解，在期末考试中，元件原理说明题的得分率有了大幅提高;本科四年级学生反馈，虚拟实验促使学生对“液压传动”“液压比例技术”等课程知识有了新的认识，对毕业设计有了较大帮助;在实物实验前，通过虚拟实验熟悉操作流程，提高了实验室的利用效率。目前，本校有近500名學生受益，特别是在疫情期间，虚拟仿真实验在实验教学中发挥了重要作用。

三、结语

“液压传动”虚拟仿真实验是信息技术与液压传动实验教学深度融合的产物，极大地拓展了专业实验的广度、深度和学习资源，特别适应现代化教学的发展，丰富了学生的学习模式。虚拟实验采用“线上+线下”教学相结合的个性化、智能化和泛在化的实验教学新模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，激发了学生的实验兴趣和积极性，提高了学生的实验操作技能。但是，如何将机电专业其他学科知识在该实验平台上有机融合，在不嵌入专业软件的前提下，实现梯形图的编制、曲线的生成，在实验时间分散、缺乏师生面对面的情况下，及时掌握学生的学习状态并给予帮助等，还需要进一步的研究与完善。

参考文献

[1]王浩. 高校土木工程专业虚拟仿真实验教学模式研究[J]. 牡丹江大学学报， 2018（1）：139-142.

[2]周学东， 张凌琳， 叶玲，等. 虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用[J]. 实验技术与管理，2014，31（5）：4-6.

[3]叶剑强，毕华林.国际数字化实验研究的热点、前沿与启示[J]. 现代教育技术， 2018（2）：19-25.

[4]赵红晓，聂国隽，俞永辉.流体力学虚拟实验平台的建设与应用[J].实验室研究与探索，2017，36（8）：122-124.

[5]高振国.基于Flash建立的虚拟液压回路系统的研制[J]. 实验技术与管理， 2008，25（8）：83-88.

[6]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.

[7]任晓智， 陈远玲， 耿葵花. 基于虚拟样机技术的“液压泵结构与性能分析”的实验教学研究[J]. 实验技术与管理， 2010， 27（12）：108-109.

[8]赵雷， 杨奕， 张利国，等. 基于混合式教学的“液压与气压传动”在线开放课程设计[J]. 实验技术与管理， 2018， 35（5）：165-168.

[9]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， 32（4）：144-146.

[10]陈敏捷， 羊荣金， 沈孟锋. 虚拟现实技术在液压传动实验教学中的应用研究[J]. 实验技术与管理， 2018，35（4）：136-139.