發(fā)動機整機裝配虛擬仿真實驗設(shè)計

馬富康

摘要：科學(xué)規(guī)范的發(fā)動機裝配工藝對于延長其使用壽命，增強安全性、經(jīng)濟性和動力性均有顯著作用。發(fā)動機裝配工藝規(guī)程就裝配內(nèi)容、方法、流程、技術(shù)、工具等方面進行了詳細的約束和管理。在發(fā)動機裝配工藝實習(xí)實訓(xùn)中，由于經(jīng)費、場地、設(shè)備要求等原因，學(xué)生的動手參與度較低。本文旨在通過進行虛擬仿真實驗設(shè)計，完成發(fā)動機零部件結(jié)構(gòu)認知、特征展示以及裝配工藝的實訓(xùn)和分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機;裝配工藝;虛擬仿真;實驗

引言：發(fā)動機的裝配對于其質(zhì)量及使用壽命都有重要影響。發(fā)動機裝配工藝虛擬仿真實驗就裝配內(nèi)容、方法、流程、技術(shù)、工具等方面，進行發(fā)動機裝配工藝的實驗實訓(xùn)，不僅節(jié)約經(jīng)費，場地、設(shè)備要求都不高，還可以讓很多學(xué)生同時參與實訓(xùn)[1]。通過虛擬仿真方法可以較快速進行發(fā)動機零部件結(jié)構(gòu)認知，結(jié)構(gòu)復(fù)雜特征展示;同時利用計算機仿真技術(shù)，進行裝配工藝的實訓(xùn)和分析，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代仿真工具分析與解決實際工程問題的能力。

一、虛擬仿真實驗方案設(shè)計

（一）設(shè)計思路。發(fā)動機裝配工藝虛擬仿真實驗方案包含：零部件認知、裝配準備、裝配實驗操作三個方面。

（1）發(fā)動機關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)認知。用戶登錄實驗系統(tǒng)，回顧和認識發(fā)動機組件，包括：機體、曲軸、連桿組、活塞組、氣缸蓋、氣缸套、凸輪軸、氣門、氣門室罩、曲軸上瓦片、曲軸下瓦片、軸承蓋等。（2）發(fā)動機裝配準備。用戶掌握裝配前的技術(shù)標準、清洗準備、裝配要點以及總成的檢驗與裝配。（3）發(fā)動機裝配工藝實驗。用戶按照發(fā)動機整機裝配工藝流程，依次完成氣缸套裝配、曲軸組裝配、活塞連桿組裝配、油底殼裝配、氣缸墊裝配、氣缸蓋總成裝配以及其他系統(tǒng)及附件裝配。在裝配過程，每一步操作均對應(yīng)有知識點提示、考核點完成，均記錄學(xué)生的裝配操作和工藝過程，作為成績評定依據(jù)。

（二）教學(xué)方法。采用多媒體知識點講解、視頻演示和虛擬實訓(xùn)相結(jié)合的教學(xué)方法開展本實驗。具體方法：（1）知識點講解針對發(fā)動機裝配前的技術(shù)標準、清洗準備、裝配要點以及總成的檢驗與裝配進行學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解虛擬仿真的目的、原理以及方法。（2）視頻演示為提前錄制的實驗視頻，按照教學(xué)視頻和實驗指導(dǎo)書，學(xué)生逐步進行發(fā)動機主要零部件結(jié)構(gòu)認知、功能原理和裝配工藝。（3）虛擬實訓(xùn)針對仿真實驗開展過程中的關(guān)鍵步驟進行仿真訓(xùn)練，實現(xiàn)裝配工藝規(guī)程的實訓(xùn)和知識點的考核。

（三）評價體系。（1）過程評價：占比50%，評價依據(jù)為每一個操作步驟的完成時間與質(zhì)量。（2）實驗報告：占比50%，評價指標為報告書寫的規(guī)范性、實驗結(jié)果的正確性、分析評價的合理性。

二、虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

實驗系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，參照實際實驗操作流程作為樣板，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容認知、實驗準備和實驗操作各環(huán)節(jié)及規(guī)范流程，實驗的各個環(huán)節(jié)配套相關(guān)的知識點學(xué)習(xí)與考核，實現(xiàn)了賬戶的互聯(lián)網(wǎng)登錄和實驗操作數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲[2]。

發(fā)動機裝配工藝虛擬仿真實驗采用人機交互界面設(shè)計和體驗，配套3D仿真、HTML5開發(fā)技術(shù)，運用Unity3D、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)提供發(fā)動機裝配工藝工程的實訓(xùn)。通過交互式仿真實驗設(shè)計，從實驗零部件認知、裝配準備、實驗裝配三方面進行，將線下實驗過程與線上實驗教學(xué)相結(jié)合，利用JAVA技術(shù)進行平臺開發(fā)，將實驗內(nèi)容與知識點、考核點有機融合。

三、發(fā)動機整機裝配虛擬仿真實驗說明

（一）實驗?zāi)康?/p>

（1）通過虛擬認知組件模塊，鞏固和加強發(fā)動機組件的認知，為后續(xù)的裝配工藝實施奠定必要的基礎(chǔ);（2）通過虛擬裝配準備模塊，熟悉發(fā)動機裝配的技術(shù)標準、清洗操作、裝配要點以及檢驗方法，培養(yǎng)良好的工作習(xí)慣;（3）通過虛擬實驗裝配模塊，掌握組件正確的裝配方法和工藝過程，解決學(xué)生在裝配過程中對零部件損壞以及安全的問題;（4）利用實驗系統(tǒng)，完成實驗操作、工藝過程分析及實驗數(shù)據(jù)的提取。

（二）實驗步驟

（1）氣缸套裝配，選用同尺寸分組的氣缸套進行裝配。（2）上主軸瓦（有槽）安裝在機體的主軸承座孔內(nèi)。（3）下主軸瓦（無槽）安裝在主軸承蓋內(nèi)。（4）將曲軸放置裝在上主軸瓦上，主軸頸與軸瓦接觸，涂機油并轉(zhuǎn)動曲軸。（5）在曲軸中間的主軸頸兩側(cè)安裝止推片。（6）將主軸承蓋安裝在主軸承座上，固定曲軸。（7）通過活塞銷將活塞與連桿小頭連接。（8）在活塞上裝配第一、二道氣環(huán)、油環(huán)，并裝入活塞銷和活塞銷卡環(huán)。（9）將連桿上瓦片安裝在連桿體的大頭孔。（10）將活塞連桿組通過氣缸孔自頂向下安裝在曲軸的曲柄銷上。（11）將連桿下瓦片按照對應(yīng)的連桿上瓦片安在對應(yīng)的連桿大頭蓋。（12）將連桿大頭蓋安裝在對應(yīng)的連體，實現(xiàn)曲柄連桿機構(gòu)的裝配。（13）油底殼裝配，注意位置正確和周布螺栓的預(yù)緊。（14）氣缸墊裝配，選擇規(guī)格與氣缸體一致的氣缸墊。（15）將氣門罩蓋在氣缸蓋和配氣機構(gòu)上部。（16）氣缸蓋兩側(cè)分別安裝進氣管和排氣管，圓形孔為進氣，方形孔為排氣。（17）其他系統(tǒng)及附件裝配。

（三）實驗方法

用戶登錄進入發(fā)動機裝配工藝虛擬仿真實驗系統(tǒng)，除組件認知模塊和裝配準備模塊外，實驗裝配模塊要求用戶需要通過所學(xué)知識按照順序進行發(fā)動機組件的裝配。同時，在裝配過程中進行重要知識點的鞏固、相關(guān)裝配工藝規(guī)程問題的考核。以氣缸套裝配為例，進行實驗裝配說明，如圖2所示。

結(jié)論：發(fā)動機裝配工藝虛擬仿真實驗主要圍繞認知組件、裝配準備、實驗裝配三模塊進行，采用虛實結(jié)合、自主學(xué)習(xí)和交流的實驗教學(xué)方法。（1）實驗系統(tǒng)可拓展成機型可變，參數(shù)自定義的靈活裝配訓(xùn)練;（2）通過對發(fā)動機關(guān)鍵零部件進行“模塊化—特征化—參數(shù)化”的建模，實現(xiàn)發(fā)動機整機裝配的多樣性、工藝參數(shù)的靈活性，加深對裝配工藝的理解和應(yīng)用;（3）通過“多層次、模塊化”的實驗系統(tǒng)設(shè)計，開展發(fā)動機整機裝配工藝實驗實訓(xùn)的多樣化服務(wù)。

參考文獻：

[1]楊杰，孫丹楓，張麗娟，葛晶.汽車檢測與維修虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)[J].時代汽車，2020（23）：21-25.

[2]梁彩云，李宏新，隋巖峰，欒旭，石峰.航空發(fā)動機虛擬采辦的構(gòu)建和發(fā)展設(shè)想[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2020，32（12）：2485-2493.

（中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院?030051）