模拟仿真技术在农用机械液压的应用前景与应用途径

模拟仿真技术在农用机械液压的应用前景与应用途径范文

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经过几个世纪的发展，汽车已经走入千家万户，在追求极致性能的当下，汽车零部件结构越来越复杂。高校在开展汽车发动机、底盘和电气系统维修实操教学时，学员操作上的失误很可能会导致零部件损坏，造成教学成本的提高。同时，实训设备数量的缺少限制了学员的练习次数，导致其基本技能水平不能有效提高。为了解决这些问题，大部分高校将模拟仿真技术运用到了汽车维修教学中，学员在使用仿真软件学习的过程中能对各种训练环节进行真实模拟，切实体会汽车修理的整个过程。农用机械本质是复杂机械的组合体，近年来向着智能化、自动化方向发展，随着农民老龄化严重，在操纵机械时不能很好地应用机械出现操纵不当、维护不及时等问题，使机械故障频发。通过模仿汽车维修模拟仿真技术解决农机维修可视化问题，对农机技术状况进行诊断，根据结果进行调整、更换、优化，全面恢复农机使用性能，大大降低维修教学成本。目前模拟仿真技术应用在农用机械液压控制元件上可分为如下几类：1）对实体液压系统或元件进行数字建模，仿真模拟，将仿真结果与实验数据进行分析，验证理论研究准确度，通过数据校准，使仿真数据接近理论设计，为产品更新换代提供依据。2）对于已完成设计系统，通过仿真试验调整参数，结果作为理论依据，进而缩短调试周期。3）对于新一代元件设计，仿真元件各部分指数对动态性影响，进而确定结构参数，为设计提供依据。4）对于新一代系统设计，对控制方案进行验证，研究整体参数对动态性能影响，以此获得最佳控制方案[1]。同时液压系统结构复杂，可视程度低，故障发生的主要原因是液压油污染。液压油作为传动介质，受流动性、压缩性、粘稠性及温度、压力等环143境因素影响，故障表现往往比机械传动复杂，容易出现噪音、振动、爬行、渗漏、冲击等异常工作状态，且故障原因不易寻找，在课堂中难以呈现[2]。本文将对农用机械液压维修模拟仿真技术展开探讨分析，以期该技术在教学中能得到广泛应用。

1模拟仿真技术在农用机械液压维修教学中的应用前景

以武警士官学校教学实际为例，农用机械液压传动系统维修（以下简称农用机械液压维修）主要依托报废件拆装和实车拆装开展教学活动。报废液压件的拆解教学，优点在于可以加深学员对零部件结构和工作原理的理解，其缺点也相对突出，即缺乏与整车结合，不利于学员掌握农用机械液压系统常见故障的成因及解决办法。液压元件的实车拆装，可以更好的解决以上问题，但学员操作不规范极易造成精密部件的损坏，使整车不能正常工作。同时，实训设备的短缺不能满足大量培养高技术人才的需求。在教学中运用模拟仿真技术就体现出了其优点。1）模拟仿真技术可以将农用机械全车液压系统及其零部件以动态图和三维图的形式展现出来[3]。学员在仿真平台既可以实现对液压零部件的拆装，又能根据不同的故障现象对全车液压系统进行诊断排查。2）模拟仿真技术的应用可以很好地满足高技术人才培训的需求[4]。模拟仿真软件只需要一个电子平台就可以实现教学资源重复利用，有效解决了实训教学需要大面积的场地问题；有效缩短了实训教学的时间；有效提高了学校接收学员的数量，使学校能够以较少的师资力量培养更多的学员。3）采用模拟仿真与实物教学相结合的教学方式，可以为学校节省近10%的教学成本。模拟仿真软件可以实现零部件的无限次拆装，学员熟练掌握模拟拆装以后再进行实物拆装，就可以极大地降低操作失误率，从而减少配件购买次数降低教学成本。

2模拟仿真技术在农用机械液压维修教学中的应用途径

根据已有经验，模拟仿真技术在农用机械液压维修教学中的具体应用途径为：创造三维模型、进行场景模拟构建、建立故障诊断数据库、搭建考评系统。

2.1创造三维模型

农用机械整车液压系统及零部件三维模型的构建是一项重大而艰巨的任务。其主要利用力学、结构学、运动学、物理学等理论知识，对于各零部件进行模型构建。同时，采用动态的形式模拟各个部件的整合分装等。这要求工程师不仅要对所研究的液压元件或系统的基本原理和具体构造有深入的了解，还要具备深厚的数字建模能力。三维模型技术开发的第一步需要查阅农用机械产品说明书及相关资料，保证模型数据的精确，包括各零部件的外部尺寸、内部构造、油路连接、装配位置等。第二步需要利用3DMAX、SolidWorks等专业的三维造型软件，建立农用机械液压传动系统各零部件的数字模型，统一建模格式后装配形成模型。农用机械液压系统通常包括工作液压系统、转向液压系统、先导控制系统，其中主要零部件包括工作泵、转向泵、控制阀、液压缸等，应分别对各个零部件进行三维建模，建立各总成模型组，最后装配形成各系统数字模型。第三步需要对农用机械整车进行建模。工程师除要根据实车数据建立整车外观模型，还要考虑模型与液压传动系统的适配性，严格按照实际将液压元件与外观模型进行装配。

2.2进行场景模拟构建

三维模型创建完毕后，需采用3D技术对农用机械整车液压系统的维修场景进行模拟。模拟的场景包括整车液压系统组装和分拆以及零部件的维修和调整。液压系统场景应包括以下功能：1）模型接受驾驶舱操纵指令，仿真液压系统功能，发送信号到与液压系统连接的装置；2）模型应包括发动机转速及主泵流量、排量特性；3）响应模型所有变量，例如时速、牵引力、操作质量、燃油消耗率等；4）模型应能反映原始液压系统性能，并遵守建模规范；5）液压系统应能提供提升、下降、侧倾、卸载、制动、转向等功能；6）模型应包括失效情况下紧急预案[5]。建立复杂系统模型模拟仿真一般采用自内到外的建模方式。首先建立功能复杂核心动力装置，然后根据所模拟液压系统的特性，将所有功能区域有效结合，逐步完善整个模型。从整体到部分提高学员的观察能力、逻辑思维能力及最终工作技能。除此之外，场景模拟软件应实现良好的人机互动，学员在操作时系统能根据输入信息做出准确判断，对错误的操作及时进行纠正，并在结束时对学员的技术水平做出客观评价。场景模拟技术开发的关键在于以下两方面，一是对三维模型进行交互式处理。首先将三维模型导出为STL格式；然后将其导入3DSMAX进行贴图、煊染和动画制作，并导出为C3D格式；然后将渲染好的C3D格式的三维模型导入到安装有Cult3DExporterfor3DMAX插件的Cult3D软件中，就可输出为具有交互功能的三维模型了；二是利用3DVR技术将模型嵌入虚拟场景并进行交互编辑。该过程需要将具有交互功能的三维模型导入OpenGL中，在VC++环境下进行模型的可视化交互控制[6]。

2.3建立故障诊断数据库

在三维模型和场景模拟的基础上，采用数据库的形式对农用机械液压系统常见故障进行统计分析，存储的数据包括故障点、故障表现、排除和解决方法等。教师可以在仿真软件中调用已有数据对液压系统设置单个或多个故障点，学员则可以在软件中根据故障现象，对液压系统进行排查，准确发现故障点，并采取有效方法解决故障问题。可开展各类故障模式分析，如液压系统多元件故障模式识别试验研究；故障树分析法；液压缸内泄漏特定故障模式[7]。

2.4搭建考评系统

在模拟仿真教学软件的基础上增加考评系统，构建“实模结合—数据融通—量化评估—即时反馈”的考核方式。教师可利用软件考评系统组织模拟考核，并通过系统收集学员成绩，随时掌握学员技能水平，为改进训练方法提供可靠依据。该技术的开发需要工程师与一线教学人员进行密切配合，对操作步骤进行逐项分解，并确定分值。

2.5软件结构

图1为农用机械液压传动系统模拟仿真软件结构图。

3结语

模拟仿真技术可以在课堂上充分刺激学员的视觉、听觉等感官，切实有效地帮助学员提高农用机械液压传动系统零部件拆装调整、整车故障诊断等基本技能。有效解决了传统农用机械液压维修教学中存在的实训场地面积大、耗费人力、培训人数少等一系列问题。在未来模拟仿真技术一定会充分发挥其作用，在更多领域的教学活动中不断发展壮大。