模擬仿真技術(shù)在農(nóng)用機械液壓傳動系統(tǒng)維修教學(xué)中的應(yīng)用探討

石經(jīng)緯，張昊宇，謝正鵬

(武警士官學(xué)校，杭州 311400)

0 引言

經(jīng)過幾個世紀(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)走入千家萬戶，在追求極致性能的當(dāng)下，汽車零部件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。高校在開展汽車發(fā)動機、底盤和電氣系統(tǒng)維修實操教學(xué)時，學(xué)員操作上的失誤很可能會導(dǎo)致零部件損壞，造成教學(xué)成本的提高。同時，實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量的缺少限制了學(xué)員的練習(xí)次數(shù)，導(dǎo)致其基本技能水平不能有效提高。為了解決這些問題，大部分高校將模擬仿真技術(shù)運用到了汽車維修教學(xué)中，學(xué)員在使用仿真軟件學(xué)習(xí)的過程中能對各種訓(xùn)練環(huán)節(jié)進行真實模擬，切實體會汽車修理的整個過程。

農(nóng)用機械本質(zhì)是復(fù)雜機械的組合體，近年來向著智能化、自動化方向發(fā)展，隨著農(nóng)民老齡化嚴(yán)重，在操縱機械時不能很好地應(yīng)用機械出現(xiàn)操縱不當(dāng)、維護不及時等問題，使機械故障頻發(fā)。通過模仿汽車維修模擬仿真技術(shù)解決農(nóng)機維修可視化問題，對農(nóng)機技術(shù)狀況進行診斷，根據(jù)結(jié)果進行調(diào)整、更換、優(yōu)化，全面恢復(fù)農(nóng)機使用性能，大大降低維修教學(xué)成本。

目前模擬仿真技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)用機械液壓控制元件上可分為如下幾類：1)對實體液壓系統(tǒng)或元件進行數(shù)字建模，仿真模擬，將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行分析，驗證理論研究準(zhǔn)確度，通過數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，使仿真數(shù)據(jù)接近理論設(shè)計，為產(chǎn)品更新?lián)Q代提供依據(jù)。2)對于已完成設(shè)計系統(tǒng)，通過仿真試驗調(diào)整參數(shù)，結(jié)果作為理論依據(jù)，進而縮短調(diào)試周期。3)對于新一代元件設(shè)計，仿真元件各部分指數(shù)對動態(tài)性影響，進而確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，為設(shè)計提供依據(jù)。4)對于新一代系統(tǒng)設(shè)計，對控制方案進行驗證，研究整體參數(shù)對動態(tài)性能影響，以此獲得最佳控制方案[1]。同時液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可視程度低，故障發(fā)生的主要原因是液壓油污染。液壓油作為傳動介質(zhì)，受流動性、壓縮性、粘稠性及溫度、壓力等環(huán)境因素影響，故障表現(xiàn)往往比機械傳動復(fù)雜，容易出現(xiàn)噪音、振動、爬行、滲漏、沖擊等異常工作狀態(tài)，且故障原因不易尋找，在課堂中難以呈現(xiàn)[2]。

本文將對農(nóng)用機械液壓維修模擬仿真技術(shù)展開探討分析,以期該技術(shù)在教學(xué)中能得到廣泛應(yīng)用。

1 模擬仿真技術(shù)在農(nóng)用機械液壓維修教學(xué)中的應(yīng)用前景

以武警士官學(xué)校教學(xué)實際為例，農(nóng)用機械液壓傳動系統(tǒng)維修(以下簡稱農(nóng)用機械液壓維修)主要依托報廢件拆裝和實車拆裝開展教學(xué)活動。報廢液壓件的拆解教學(xué)，優(yōu)點在于可以加深學(xué)員對零部件結(jié)構(gòu)和工作原理的理解，其缺點也相對突出，即缺乏與整車結(jié)合，不利于學(xué)員掌握農(nóng)用機械液壓系統(tǒng)常見故障的成因及解決辦法。液壓元件的實車拆裝，可以更好的解決以上問題，但學(xué)員操作不規(guī)范極易造成精密部件的損壞，使整車不能正常工作。同時，實訓(xùn)設(shè)備的短缺不能滿足大量培養(yǎng)高技術(shù)人才的需求。在教學(xué)中運用模擬仿真技術(shù)就體現(xiàn)出了其優(yōu)點。

1)模擬仿真技術(shù)可以將農(nóng)用機械全車液壓系統(tǒng)及其零部件以動態(tài)圖和三維圖的形式展現(xiàn)出來[3]。學(xué)員在仿真平臺既可以實現(xiàn)對液壓零部件的拆裝，又能根據(jù)不同的故障現(xiàn)象對全車液壓系統(tǒng)進行診斷排查。

2)模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以很好地滿足高技術(shù)人才培訓(xùn)的需求[4]。模擬仿真軟件只需要一個電子平臺就可以實現(xiàn)教學(xué)資源重復(fù)利用，有效解決了實訓(xùn)教學(xué)需要大面積的場地問題;有效縮短了實訓(xùn)教學(xué)的時間;有效提高了學(xué)校接收學(xué)員的數(shù)量,使學(xué)校能夠以較少的師資力量培養(yǎng)更多的學(xué)員。

3)采用模擬仿真與實物教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，可以為學(xué)校節(jié)省近10%的教學(xué)成本。模擬仿真軟件可以實現(xiàn)零部件的無限次拆裝，學(xué)員熟練掌握模擬拆裝以后再進行實物拆裝，就可以極大地降低操作失誤率，從而減少配件購買次數(shù)降低教學(xué)成本。

2 模擬仿真技術(shù)在農(nóng)用機械液壓維修教學(xué)中的應(yīng)用途徑

根據(jù)已有經(jīng)驗，模擬仿真技術(shù)在農(nóng)用機械液壓維修教學(xué)中的具體應(yīng)用途徑為:創(chuàng)造三維模型、進行場景模擬構(gòu)建、建立故障診斷數(shù)據(jù)庫、搭建考評系統(tǒng)。

2.1 創(chuàng)造三維模型

農(nóng)用機械整車液壓系統(tǒng)及零部件三維模型的構(gòu)建是一項重大而艱巨的任務(wù)。其主要利用力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)、物理學(xué)等理論知識,對于各零部件進行模型構(gòu)建。同時,采用動態(tài)的形式模擬各個部件的整合分裝等。這要求工程師不僅要對所研究的液壓元件或系統(tǒng)的基本原理和具體構(gòu)造有深入的了解，還要具備深厚的數(shù)字建模能力。

三維模型技術(shù)開發(fā)的第一步需要查閱農(nóng)用機械產(chǎn)品說明書及相關(guān)資料，保證模型數(shù)據(jù)的精確，包括各零部件的外部尺寸、內(nèi)部構(gòu)造、油路連接、裝配位置等。第二步需要利用3DMAX、SolidWorks等專業(yè)的三維造型軟件，建立農(nóng)用機械液壓傳動系統(tǒng)各零部件的數(shù)字模型，統(tǒng)一建模格式后裝配形成模型。農(nóng)用機械液壓系統(tǒng)通常包括工作液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)、先導(dǎo)控制系統(tǒng)，其中主要零部件包括工作泵、轉(zhuǎn)向泵、控制閥、液壓缸等，應(yīng)分別對各個零部件進行三維建模，建立各總成模型組，最后裝配形成各系統(tǒng)數(shù)字模型。第三步需要對農(nóng)用機械整車進行建模。工程師除要根據(jù)實車數(shù)據(jù)建立整車外觀模型，還要考慮模型與液壓傳動系統(tǒng)的適配性，嚴(yán)格按照實際將液壓元件與外觀模型進行裝配。

2.2 進行場景模擬構(gòu)建

三維模型創(chuàng)建完畢后,需采用3D技術(shù)對農(nóng)用機械整車液壓系統(tǒng)的維修場景進行模擬。模擬的場景包括整車液壓系統(tǒng)組裝和分拆以及零部件的維修和調(diào)整。液壓系統(tǒng)場景應(yīng)包括以下功能：1)模型接受駕駛艙操縱指令，仿真液壓系統(tǒng)功能，發(fā)送信號到與液壓系統(tǒng)連接的裝置；2)模型應(yīng)包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速及主泵流量、排量特性；3)響應(yīng)模型所有變量，例如時速、牽引力、操作質(zhì)量、燃油消耗率等；4)模型應(yīng)能反映原始液壓系統(tǒng)性能，并遵守建模規(guī)范；5)液壓系統(tǒng)應(yīng)能提供提升、下降、側(cè)傾、卸載、制動、轉(zhuǎn)向等功能；6)模型應(yīng)包括失效情況下緊急預(yù)案[5]。建立復(fù)雜系統(tǒng)模型模擬仿真一般采用自內(nèi)到外的建模方式。首先建立功能復(fù)雜核心動力裝置，然后根據(jù)所模擬液壓系統(tǒng)的特性，將所有功能區(qū)域有效結(jié)合，逐步完善整個模型。

從整體到部分提高學(xué)員的觀察能力、邏輯思維能力及最終工作技能。除此之外，場景模擬軟件應(yīng)實現(xiàn)良好的人機互動,學(xué)員在操作時系統(tǒng)能根據(jù)輸入信息做出準(zhǔn)確判斷，對錯誤的操作及時進行糾正，并在結(jié)束時對學(xué)員的技術(shù)水平做出客觀評價。

場景模擬技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵在于以下兩方面，一是對三維模型進行交互式處理。首先將三維模型導(dǎo)出為STL格式；然后將其導(dǎo)入3DS MAX進行貼圖、煊染和動畫制作，并導(dǎo)出為C3D格式；然后將渲染好的C3D格式的三維模型導(dǎo)入到安裝有Cult3D Exporter for 3DMAX插件的Cult3D軟件中，就可輸出為具有交互功能的三維模型了；二是利用3D VR技術(shù)將模型嵌入虛擬場景并進行交互編輯。該過程需要將具有交互功能的三維模型導(dǎo)入OpenGL中，在VC++環(huán)境下進行模型的可視化交互控制[6]。

2.3 建立故障診斷數(shù)據(jù)庫

在三維模型和場景模擬的基礎(chǔ)上,采用數(shù)據(jù)庫的形式對農(nóng)用機械液壓系統(tǒng)常見故障進行統(tǒng)計分析，存儲的數(shù)據(jù)包括故障點、故障表現(xiàn)、排除和解決方法等。教師可以在仿真軟件中調(diào)用已有數(shù)據(jù)對液壓系統(tǒng)設(shè)置單個或多個故障點，學(xué)員則可以在軟件中根據(jù)故障現(xiàn)象，對液壓系統(tǒng)進行排查，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障點，并采取有效方法解決故障問題。可開展各類故障模式分析，如液壓系統(tǒng)多元件故障模式識別試驗研究；故障樹分析法；液壓缸內(nèi)泄漏特定故障模式[7]。

2.4 搭建考評系統(tǒng)

在模擬仿真教學(xué)軟件的基礎(chǔ)上增加考評系統(tǒng)，構(gòu)建“實模結(jié)合—數(shù)據(jù)融通—量化評估—即時反饋”的考核方式。教師可利用軟件考評系統(tǒng)組織模擬考核，并通過系統(tǒng)收集學(xué)員成績，隨時掌握學(xué)員技能水平，為改進訓(xùn)練方法提供可靠依據(jù)。

該技術(shù)的開發(fā)需要工程師與一線教學(xué)人員進行密切配合，對操作步驟進行逐項分解，并確定分值。

2.5 軟件結(jié)構(gòu)

圖1為農(nóng)用機械液壓傳動系統(tǒng)模擬仿真軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

模擬仿真技術(shù)可以在課堂上充分刺激學(xué)員的視覺、聽覺等感官,切實有效地幫助學(xué)員提高農(nóng)用機械液壓傳動系統(tǒng)零部件拆裝調(diào)整、整車故障診斷等基本技能。有效解決了傳統(tǒng)農(nóng)用機械液壓維修教學(xué)中存在的實訓(xùn)場地面積大、耗費人力、培訓(xùn)人數(shù)少等一系列問題。在未來模擬仿真技術(shù)一定會充分發(fā)揮其作用，在更多領(lǐng)域的教學(xué)活動中不斷發(fā)展壯大。