液壓與氣壓傳動實驗教學的改革與實踐

孫月華, 徐　鵬, 劉春生, 劉元林

(黑龍江科技大學 機械工程學院, 黑龍江 哈爾濱　150027)

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液壓與氣壓傳動實驗教學的改革與實踐

孫月華, 徐鵬, 劉春生, 劉元林

(黑龍江科技大學 機械工程學院, 黑龍江 哈爾濱150027)

根據“卓越工程師教育培養計劃”的要求,對液壓與氣壓傳動的實驗教學內容進行了改革,在傳統實驗的基礎上增加了具有工程應用的系統設計與仿真實驗。以肋片管自動焊接機液壓系統為例,較詳細地介紹了所增加實驗的實驗過程和仿真方法。通過該實驗教學內容的改革逐步提升了學生的實際動手、創新、獨立思考和軟件應用能力,為卓越計劃順利地實施提供了保障。

液壓與氣壓傳動； 肋片管自動焊接機； 實驗教學； 卓越工程師

2010年,教育部提出了卓越工程師教育培養計劃,目的是培養一批具有創新能力、能更好地適應社會需要的高質量工程技術應用人才,為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務[1-2]。本科教育不僅要培養研究型人才,更要以培養國際化、高水平、創新型人才為己任,學生應學以致用、各盡其才。

黑龍江科技大學的機械設計制造及其自動化專業是黑龍江省卓越試點專業,專業的建設目標是培養德、智、體全面發展,具有堅實的自然科學與技術、人文社會科學基礎,具有機械設計制造基礎知識及應用能力、自主學習和創新能力、組織協調能力,能在機械工程及相關領域從事機電產品設計制造、科技開發、運營管理等方面工作的復合型高級工程技術人才。實驗教學是達到此培養目標的重要教學環節。

1　液壓與氣壓傳動實驗教學內容改革

液壓與氣壓傳動課程是機械設計制造及其自動化專業的專業課程,該課程理論性強、與工程實際聯系較密切。目前黑龍江科技大學共開設了10學時的液壓與氣壓傳動基礎性實驗。原實驗方法、實驗內容與多數工科院校基本相似,實驗內容不能充分滿足卓越工程師培養的需求,不能很好地發揮學生的創新能力。因此在卓越工程師培養目標的要求下,對液壓與氣壓傳動實驗教學的改革是非常必要的。

為了提高學生的實踐創新能力,更好地滿足卓越工程師教育培養的要求,液壓與氣壓傳動實驗教學在原有實驗內容的基礎上增加了具有工程實際的實驗內容,對學生的實際動手能力、創新思維能力等進行全面的訓練。學生能加深對理論知識的理解和應用,也能應用所學的基礎理論、基礎知識解決基本工程問題,較好地培養學生的創新能力和實踐能力[3-5]。

2　工程應用背景下實驗內容的設計

在原有的基礎性實驗的基礎上增加了俱用工程應用的綜合性、設計性實驗。該實驗是在學生學完液壓與氣壓傳動的理論課,同時做完基礎性實驗后來完成的。首先學生分成小組,每組3～4人,結合工程實際完成液壓系統設計(該內容一般是指導教師給出),在液壓試驗臺上聯接并進行調試,同時應用液壓動態仿真軟件Automation Studio 對所設計的工程實際系統進行仿真,通過分析來判斷所設計的系統是否滿足工程實際。如不滿足工程要求則重新設計和調整,最終使系統能更好地滿足工程實際的要求[6-8]。

以肋片管自動焊接機液壓系統為例說明綜合性實驗的實驗過程。

2.1肋片管自動焊接機的主機工作過程

肋片管是一種散熱片,是用電阻焊把肋片焊接在無縫管上的新型高效熱能交換器。肋片管自動焊接機能把肋片自動地焊接在無縫管上,其動作主要由上料和焊接兩部分組成,其中焊接機的上料動作通過能間歇運動的推/拉液壓缸實現。

該液壓運動完成工作的過程是:送片→片夾緊管夾緊→片堆焊→送片返回→片松開管松開→推片返回→小拖板夾緊→步進→大拖板夾緊→小拖板松開→步進復位→大拖板松開。

2.2自動焊接機液壓系統設計

圖1所示為焊接機的液壓系統原理圖。液壓回路是雙回路系統,圖1左側是步進系統,右側是焊接回路系統。回路由液壓泵1供油,溢流閥2和電磁換向閥3保證系統供油壓力和系統卸荷,壓力表4用來監測泵的壓力。為防止油液倒灌和雙回路互相干擾,分別增設了單向閥5和單向閥6。

2.2.1步進系統

圖1左側的步進系統由液壓缸21、23實現拖板夾緊功能，液壓缸22實現推拉動作。系統中的換向由換向閥8來實現。液壓缸是按大、小拖板夾緊→小拖板松開→步進復位→大拖板松開的順序來完成的,液壓缸的順序動作由壓力控制方式來實現,也就是當系統壓力變化時,由3個壓力繼電器控制各電磁換向閥的通斷和單向閥14的開閉來完成步進動作。推/拉液壓缸的運動速度由節流閥17來調節。

2.2.2焊接回路

圖1右側的焊接回路的執行器包括實現管夾緊、片夾緊、送片、片堆焊的液壓缸31—34。與步進回路一樣,該回路中三位四通電磁換向閥9是主換向閥。4種液壓缸的動作順序為送片→片夾緊→管夾緊→片堆焊→片返回→片松開→管松開→推片返回,缸的動作采用壓力控制方式實現,也就是系統壓力變化,單向順序閥24、25、35和單向減壓閥26及壓力繼電器27的啟閉、發信使缸的油路通斷,順序實現上述動作。單向減壓閥用于設定堆焊缸34的工作壓力并保持其穩定,單向節流閥28和29則用于調節兩個堆焊缸的工作速度。

圖1　焊接機的液壓系統原理圖

液壓系統主要技術參數如下:

(1) 液壓缸:缸筒內徑100 mm,活塞桿直徑50 mm,行程500 mm；

(2) 液壓泵:排量100 mL/r,轉速1 200 r/min。

2.3自動焊接機的配電原理及配電圖

自動焊接機中液壓元件的動作順序如表1所示,配電圖如圖2所示。

表1　自動焊接機中液壓元件的動作順序表

當焊接工作時,電磁鐵1YA通電，使三位四通電磁換向閥9切換至左位,液壓泵1的壓力油經換向閥9進入缸32的無桿腔(有桿腔經閥9向油箱排油),進行送片動作。送片到位后,系統壓力升高,順序閥24打開,壓力油經閥24分別進入缸31和缸32的無桿腔 (有桿腔經閥9向油箱排油),進行管夾緊和片夾緊動作。夾緊后,系統壓力升高并打開單向順序閥35,壓力油流經閥35。油液經單向減壓閥26分兩路經節流閥28和29分別進入兩個缸34的無桿腔，有桿腔經閥25和閥9向油箱排油,進行片堆焊。堆焊速度取決于閥28和閥29的開度。動作完成后壓力繼電器27發信,使換向閥9切換至右位,各液壓缸回程復位。

進給工作時,電磁鐵3YA帶電、三位四通電磁換向閥8左位工作,泵1的壓力油經單向閥5和閥6、換向閥8、單向閥10進入小拖板夾緊缸21的有桿腔,小拖板固定在工作臺導軌上。當系統壓力升高到繼電器19的設定值時發出信號，使電磁換向閥13的電磁鐵7YA帶電,閥13下位工作,缸23在無桿腔的彈簧作用下,松開大拖板,有桿腔的回油經閥13和閥8回油箱排油。

當壓力繼續升高達到閥14設定值時,14打開,壓力油經閥14、15、17進入推/拉缸22的有桿腔,推/拉缸工作。當推/拉缸停止工作后,繼電器18發信,換向閥8中的電磁鐵3YA失電,4YA通電,換向閥8右位工作,壓力油經閥8進入推/拉缸22的無桿腔,另一路經閥11進入大拖板夾緊液壓缸23的有桿腔,在單向閥15的作用下,推/拉缸22有桿腔回油被截止,因此該缸不動。大拖板夾緊液壓缸23的活塞桿工作將大拖板固定在導軌上,當夾緊后,繼電器20發信使6YA、8YA通電,12上位工作和16右位工作,小拖板夾緊液壓缸21有桿腔經閥12和閥8回油,小拖板松開,而推/拉缸22的有桿腔油經節流閥17、換向閥16、單項順序閥14、換向閥8流回油箱,活塞桿復位。

圖2　自動焊接機配電圖

2.4推/拉液壓缸的速度特性分析

推/拉液壓缸的速度特性曲線如圖3所示。

圖3　推/拉液壓缸速度曲線

T1的前一時刻推/拉液壓缸靜止,因此速度為零。當到達T1時刻時,推/拉液壓缸處于推的狀態,到達極限位置時停止,速度變為零；T2時刻為大拖板夾緊過程與之無關,因此速度為零。當到達T3時刻時,推/拉液壓缸處于拉的過程,當達到左側極限位置時停止。從圖3可以看出：T1和T2過程推/拉液壓缸的推和拉動作運行速度平穩,大小相等、方向相反,與實際步進過程一致,因此滿足要求。

2.5結論

(1) 焊接機的液壓系統采用單泵雙回路形式,各回路設一個主換向閥,兩個回路間由單向閥隔離,以避免相互干擾。

(2) 焊接機的進給送料通過導軌上的大小拖板和推/拉液壓缸的間歇運動來實現。步進回路采用壓力繼電器和電磁換向閥配合實現各液壓缸的既定動作順序。與采用機械、步進電機、步進液壓缸3種步進方式相比,能滿足長距離的步進的要求,成本較低。

(3) 焊接回路采用單向順序閥的壓力控制方式實現多缸的動作順序轉換；采用減壓閥和單向節流閥實現堆焊缸工作壓力的設定和調速。

通過幾年來實驗教學實踐,學生認為工程實際應用的系統設計實驗對他們的實際動手能力、分析問題和解決問題能力、創新能力都有較大提高。

3　結語

液壓與氣壓傳動在工程實際中應用非常廣泛。液壓與氣壓傳動實驗通過“工程設計→實際搭建→Automation Studio系統仿真”的實踐過程,成為學生應用工程實例、自己動手親歷鍛煉、采用軟硬件結合的高等院校是“卓越工程師”培養的重要基地,要提高工程技術應用人才的培養質量,實踐教學的改革是必不可少的,通過改革能培養學生的創新能力和實踐動手能力。通過不斷地改革,使實驗教學更加貼近當今技術的發展趨勢,有利于培養適應社會發展需要的高質量技術人才[9-13]。

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Reform and practice of hydraulic and pneumatic transmission experimental teaching

Sun Yuehua, Xu Peng, Liu Chunsheng, Liu Yuanlin

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & technology,Harbin 150027,China)

The engineering practical teaching is one of the most important contents of the reform of excellent engineer plan. According to the requirements of “Excellent engineer education and training plan,” reforming hydraulic and pneumatic transmission experimental teaching contents on the basis of traditional experiment, this article increases the engineering application system design and simulation experiment. The experiment process and the simulation method are introduced in detail by taking the concrete engineering practice as an example. Through the reform of the contents, the students’ practical skills, innovatiability, and independent thinking and software application ability are improved,which can provide the guarantee for the smooth implementation of the project.

hydraulic and pneumatic transmission; rib tube automatic welding machine; experimental teaching； excellent engineer

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.031

2016-05-23

黑龍江省教育科學“十二五”規劃備案課題(GBC1214062)；2014年黑龍江科技大學教學研究項目(JY14-52)

孫月華(1965—),女,黑龍江哈爾濱,本科,教授,主要研究方向為機械設計及其理論、液壓與氣壓傳動.E-mail：1580774753@qq.com

TH137.9；TH138.9；G642.4

A

1002-4956(2016)10-0123-04