類比分析法在液壓與氣壓傳動課程教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

劉 智 劉修泉 楊 偉 張濤川 劉 俊

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引言

液壓與氣壓傳動技術(shù)作為流體傳動的一個重要分支在國防、航空航天、汽車、工程機(jī)械、造船、機(jī)床等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。液壓與氣壓傳動課程更是普通高校機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課程，在機(jī)械工程領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性[1]。

本課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有較好的空間想象能力、識圖能力以及一定的理論基礎(chǔ)。由于課程內(nèi)容的概念相對比較抽象、各種液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理相對復(fù)雜，從而導(dǎo)致了教師授課質(zhì)量以及學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量不甚理想。因此，怎樣在本課程教學(xué)過程中開展教學(xué)改革，提高教師授課質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量及興趣便成為亟待解決的一個關(guān)鍵問題。針對傳統(tǒng)液壓教學(xué)存在的問題，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，倪君輝等人開展了液壓與氣壓傳動課程教學(xué)改革與實(shí)踐[2]。通過實(shí)施模塊化液壓項(xiàng)目教學(xué)，利用Fluid SIM仿真軟件對典型元器件、基本回路進(jìn)行仿真及調(diào)試，從理論和實(shí)踐的角度對課程知識點(diǎn)進(jìn)行講解。芮宏斌[3]等人圍繞液壓與氣壓傳動課程，從教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)考核等方面進(jìn)行了改革，運(yùn)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，通過構(gòu)建技能訓(xùn)練與研究能力培養(yǎng)相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新考核評價體系，激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力提高。楊國善積極創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)情境，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)液壓與氣壓傳動課程的熱情和全面培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)及能力有積極作用[4]。李松[5]等人依據(jù)培養(yǎng)創(chuàng)新人才理念，結(jié)合液壓與氣壓傳動課程實(shí)踐環(huán)節(jié)特點(diǎn)，針對不同專業(yè)，從實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、方法及延伸性等方面進(jìn)行了改革和實(shí)施。熊志宏[6]、潘靜[7]等人根據(jù)教學(xué)目標(biāo)重新修訂教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)大綱、理論教學(xué)、實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)考核，對教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，提高了教學(xué)質(zhì)量。

本文結(jié)合自身多年在基礎(chǔ)課程教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造性地將電工基礎(chǔ)中的基本理論通過類比分析方法，運(yùn)用到液壓與氣壓傳動課程教學(xué)當(dāng)中，用于輔助流體力學(xué)基本理論、液壓元器件以及常見液壓基本回路等核心知識點(diǎn)的理解和分析，以此來達(dá)到提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及興趣和教師的授課質(zhì)量的目的。

1 類比分析方法研究

液壓傳動中的某些液壓元件跟電氣傳動當(dāng)中某些元器件在對應(yīng)的回路中的功能極其相似，甚至一些基本理論亦是如此。比如，電子從高壓處往低壓處流動形成電流；液壓油亦從高壓處往低壓處流動形成液壓油的流量。下面采用類比分析方法闡述電工基礎(chǔ)中的基本理論在輔助液壓基本理論、典型液壓元器件、常見基本回路知識點(diǎn)理解的案例。

1.1 基本理論類比分析

如圖1所示，一定大小的電流I經(jīng)純電阻R1后接地，電阻上的壓降為U1。

圖1 純電阻電路

在忽略其他損失的情況下，由物理學(xué)知識可知，電阻上消耗的電功率P為：

在液壓系統(tǒng)中，以常見的執(zhí)行元件液壓缸為例，如圖2所示，在壓力油的作用下，液壓缸活塞缸以一定速度v向外伸出，并產(chǎn)生一定的推力F。

圖2 液壓缸工作回路示意圖

假定忽略摩擦和其他能量損失，此時液壓缸消耗的功率P為：

式中，P為功率，kW；F為推力，N；v為速度，m/s；p為油壓，MPa；A為面積，m2；Q為流量，L/min。

將上述兩種回路中原件所消耗功率的表達(dá)式列出如下：

通過上述表達(dá)式可以看出：電路中電壓對應(yīng)液壓傳動系統(tǒng)中的油壓；電路中電流對應(yīng)液壓傳動系統(tǒng)中的流量；二者乘積均等于對應(yīng)回路中元件所消耗掉的功率。

1.2 基本元件類比分析

二極管具有單向?qū)щ娦阅埽唇o二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。二極管的導(dǎo)通和截止，則相當(dāng)于某一條支路上開關(guān)的接通與斷開。如圖3所示。

圖3 二極管原理圖及實(shí)物圖

單向閥具有單向流通性，即給單向閥正方向通入壓力油（A→B）時，單向閥導(dǎo)通。當(dāng)單向閥反方向通入壓力油時，單向閥截止。單向閥的導(dǎo)通和截止，則相當(dāng)于某一條油路上閥門的接通與斷開。如圖4所示。

圖4 液壓單向閥原理圖及實(shí)物圖

通過對上述元件的對比分析可以看出：電路中的二極管與液壓元件中的單向閥在原理和功能上極其相似。在兩種不同物理回路中，與上述二極管和單向閥一樣具有類似功能的元器件還有變壓器和減壓閥（增壓缸）、接觸器和換向閥、電容和蓄能器、三極管和先導(dǎo)閥、滑動變阻器和調(diào)速閥（節(jié)流閥）等。

1.3 基本回路類比分析

除了上述基本理論、典型元器件在兩種不同物理回路中存在功能相似的地方以外，常見基本回路也存在相似的地方。現(xiàn)在以能耗制動回路為例，說明它們在兩種不同回路中原理和功能相似的地方。

如圖5所示液壓馬達(dá)制動回路，電磁閥線圈Y01的通電與失電分別對應(yīng)著馬達(dá)的啟動與停止。當(dāng)電磁閥線圈Y01通電的時候，兩位兩通電磁閥工作在左位，馬達(dá)進(jìn)口壓力為15MPa，回油路上的順序閥被打開，馬達(dá)出口的油液經(jīng)順序閥回到油箱，馬達(dá)便以一定速度朝某個方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電磁閥線圈Y01失電的時候，P口的壓力油經(jīng)兩位兩通電磁閥右位回到油箱，液壓馬達(dá)進(jìn)口壓力基本為零，順序閥關(guān)閉。此時，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)軸所帶動的負(fù)載由于慣性力繼續(xù)按原方向旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)出口繼續(xù)排油，而馬達(dá)出口回油路上順序閥的開啟壓力為7MPa。因此，此時馬達(dá)出口壓力為7MPa，進(jìn)口壓力基本為零，液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差便形成一個反向制動扭矩使馬達(dá)迅速停止轉(zhuǎn)動。

圖5 液壓馬達(dá)能耗制動回路

如圖6所示電動機(jī)制動回路，當(dāng)合上電源開關(guān)和主觸頭KM1時，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)要給電動機(jī)制動時，斷開KM1主觸頭并合上KM2主觸頭，此時切斷電動機(jī)定子繞組上的三相交流電，并給定子繞組提供直流電，在定子繞組上形成一個方向和大小恒定的磁場。轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而切割磁場的磁感線并產(chǎn)生感應(yīng)電流，帶有感應(yīng)電流的轉(zhuǎn)子繞組在磁場中形成與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動電磁轉(zhuǎn)矩T，在制動轉(zhuǎn)矩T的作用下，電動機(jī)迅速停止轉(zhuǎn)動。

圖6 三向異步電機(jī)能耗制動回路

通過對上述制動回路進(jìn)行分析可以看出，兩者均是通過自身的能量形成制動轉(zhuǎn)矩，并最終使馬達(dá)（電動機(jī)）迅速停止轉(zhuǎn)動。

2 結(jié)語

上文中通過對電工基礎(chǔ)與液壓與氣壓傳動課程中基本理論、典型元器件和常見液壓回路進(jìn)行類比分析可以看出，電工基礎(chǔ)中的相關(guān)知識點(diǎn)能夠較為直觀的輔助液壓與氣壓傳動課程中相關(guān)知識點(diǎn)的分析，能加深學(xué)生對液壓與氣壓傳動這門課程相關(guān)知識點(diǎn)的理解，并掌握相關(guān)內(nèi)容的類比分析方法，在提高學(xué)生對液壓與氣壓傳動這門課程的學(xué)習(xí)效果及教師的教學(xué)質(zhì)量方面起著積極的促進(jìn)作用。