一流学科建设背景下液压实验装置设计及应用

摘    要：一流学科建设的目标之一是培养高素质创新型人才，针对此目标，作者结合液压实验室的科研情况及液压实验教学大纲的要求，将一些原来研究成熟的科研项目转化为实验教学资源，并动手研制了综合液压实验教学装置，同时改革原来的实验教学方法，希望有助于一流学科的建设。

关键词：一流学科;实验装置;研制;应用;创新能力

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2021）06-0045-02

机械工程学科凭借在学科、学术队伍、人才培养等方面的优势成为山东省建设的32个一流学科中的唯一的一个机械工程学科[1]。其主要建设目标之一就是培养一批高素质创新型人才，具有开拓性、创造性、开创新局面的能力，提出新理论、新观点和新想法。以一流学科建设成果和高水平科研成果带动专业建设与发展，构建研教结合、产学互动的人才培养模式，突出强化学生的创新创业能力、工程能力以及解决复杂工程问题能力的培养[2]。基于上述建设目的，课题组人员调研了生产液压实验装置的厂家及各高校相关设备的使用情况，结合调研的情况，把已经做过的成熟的科研成果，结合实验教学大纲的要求，设计成一个能满足实验教学、提高学生创新能力的实验装置。以《液压传动与控制》实验教学大纲的要求为依据，在设计时也参照了国家B/T17491-2011标准《液压泵、马达和整体传动装置稳态性能试验及表达方法》等。

一、 液压实验装置的设计

（一）液压实验项目的设计

装置的设计以一流学科建设为目的，以创新能力、自我学习能力的培养为宗旨，结合进行的工程教育认证工作，优化对学生能力提高不大的实验项目，增加具有挑战性的综合性、研究性、设计性项目，使学生具有解决复杂工程问题的能力，掌握一定的基础知识和实验操作技能，并能够运用多门课程知识来进行实验方案设计及数据分析等。液压传动与控制这门课主要讲元件与系统这两部分内容，实验装置设计也主要体现这两部分内容，因此实验装置设计了三个实验项目：（1）柱塞液压泵马达的性能测试实验;（2）变量泵-变量马达组成的容积调速回路性能实验;（3）为了拓宽学生的知识面设计了液压综合传动装置的效率实验，这样的设计使教学与科研相结合，激发了学生对实验的兴趣，提高了学生综合能力。

（二）液压系统的设计

1.液压系统的设计。液压系统的设计考虑了三个因素：（1）必须满足实验项目的要求，同时要坚持“标准化、通用化、系列化”的原则。根据实验项目要求，液压系统采用教科书上典型的液压泵—马达构成的闭式调速系统，并进行改善。实验装置用于教学，所以采用节流加载方式，这种加载方式简单，但是也会产生节流损失，所以要在实验装置中添加冷却装置。（2）液压系统装了流量传感器、压力传感器、转矩转速传感器以及温度传感器等先进的液压测试技术，可以使学生了解各种传感器在液压测试技术中是如何应用的。（3）设计要考虑到安全性和操作性，在系统设计时要采用远程调压阀。

2.液压系统的组成。液压系统主要由如下部分组

成：（1）液压动力系统：液压泵把电动机的电能转化成液压能，并为整个液压系统提供动力，主要由电动机、变量柱塞泵等组成;（2）液压执行系统：液压马达把液压能转化成机械能，主要由变量柱塞马达等组成;（3）加载系统：对马达进行加载，主要由加载齿轮泵、节流阀以及溢流阀等组成;（4）控制系统：用来控制实验装置的液压系统的参数，主要由溢流阀等组成;（5）补油与热交换系统：由于实验系统是闭式系统，所以必须对系统进行补油、热交换，主要由电动机、补油泵、液动换向阀、背压阀及溢流阀等组成。

3.实验装置参数的拟定。实验教学目的是培养学生的创新能力、学会一些液压元件及回路性能的测试方法，因此选择了小排量的柱塞泵和柱塞马达，其额定压力为25MPa，所以系统压力值拟定15～20MPa、柱塞泵的排量10mL/r，这样系统的最大流量约为14L/min，能够满足实验教学的要求。

（三）电气控制系统设计

电气控制系统是为满足对实验装置的控制要求，而控制系统的设计则是灵活多样的，一般电气控制系统应满足实验装置的控制要求，要求线路简单、工作可靠性高、安全性好、故障率少、操作和维护方便以及投资少等。在这个电气控制系统中主要控制油泵电动机、补油泵的电动机及两个转矩转速传感器的调零电动机的正反转。另外，在设计控制电路时要考虑液压实验系统是闭式的，补油泵电机启动前，不允许主泵电机进行启动，所以这个环节要进行闭锁设计。这个控制系统既可使用常规继电—接触器的电气控制，也可采用PLC进行控制，经过比较还是采用前者的控制方式。通过实验要使学生了解实验控制系统的构成以及器件的作用。整个电气控制元件可以装在控制柜里，控制柜平面板上安装控制按钮，控制器件都安装在控制柜里，立板上可以装各种数显仪表，这样控制柜结构不仅简单、美观，还便于操作。

（四）數据测试系统的设计

随着科学技术的迅速发展，传感器在各个领域应用不断扩大，尤其是CPU的分散化，而产生智能化的传感器，在液压测试系统中也不例外，对液压元件、组件和液压系统的性能提出的要求也越来越高，同时通过实验要使学生了解到液压测试对技术人员的要求也很高，不但要懂得机械、液压，而且还要懂得电器控制、信号处理、测试原理以及实验方法等。所以在实验装置设计时采用了压力传感器、流量传感器、转矩转速传感器以及温度传感器等对液压系统的参数进行测试

（五）实验装置的布局设计

由于实验装置操作的对象是学生，所以要求其布置时必须坚持安全第一的原则。所采用布置如下：（1）把远程调压、加载阀块分别做成两块集成块，且安装在实验装置的前部。（2）油泵—电动机组以及马达—加载油泵组分别布置到台面的两侧，且电动机、液压马达靠后面布置。（3）控制阀块以及补油泵电机组布置到实验装置的中间，且电动机靠后面。（4）对于旋转的联轴器都做了安全保护罩，这样安装便于操作，而且安全，以防出现问题。

二、实验装置的应用

（一）实验教学理念

十几年来，学生都热衷于参加各种大赛，并且取得较好成绩，通过各种大赛也确实提高了学生的动手能力与创新能力，培养出一些创新型人才，如小平科技创新团队等。基于人才培养理念一直要求学生把在实验室做的实验项目当成大赛的题目来做，这样学生就必须根据实验项目的要求及课本上学到的理论知识对实验方案进行设计，包括根据实验目的要求去拟定可行的实验方案，那么这个实验就要求学生根据学到的液压传动与控制的知识、去查阅相关资料先设计出液压系统、明确要测试哪些数据及选择测出实验数据所需要的传感器、仪表等，然后再去拟定实验步骤，最后写出预习报告。这都有助于提高学生的创新能力。

（二）实验教学组织

1.实验预习与准备。由于实验项目的综合性很强，设备比较复杂，要求测试的实验数据比较多，所以要求学生实验前先进行预习。实验分组4～5人比较合适，这样既能按照要求完成实验项目，又能培养学生团队分工与协作精神。学生在对照实验装置时，要比对一下自己设计的液压系统与实验室的有什么异同，并在开机实验前搞清楚实验原理，检查自己拟定的实验步骤是否合理。对变量泵—定量马达容积调速实验来说，拟定的实验步骤要符合要求才能进行实验，否则要修正自己的实验步骤才可以进行实验。

2.实验过程的组织。根据变量泵—定量马达容积调速这个实验项目要求，每组人员具体分工如下：1人操作实验装置的液压部分，1人操作实验装置的电气控制部分，由于实验过程中要读出压力、流量、温度、转矩、转速以及功率等实验数据比较多，所以要有1～2人来负责记录，1人负责总体，监督实验的整个过程不得出现操作错误，并按照拟定好的实验步骤进行操作、测得实验数据，完成实验。

在实验开始前特别提示学生注意：（1）要先启动供油泵，再启动主油泵。（2）实验过程中要控制马达的转速不准超过其额定转速1500转。（3）在此实验结束后先停止主油泵，等马达停止后再停止供油泵[3]。

3.实验成果分析。实验成果分析是实验重要组成部分，与实验原理、实验方法、实验步骤及实验数据形成一个完整的实验体系。因此，提高学生对实验成果分析能力是提高学生实验能力的重要环节，有助于提高与培养学生的创新思维和创新能力。由于这个实验装置在设计时选用了各种传感器及仪表，没有采用计算机对数据进行分析与处理，所以要求学生自己动手对测得的实验数据进行计算，得出实验结论及绘出实验曲线。

三、实验应用效果

实验装置投入使用后，每学年都完成了机械设计制造及其自动化、机械电子工程、材料成型、物流工程、车辆工程及采矿工程等专业的液压传动与控制课程及相关课程的实验教学任务，服务学生数量达800人。实验能力的提高也为学生参加各种大赛奠定了基础，近三年来学生获得科技创新类竞赛国家级特等奖、一等奖356项、二等奖939项、三等奖1364项，省级奖励达3 000余项。2017年全国普通高等学校竞赛评估结果（本科）TOP 100中排名42位。2010年来学生累计获得专利4 800余件。当然这些成果不只是靠一門或者几门课程的实验教学改革取得的，而是靠每个教学环节对学生能力的培养才可以实现 。随着一流学科建设的进行，很多实验室将结合各自的科研情况来研制一些综合型实验装置，以满足一流学科的建设需求。

参考文献：

[1]周光礼，武建鑫.什么是世界一流学科[J].中国高教研究，2016（1）.

[2]时连君，魏绍亮.基于产学研协同创新的应用基础型本科实践教学体系的构建与实践[J].实验技术与管理，2015（5）.

[3]时连君，时慧喆，万殿茂，等.液压及气压传动实验教程[M].北京：中国电力出版社，2018：11.