摘" 要" 通（斷）電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器是基于器件腔體內(nèi)空氣氣壓的變化，實(shí)現(xiàn)通（斷）電的延時(shí)控制。由于器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且以空氣氣壓變化為主的作用過程包括緊密銜接的多個(gè)環(huán)節(jié)，連續(xù)性、抽象性強(qiáng)。利用PPT動(dòng)畫的色彩漸變功能，可動(dòng)態(tài)地演示出隨氣腔內(nèi)、橡皮膜上下氣壓的變化，引起活塞、杠桿和微動(dòng)開關(guān)的一系列動(dòng)作過程，將無形的或不可見的變化過程形象地演示出來，從而化解難點(diǎn)，減少教學(xué)課件中的文字描述，提高授課效率。關(guān)鍵詞" 通（斷）電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器；動(dòng)畫組件；電工技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）10-0064-04

0" 引言

通（斷）電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器屬繼電接觸器控制系統(tǒng)中的時(shí)間控制器件，是電工技術(shù)課程中的必修章節(jié)，也是通信、電信專業(yè)需掌握的基本內(nèi)容。繼電接觸器控制系統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)是機(jī)、電結(jié)合的作用過程，作用環(huán)節(jié)多，不易觀察或不可見[1]。傳統(tǒng)教學(xué)多是結(jié)合器件固定的外形或剖面圖進(jìn)行文字講解[2]，占用較多課時(shí)，且往往效果不佳。

通（斷）電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器就是其中的一個(gè)典型代表，特別是其作用過程中最關(guān)鍵的氣壓變化環(huán)節(jié)，給學(xué)生的理解造成困難。氣壓的變化不僅直接與控制的延時(shí)有關(guān)[3]，而且與氣腔進(jìn)氣和出氣口的開合有關(guān)，所有這些過程均可用動(dòng)畫演示，完整地動(dòng)態(tài)展示從通（斷）電開始到通（斷）電完成的全部作用過程。以通電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器為例，按照“啟動(dòng)→吸引線圈通電吸合→動(dòng)鐵芯動(dòng)作→釋放彈簧作用及活塞受力→進(jìn)氣孔進(jìn)氣橡皮膜上下氣壓變化→活塞桿動(dòng)作→杠桿動(dòng)作→觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)→完成延時(shí)通電過程”和“關(guān)閉→吸引線圈斷電→恢復(fù)彈簧作用及活塞桿復(fù)原→橡皮膜復(fù)原→空氣由出氣口排出→繼電器狀態(tài)復(fù)原”的先后順序來描述動(dòng)畫的制作過程。

1" 通電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器工作過程的動(dòng)畫制作

通電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器完整的工作過程分為兩步：一是繼電器的通電延時(shí)啟動(dòng)過程；二是繼電器的通電延時(shí)恢復(fù)過程（或稱斷電恢復(fù)過程）。

1.1" 通電延時(shí)的啟動(dòng)過程

按照上述通電延時(shí)啟動(dòng)過程的九個(gè)步驟，其動(dòng)畫制作所涉及的全部組件如圖1所示。這里，組件是指每個(gè)可獨(dú)立產(chǎn)生動(dòng)畫動(dòng)作的組成圖形，這些圖形可以由多個(gè)圖形組合而成一個(gè)整體，稱為復(fù)合組件；也可由單個(gè)圖形產(chǎn)生動(dòng)作，稱為單個(gè)圖形組件。

圖中共有33個(gè)組件，其中前14個(gè)為結(jié)構(gòu)名稱文字組件。另外，有兩個(gè)通電線圈組件；有兩個(gè)恢復(fù)彈簧組件；有兩個(gè)由橡皮膜、活塞桿、釋放彈簧和擋塊組成的復(fù)合組件，稱為活塞組件；有兩個(gè)由托板和動(dòng)鐵芯組成的復(fù)合組件，稱為動(dòng)托組件；有三個(gè)氣腔內(nèi)橡皮膜上下的空氣密度變化組件；有兩個(gè)不同角度的杠桿組件；有四個(gè)微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)組件；有兩個(gè)排氣孔彈簧組件。包括單個(gè)形狀組件和多個(gè)形狀的復(fù)合組件，按圖1中的序號(hào)，各組件所表示的意義、構(gòu)成和動(dòng)畫如表1所示。

表1中，序號(hào)1～14的組件按順序分別對(duì)應(yīng)圖1中從橡皮膜到微動(dòng)開關(guān)1的繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)名稱；從序號(hào)15～33的各組件，主要按照啟動(dòng)過程動(dòng)畫動(dòng)作的先后順序排列。組件結(jié)構(gòu)表示復(fù)合組件或單個(gè)圖形組件。

對(duì)于組件的命名，特別是較復(fù)雜的、同一結(jié)構(gòu)的復(fù)合組件，需要在命名時(shí)加以區(qū)別。比如兩個(gè)活塞組件，26號(hào)是活塞釋放彈簧處于壓縮狀態(tài)時(shí)的組件，因此命名為“活塞組件（縮）”；而當(dāng)彈簧處于釋放伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)，則將對(duì)應(yīng)的27號(hào)組件命名為“活塞組件（伸）”。對(duì)于19、20號(hào)和32、33號(hào)的恢復(fù)彈簧和排氣口彈簧，也用類似方法進(jìn)行區(qū)別命名；15、16號(hào)是兩個(gè)重疊在一起的通電線圈組件，通、斷電狀態(tài)分別以紅、黃兩色表示，命名為“通電線圈（紅）”和“通電線圈（黃）”。

序號(hào)23～25的三個(gè)組件是以腔體空間顏色的深淺變化來表示空氣密度的變化，從而表示氣壓變化的，這是以動(dòng)畫表示繼電器工作教學(xué)法的關(guān)鍵內(nèi)容，是采用動(dòng)畫演示以延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行時(shí)間控制的關(guān)鍵步驟。23、24兩下腔體顏色采用快速改變?yōu)樯铧S色的動(dòng)畫效果，表示線圈通電后，活塞桿受力，下腔體氣壓快速增大；而上腔體組件25的顏色則隨23、24，采用慢速漸變的動(dòng)畫選項(xiàng)由淺黃逐漸變?yōu)樯铧S，表示隨進(jìn)氣孔進(jìn)氣量的增加，逐漸使氣壓與下腔體達(dá)到平衡，進(jìn)而使活塞組件產(chǎn)生下拉動(dòng)作。為便于教師課堂剖析氣壓變化進(jìn)程，這里的腔體氣壓變化動(dòng)作采用單擊開始。

另外，兩微動(dòng)開關(guān)共四個(gè)常開、常閉觸點(diǎn)，由于沒有形狀或顏色變化，僅位置不同，因此不再區(qū)別命名，僅用序號(hào)加以區(qū)別。但21、22和30、31觸點(diǎn)所代表的兩微動(dòng)開關(guān)的性質(zhì)截然不同，前者為瞬時(shí)觸點(diǎn)，后者為延時(shí)觸點(diǎn)。目前的主流教材對(duì)此并未詳述，容易產(chǎn)生誤解，而圖中17、18兩動(dòng)托組件的設(shè)置則很好地解決了這個(gè)問題。這里“動(dòng)托組件（下）”的單擊出現(xiàn)，使恢復(fù)彈簧19、20和觸點(diǎn)21、22連續(xù)動(dòng)作，使微動(dòng)開關(guān)1未經(jīng)延時(shí)就先于微動(dòng)開關(guān)2觸點(diǎn)30、31發(fā)生跳變，而觸點(diǎn)30、31是經(jīng)過腔體氣壓變化延時(shí)后才發(fā)生跳變，這樣就把瞬時(shí)和延時(shí)通過動(dòng)畫直觀地表示出來，因而使學(xué)生對(duì)此概念的理解輕而易舉[4-5]。

1.2" 通電延時(shí)的恢復(fù)過程

通電延時(shí)的恢復(fù)過程就是通電線圈斷電后，整個(gè)繼電器再恢復(fù)到通電線圈啟動(dòng)前狀態(tài)的過程。如表1中動(dòng)畫的第二列，其步驟從組件15通電線圈（黃）的出現(xiàn)和組件16通電線圈（紅）的消失開始，表示線圈已斷電，隨后的動(dòng)作，包括動(dòng)托組件，活塞組件，上、下杠桿，常開、常閉觸點(diǎn)和恢復(fù)彈簧，基本上是按照啟動(dòng)時(shí)的相反動(dòng)作（消失、出現(xiàn)）恢復(fù)到啟動(dòng)前狀態(tài)的。由于啟動(dòng)后上下腔體氣壓平衡，故組件23、24、25消失，當(dāng)活塞組件恢復(fù)原位置[活塞組件（縮）]后，在橡皮膜沖擊作用下，上腔體氣壓沖開排氣口彈簧，為此采用僅在恢復(fù)過程的排氣口彈簧動(dòng)畫組件，即組件32和33。32、33組件的使用連同進(jìn)氣孔的作用，可以很好地詮釋延時(shí)繼電器的氣壓漸變到恢復(fù)平衡的完整過程，這是課堂教學(xué)中容易忽視、卻必不可少的重要環(huán)節(jié)。

2" 斷電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器工作過程概述

斷電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器的工作原理本質(zhì)上與通電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器是相同的，區(qū)別僅在于動(dòng)鐵芯的位置上下倒換，活塞桿與動(dòng)鐵芯處于不受力接觸狀態(tài)，如圖2所示。

斷電延時(shí)空氣式繼電器工作的動(dòng)畫制作也可分啟動(dòng)和恢復(fù)兩個(gè)過程，啟動(dòng)過程是通電線圈通電后，兩微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)都是瞬時(shí)跳變，腔體排氣，沒有氣壓的漸變過程，其步驟類似于表1中的“恢復(fù)（瞬時(shí)）”欄；恢復(fù)過程即斷電過程，是通電線圈斷電后，微動(dòng)開關(guān)1仍是瞬時(shí)跳變；腔體氣壓漸變，使微動(dòng)開關(guān)2延時(shí)跳變，實(shí)現(xiàn)斷電延時(shí)，其步驟類似于表1中的“啟動(dòng)（延時(shí)）”欄。

3" 結(jié)束語

通（斷）電延時(shí)空氣式時(shí)間繼電器是電工技術(shù)教學(xué)“繼電接觸器控制系統(tǒng)”部分的典型代表器件，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理涉及電磁、機(jī)械、氣動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)，并包括多個(gè)連續(xù)的作用環(huán)節(jié)，且各環(huán)節(jié)多為抽象、隱秘或不可見的作用過程，占用大量的課堂教學(xué)時(shí)間和教學(xué)資源，教學(xué)效果卻不理想。

利用33個(gè)動(dòng)畫組件，按照通電線圈的通、斷，完成整個(gè)繼電器通電啟動(dòng)和斷電恢復(fù)兩個(gè)過程的動(dòng)畫制作，充分、詳盡地演示和剖析各工作環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程。特別采用顏色變化表示腔體空氣氣壓變化，進(jìn)而演示并強(qiáng)化繼電器通電延時(shí)概念的形成，使這一抽象概念得以明確、有形展示；結(jié)合氣壓變化，采用活塞和動(dòng)托組件分別動(dòng)作的方法，很好地表明及對(duì)比在通電啟動(dòng)和斷電恢復(fù)兩個(gè)過程中，瞬時(shí)和延時(shí)動(dòng)作的概念及區(qū)別，消除許多教學(xué)材料中未展開詳述[2]而造成不解或被忽視的問題。

高密度的動(dòng)畫應(yīng)用，非常適合高校培養(yǎng)計(jì)劃中課時(shí)壓縮、內(nèi)容多點(diǎn)的情況，特別是對(duì)于那些連續(xù)、抽象、不可見的無形變化過程[6]，并無其他圖形或公式等更多的描述方法，而語言、文字描述費(fèi)時(shí)費(fèi)力的情況。動(dòng)畫不但能夠剖析難點(diǎn)，而且能提高授課效率。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：2020年度河南省高等學(xué)校優(yōu)秀基層教學(xué)組織建設(shè)“中原工學(xué)院通信工程系”（教高〔2020〕393號(hào)）；2018年度河南省高等學(xué)校合格基層教學(xué)組織建設(shè)“中原工學(xué)院通信工程系”（教高〔2018〕1058號(hào)）；2020年度校級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)“通信工程系”。

作者：郭強(qiáng)，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)橥ㄐ?、雷達(dá)信號(hào)處理與算法仿真；宋曉煒，中原工學(xué)院科技處，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；楊蕾，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院通信工程系，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)；李春雷，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院通信工程系，工學(xué)博士，教授，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)；常怡萍，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院通信工程系，副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)（450007）。