王 健 趙振江 宋向前 萬(wàn) 浩 李 楊

（泰州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，泰州 225300）

隨著全球智能化的快速發(fā)展，我國(guó)實(shí)施了“中國(guó)教育現(xiàn)代化2035”“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”“中國(guó)制造2025”等一系列重大戰(zhàn)略，推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)由“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”轉(zhuǎn)型升級(jí)[1-2]。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)電設(shè)備中的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，其性能的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的運(yùn)行，而空化現(xiàn)象會(huì)極大地影響系統(tǒng)運(yùn)行的效率及穩(wěn)定性[3]。因此，培養(yǎng)能夠掌握液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并能夠針對(duì)空化問(wèn)題進(jìn)行診斷和優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜合應(yīng)用型人才迫在眉睫[4]。但是，目前液壓傳動(dòng)課程及其課程設(shè)計(jì)大多采用理論加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法授課，與行業(yè)實(shí)際脫離較遠(yuǎn)。學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握仍處于一知半解的狀態(tài)[5]。

文章基于“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則，依托典型數(shù)控加工中心，設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展空化故障的診斷與優(yōu)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以期拓寬液壓傳動(dòng)課程的深度與廣度，增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力與解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力，同時(shí)樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與工匠精神，培養(yǎng)具備高水平的綜合應(yīng)用型機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)人才。

1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與空化優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入大

數(shù)控加工中心實(shí)驗(yàn)臺(tái)占地面積大、價(jià)格昂貴，運(yùn)行過(guò)程中機(jī)、電、液、氣資源耗費(fèi)巨大，且拆裝困難，后期維護(hù)成本較高。受資金和場(chǎng)地的限制，僅可通過(guò)演示或分組進(jìn)行的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，且大多液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)僅能開(kāi)展驗(yàn)證性和基礎(chǔ)性的綜合設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，與實(shí)際工程問(wèn)題脫離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣、參與度不高、實(shí)踐效果較差，無(wú)法滿(mǎn)足人才培養(yǎng)的需求。因此，開(kāi)展基于典型數(shù)控加工中心的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性、提高課程教學(xué)質(zhì)量的必然舉措。

1.2 空化實(shí)驗(yàn)難度大

設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)旨在訓(xùn)練學(xué)生在開(kāi)展典型數(shù)控加工中心液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中貫穿融入空化現(xiàn)象的診斷和優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與辯證思維，是一種綜合的設(shè)計(jì)探索型實(shí)驗(yàn)。但是，由于空化現(xiàn)象發(fā)生在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)元件與管路內(nèi)部，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生無(wú)法直接觀(guān)測(cè)到氣泡發(fā)生的位置與結(jié)構(gòu)形態(tài)，無(wú)法直觀(guān)地觀(guān)測(cè)空化發(fā)生時(shí)空泡的初生、發(fā)展以及潰滅的非定常動(dòng)態(tài)過(guò)程，難以對(duì)不同液壓部件采取針對(duì)性的優(yōu)化措施，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程會(huì)對(duì)液壓元件造成不可逆的材料損傷[6]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程基于“以學(xué)生為中心”的原則，以組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及空化優(yōu)化為最終目標(biāo)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法為主導(dǎo)，輔以探究法、觀(guān)察法、比較法等實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，制定了“一貫通，三遞進(jìn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將工匠精神的培養(yǎng)貫穿于基礎(chǔ)層、設(shè)計(jì)層與創(chuàng)新層3 個(gè)實(shí)驗(yàn)階段?；A(chǔ)層包括實(shí)驗(yàn)所需知識(shí)的回顧與儲(chǔ)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的行業(yè)背景、液壓與氣壓元件的認(rèn)知。設(shè)計(jì)層包括液壓系統(tǒng)的工況分析與計(jì)算、元件的參數(shù)計(jì)算與選擇、基本回路的選擇與合成、系統(tǒng)性能的驗(yàn)算。創(chuàng)新層包括空化問(wèn)題的診斷與優(yōu)化、空化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。實(shí)驗(yàn)階段層層遞進(jìn)，由淺入深，將課本知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際深度融合，充分鍛煉學(xué)生解決困難工程問(wèn)題的能力，達(dá)到培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才的目的。實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程與實(shí)驗(yàn)方法如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程與實(shí)驗(yàn)方法

2.2 教學(xué)方法

2.2.1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法為主線(xiàn)，貫通實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全過(guò)程。通過(guò)客戶(hù)訂單發(fā)布的模式，營(yíng)造真實(shí)的商業(yè)場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成訂單任務(wù)的興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生依序完成各實(shí)驗(yàn)?zāi)K，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與空化診斷優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

2.2.2 自主學(xué)習(xí)與自主設(shè)計(jì)教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)立足“以學(xué)生為中心”的原則，使學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上自主學(xué)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)工程背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)流程，知曉實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件與操作方法，回顧復(fù)習(xí)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)前后關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)，最終依據(jù)自學(xué)考核成績(jī)判定是否能夠進(jìn)入下一實(shí)驗(yàn)?zāi)K。自主設(shè)計(jì)教學(xué)方法主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)第二階段，學(xué)生將根據(jù)互動(dòng)提示與要求自主完成液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，鍛煉學(xué)生掌握有效的學(xué)習(xí)方法，樹(shù)立自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，從而具有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

2.2.3 比較式教學(xué)方法

該教學(xué)方法主要應(yīng)用于組合機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。學(xué)生需要通過(guò)比較不同的液壓回路實(shí)現(xiàn)任務(wù)設(shè)計(jì)的需求，并對(duì)各功能回路進(jìn)行整合、歸并、整理，比較評(píng)判不同方案的優(yōu)劣，在滿(mǎn)足要求的情況下以回路精簡(jiǎn)、工作安全可靠、節(jié)省能源以及調(diào)整維護(hù)方便為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使學(xué)生在對(duì)比過(guò)程中掌握優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理，樹(shù)立持續(xù)改進(jìn)的意識(shí)。

2.2.4 觀(guān)察式教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在第三階段采用觀(guān)察式教學(xué)方法，需要學(xué)生對(duì)初步設(shè)計(jì)完成的組合機(jī)床液壓系統(tǒng)進(jìn)行觀(guān)察診斷，根據(jù)系統(tǒng)工作壓力與噪聲的異常判定是否發(fā)生空化現(xiàn)象，并采用正確的測(cè)試方法判定發(fā)生位置，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

2.2.5 探究式教學(xué)方法

探究式教學(xué)方法同樣應(yīng)用于第三階段。學(xué)生將根據(jù)診斷結(jié)果針對(duì)性地開(kāi)展故障排除或液壓元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，使學(xué)生在探索中構(gòu)建理論知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

2.2.6 歸納式教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)第四階段采用歸納式教學(xué)方法，讓學(xué)生對(duì)生成的組合機(jī)床仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)并整理歸納，最終形成完整的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。

2.3 能力培養(yǎng)

2.3.1 探究液壓泵安裝高度對(duì)空化性能的影響規(guī)律

為了考查學(xué)生對(duì)伯努利方程、真空度知識(shí)的掌握程度，設(shè)置液壓泵安裝高度對(duì)空化性能影響的探索實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析獲得規(guī)律的能力。學(xué)生通過(guò)自由調(diào)節(jié)油箱內(nèi)的油液高度進(jìn)行仿真，隨后根據(jù)仿真結(jié)果分析油液高度與液壓泵進(jìn)口真空度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，總結(jié)歸納液壓泵一般允許的最高真空度。

2.3.2 探究閥口開(kāi)度、閥芯和閥座結(jié)構(gòu)對(duì)空化性能的影響規(guī)律

調(diào)速閥、換向閥等閥類(lèi)零件是空化現(xiàn)象的“重災(zāi)區(qū)”。閥座與閥芯構(gòu)成的閥口通道狹窄導(dǎo)致油液流速升高、壓力降低，極易引發(fā)空化。為了讓學(xué)生掌握閥類(lèi)零件的空化性能優(yōu)化對(duì)策，利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬數(shù)據(jù)真實(shí)還原空化過(guò)程。學(xué)生可以搭配不同結(jié)構(gòu)的閥座和閥芯組合，再通過(guò)調(diào)節(jié)閥口開(kāi)度觀(guān)察流道內(nèi)的空泡發(fā)展情況，分析影響調(diào)速閥空化性能的關(guān)鍵因素并總結(jié)規(guī)律。不同閥座和閥芯結(jié)構(gòu)組合在相同閥口開(kāi)度時(shí)的CFD 空化流場(chǎng)仿真示意圖，如圖2 所示。學(xué)生可以通過(guò)圖2 中空泡區(qū)域的大小總結(jié)歸納調(diào)速閥的空化性能優(yōu)化思路。

圖2 不同閥芯和閥座組合調(diào)速閥空化流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于CFD 數(shù)值模擬方法的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，采用分層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)體系，將課程思政元素貫穿始終，以液壓系統(tǒng)的空化問(wèn)題為落腳點(diǎn)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，以期培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和應(yīng)用實(shí)踐能力。在枯燥的公式計(jì)算中穿插問(wèn)題的提出，循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納，總結(jié)可行的液壓系統(tǒng)空化性能診斷和優(yōu)化對(duì)策。這樣不但能夠全方位拓寬學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)，還能夠潛移默化地利用不同交互方式培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神與職業(yè)素養(yǎng)，幫助其樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。