張澤宇，耿 麒*，許仕偉

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室 陜西 西安 710064）

目前的工程機械實驗教材以設(shè)備為主，或采用虛擬仿真教學(xué)方式，較少考慮人機交互、施工工法、作業(yè)對象以及環(huán)境工況等因素，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳、難以與新工科背景下卓越人才的培養(yǎng)目標(biāo)相匹配。針對以上問題，以工程機械為對象，按照動力源-傳動系統(tǒng)-牽引與作業(yè)機構(gòu)的功率流開展完整傳動鏈的性能實驗，進一步結(jié)合人員操作、作業(yè)對象、工藝參數(shù)、環(huán)境工況等因素，開展工程機械地面力學(xué)性能實驗，構(gòu)建“人機料法環(huán)”五位一體的創(chuàng)新實驗教材體系。

1 工程機械性能實驗教材結(jié)構(gòu)

該課程根據(jù)工程機械性能傳動鏈分布展開，即：動力源性能實驗、關(guān)鍵傳動零部件性能實驗、關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)性能實驗、執(zhí)行對象性能實驗四個模塊；進一步充分考慮到工藝工法、作業(yè)對象以及環(huán)境工況等因素，形成“人機料法環(huán)”五位一體的創(chuàng)新實驗教材體系，如圖1 所示。

圖1 “人機料法環(huán)”五位一體的實驗教材體系

2 工程機械人機互動的性能實驗

人機互動實驗主要包括工程機械發(fā)動機與傳動系統(tǒng)性能實驗、工程機械牽引性能實驗、工程機械典型作業(yè)性能實驗等。從動力源-傳動系統(tǒng)-牽引與作業(yè)機構(gòu)開展完整傳動鏈的性能實驗。

2.1 發(fā)動機與傳動系統(tǒng)性能實驗

2.1.1 工程機械發(fā)動機性能理論與實驗

工程機械發(fā)動機性能理論與實驗中的理論部分，先闡述柴油發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、基本原理等，進而講解發(fā)動機的性能指標(biāo)，為后續(xù)的實驗奠定理論基礎(chǔ)。

發(fā)動機性能實驗使用的儀器主要有測功機和傳感器。發(fā)動機速度特性實驗是在油門開度相同的條件下，測定不同轉(zhuǎn)速下的扭矩、燃油消耗率等；負(fù)荷特性實驗是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速恒定的條件下，測定不同扭矩下的油耗量與油耗率等；萬有特性實驗是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、燃油供給量等確定的工況參數(shù)下進行，采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩輸出、燃油消耗率、排放物濃度等多項指標(biāo)。

發(fā)動機性能實驗可以讓學(xué)生掌握柴油發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量等性能指標(biāo)的測試原理和方法，更加深入地了解柴油發(fā)動機的工作原理。

2.1.2 工程機械傳動系統(tǒng)性能理論與實驗

發(fā)動機的功率主要通過傳動系統(tǒng)傳遞，以典型的發(fā)動機-變矩器-變速箱傳動鏈為例，開展液力變矩器與變速箱的傳動系統(tǒng)臺架實驗。

液力變矩器臺架實驗主要分為負(fù)載測試與效率測試。負(fù)載測試是記錄和分析液力變矩器在不同負(fù)載下的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和功率。效率測試實驗旨在評估液力變矩器的傳動效率和效能。

變速箱臺架實驗主要進行換擋測試與轉(zhuǎn)速和負(fù)載測試，其中，換擋測試實驗用于評估變速箱的換擋質(zhì)量。在轉(zhuǎn)速和負(fù)載測試中用于檢查變速箱在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下的工作可靠性。

2.2 工程機械牽引性能與滾動阻力實驗

工程機械牽引性能與滾動阻力實驗主要用于評估車輛的行駛性能表現(xiàn)，行走方式劃分為輪式和履帶式工程車輛，本課程主要講解工程車輛的功率平衡與牽引力平衡理論，其平衡構(gòu)架如圖2 所示。根據(jù)功率平衡方程得出發(fā)動機輸入傳動系統(tǒng)的功率流，進而確定工程車輛傳動系統(tǒng)的阻力與牽引力；計算車輛的牽引特性時，通常采用有效牽引力計算；最后根據(jù)有效牽引力研究車輪滑轉(zhuǎn)率、牽引效率與生產(chǎn)率之間的關(guān)系，為工程車輛的牽引性能實驗和滾動阻力實驗提供理論基礎(chǔ)。

圖2 工程車輛功率平衡及牽引力平衡架構(gòu)

工程機械牽引性能實驗主要使用五輪儀、傳感器等實驗設(shè)備。輪式、履帶式工程車輛在不同負(fù)載和不同車速的工況下，測試發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、實際行駛速度、理論行駛速度以及牽引力等性能指標(biāo)。根據(jù)工程車輛的牽引力平衡可計算出被測車輛的滑轉(zhuǎn)率、牽引功率和牽引效率值等，并繪制出牽引特性曲線。

工程機械滾動阻力實驗所采用的設(shè)備與牽引性能實驗大致相同，但滾動阻力實驗中需加入輪胎氣壓表，分別測定充氣橡膠輪胎在不同充氣壓力條件下、不同行駛速度下的滾動阻力，計算相應(yīng)的滾動阻力系數(shù)。

2.3 工程機械典型作業(yè)性能實驗

工程機械典型作業(yè)性能實驗，主要包括振動性能實驗、攪拌機均勻性能實驗、工程機械噪聲測試、工程機械環(huán)保排放測試等。

工程機械振動性能實驗以振動壓路機為例，開展其振動作業(yè)與減振性能實驗。攪拌機均勻性能實驗的主要實驗材料是瀝青、水泥等混合料，按照特定配比進行預(yù)定時間的攪拌，攪拌完成后進行取樣分析，評估攪拌機的均勻性能。工程機械噪聲測試主要使用聲級計、高空桿等實驗設(shè)備，依據(jù)《土方機械聲功率級的測定動態(tài)試驗條件》中的實驗方法，采集噪聲圓6 個點位的噪聲數(shù)據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果和相關(guān)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，評估工程機械的噪聲水平是否符合要求。工程機械環(huán)保排放測試主要使用不透光煙度計、抽氣泵等實驗儀器，在不同工作狀態(tài)下，進行排放物的取樣和測量，評估和監(jiān)測工程機械在運行過程中排放物的數(shù)量和質(zhì)量，以確保其符合相關(guān)的環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)。

工程機械典型作業(yè)性能實驗旨在評估和監(jiān)測工程機械的性能或特性，以確保其符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3 “料法環(huán)”實驗課程反饋體系

“料”指物料，是工程機械的作業(yè)對象，“法”指工藝工法，“環(huán)”指環(huán)境工況?！傲戏ōh(huán)”三者之間不僅存在聯(lián)系，還會在不同的工程機械中與“人機”產(chǎn)生影響。

以黃土壓實作業(yè)為例，首先，物料受到環(huán)境工況的影響，含水率、干濕容重等環(huán)境工況的變化會直接影響黃土的力學(xué)性能。在地面力學(xué)實驗中，模擬或控制相應(yīng)的環(huán)境工況，通過實驗結(jié)果的反饋，可以優(yōu)化工藝工法，以適應(yīng)不同的環(huán)境工況。

“人機”互動實驗是開展“料法環(huán)”實驗的基礎(chǔ)，同時，“料法環(huán)”實驗為“人機”實驗提供必要的數(shù)據(jù)和指導(dǎo)，從而形成了從人到設(shè)備再到作業(yè)對象的閉環(huán)課程反饋體系。

依據(jù)“人機料法環(huán)”課程反饋體系，在工程機械人機性能實驗的基礎(chǔ)上，開展工程機械地面力學(xué)性能實驗，主要包括土壤干容重/濕容重實驗、土壤剪切性能實驗、土壤擊實性能實驗、土壤固/液塑限實驗。這四個實驗相互補充，共同為工程機械的操作和施工提供了必要的土壤力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

4 結(jié)語

本文提出了“人機料法環(huán)”五位一體的創(chuàng)新實驗教材體系，以工程機械為對象，以“人機”實驗為基礎(chǔ)，結(jié)合“料法環(huán)”實驗展開，得到以下結(jié)論：

①在“人機”實驗方面，按照動力源-傳動系統(tǒng)-牽引與作業(yè)機構(gòu)的功率流，開展工程機械發(fā)動機與傳動系統(tǒng)性能實驗、牽引性能實驗、典型作業(yè)性能實驗，形成了完整傳動鏈的性能實驗。

②與“料法環(huán)”實驗相結(jié)合，通過改變作業(yè)對象的基本特性、工藝參數(shù)、環(huán)境工況等，開展工程機械地面力學(xué)性能實驗，形成了從人到設(shè)備再到作業(yè)對象完整的閉環(huán)教材體系，為新工科背景下的實驗課程體系建設(shè)提供了借鑒。