类比分析法在液压与气压传动课程教学改革中的应用研究

刘 智 刘修泉 杨 伟 张涛川 刘 俊

（佛山职业技术学院 机电工程学院，广东 佛山 528137）

0 引言

液压与气压传动技术作为流体传动的一个重要分支在国防、航空航天、汽车、工程机械、造船、机床等众多领域得到广泛应用。液压与气压传动课程更是普通高校机械工程专业学生的一门专业必修课程，在机械工程领域具有很强的实践性和应用性[1]。

本课程的学习要求学生具有较好的空间想象能力、识图能力以及一定的理论基础。由于课程内容的概念相对比较抽象、各种液压元件内部结构及原理相对复杂，从而导致了教师授课质量以及学生学习质量不甚理想。因此，怎样在本课程教学过程中开展教学改革，提高教师授课质量和学生的学习质量及兴趣便成为亟待解决的一个关键问题。针对传统液压教学存在的问题，以培养学生工程实践能力为目标，倪君辉等人开展了液压与气压传动课程教学改革与实践[2]。通过实施模块化液压项目教学，利用Fluid SIM仿真软件对典型元器件、基本回路进行仿真及调试，从理论和实践的角度对课程知识点进行讲解。芮宏斌[3]等人围绕液压与气压传动课程，从教学方法、实践教学环节和教学考核等方面进行了改革，运用现代化的教学手段，通过构建技能训练与研究能力培养相结合的教学内容，创新考核评价体系，激发学生的求知欲，促进学生创新意识和实践能力提高。杨国善积极创设适当的教学情境，对提高学生学习液压与气压传动课程的热情和全面培养学生综合素质及能力有积极作用[4]。李松[5]等人依据培养创新人才理念，结合液压与气压传动课程实践环节特点，针对不同专业，从实践教学内容、方法及延伸性等方面进行了改革和实施。熊志宏[6]、潘静[7]等人根据教学目标重新修订教学内容，教学大纲、理论教学、实践性教学环节及教学考核，对教学方法和教学手段进行改革，加强实践教学环节建设，使理论教学与实践教学有机结合起来，提高了教学质量。

本文结合自身多年在基础课程教学中的经验，创造性地将电工基础中的基本理论通过类比分析方法，运用到液压与气压传动课程教学当中，用于辅助流体力学基本理论、液压元器件以及常见液压基本回路等核心知识点的理解和分析，以此来达到提高学生的学习效果及兴趣和教师的授课质量的目的。

1 类比分析方法研究

液压传动中的某些液压元件跟电气传动当中某些元器件在对应的回路中的功能极其相似，甚至一些基本理论亦是如此。比如，电子从高压处往低压处流动形成电流；液压油亦从高压处往低压处流动形成液压油的流量。下面采用类比分析方法阐述电工基础中的基本理论在辅助液压基本理论、典型液压元器件、常见基本回路知识点理解的案例。

1.1 基本理论类比分析

如图1所示，一定大小的电流I经纯电阻R1后接地，电阻上的压降为U1。

图1 纯电阻电路

在忽略其他损失的情况下，由物理学知识可知，电阻上消耗的电功率P为：

在液压系统中，以常见的执行元件液压缸为例，如图2所示，在压力油的作用下，液压缸活塞缸以一定速度v向外伸出，并产生一定的推力F。

图2 液压缸工作回路示意图

假定忽略摩擦和其他能量损失，此时液压缸消耗的功率P为：

式中，P为功率，kW；F为推力，N；v为速度，m/s；p为油压，MPa；A为面积，m2；Q为流量，L/min。

将上述两种回路中原件所消耗功率的表达式列出如下：

通过上述表达式可以看出：电路中电压对应液压传动系统中的油压；电路中电流对应液压传动系统中的流量；二者乘积均等于对应回路中元件所消耗掉的功率。

1.2 基本元件类比分析

二极管具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。二极管的导通和截止，则相当于某一条支路上开关的接通与断开。如图3所示。

图3 二极管原理图及实物图

单向阀具有单向流通性，即给单向阀正方向通入压力油（A→B）时，单向阀导通。当单向阀反方向通入压力油时，单向阀截止。单向阀的导通和截止，则相当于某一条油路上阀门的接通与断开。如图4所示。

图4 液压单向阀原理图及实物图

通过对上述元件的对比分析可以看出：电路中的二极管与液压元件中的单向阀在原理和功能上极其相似。在两种不同物理回路中，与上述二极管和单向阀一样具有类似功能的元器件还有变压器和减压阀（增压缸）、接触器和换向阀、电容和蓄能器、三极管和先导阀、滑动变阻器和调速阀（节流阀）等。

1.3 基本回路类比分析

除了上述基本理论、典型元器件在两种不同物理回路中存在功能相似的地方以外，常见基本回路也存在相似的地方。现在以能耗制动回路为例，说明它们在两种不同回路中原理和功能相似的地方。

如图5所示液压马达制动回路，电磁阀线圈Y01的通电与失电分别对应着马达的启动与停止。当电磁阀线圈Y01通电的时候，两位两通电磁阀工作在左位，马达进口压力为15MPa，回油路上的顺序阀被打开，马达出口的油液经顺序阀回到油箱，马达便以一定速度朝某个方向转动。当电磁阀线圈Y01失电的时候，P口的压力油经两位两通电磁阀右位回到油箱，液压马达进口压力基本为零，顺序阀关闭。此时，液压马达转轴所带动的负载由于惯性力继续按原方向旋转，马达出口继续排油，而马达出口回油路上顺序阀的开启压力为7MPa。因此，此时马达出口压力为7MPa，进口压力基本为零，液压马达进出口压差便形成一个反向制动扭矩使马达迅速停止转动。

图5 液压马达能耗制动回路

如图6所示电动机制动回路，当合上电源开关和主触头KM1时，电动机开始转动。当要给电动机制动时，断开KM1主触头并合上KM2主触头，此时切断电动机定子绕组上的三相交流电，并给定子绕组提供直流电，在定子绕组上形成一个方向和大小恒定的磁场。转子由于惯性继续旋转而切割磁场的磁感线并产生感应电流，带有感应电流的转子绕组在磁场中形成与旋转方向相反的制动电磁转矩T，在制动转矩T的作用下，电动机迅速停止转动。

图6 三向异步电机能耗制动回路

通过对上述制动回路进行分析可以看出，两者均是通过自身的能量形成制动转矩，并最终使马达（电动机）迅速停止转动。

2 结语

上文中通过对电工基础与液压与气压传动课程中基本理论、典型元器件和常见液压回路进行类比分析可以看出，电工基础中的相关知识点能够较为直观的辅助液压与气压传动课程中相关知识点的分析，能加深学生对液压与气压传动这门课程相关知识点的理解，并掌握相关内容的类比分析方法，在提高学生对液压与气压传动这门课程的学习效果及教师的教学质量方面起着积极的促进作用。