提升装备虚拟仿真教学系统的设计与应用

寇子明　郭宁　吴娟　高贵军　秦豪　李军霞　杨丽凤

摘要：在现有教学与实验环节不足的基础上，对矿井提升系统实践教学进行了改革，包括开发了矿井提升钢丝绳试验混合仿真模拟教学演示系统与基于Automation Studio混合仿真模拟教学系统。该系统的应用可使学习者能够在虚拟平台上自由、直观、交互、可重复地学习提升系统相关知识；学生可以在虚拟平台上，亲自动手，模拟各种工况，实施人机交互。

关键词：虚拟实验系统；带式输送机；实验教学；混合仿真

中圖分类号：TH222 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）04-0201-02

我国是矿产大国，其中大部分矿产资源采用井工开采，每年我国矿井提运煤炭和物料达几十亿吨。目前同时服役的矿井提升设备约有7000台[1]。本文在现有教学与实验环节不足的基础上，依托我校现有的教学及研发能力将矿井提升虚拟仿真教学系统充分灵活地应用到机械工程专业的相关理论及实践环节培养方案中，将多个教学环节、教学内容和知识能力大纲精细地结合起来，以期为机械工程专业人才的培养提供一些有益的探索[2]。

一、矿井提升机简介及现有教学系统不足

提升设备是矿井开采系统的重要组成部分，具有工程量大、设备型式多、运行操作复杂的特点，同时也是机械专业教学中理论知识点、实践技能水平契合度最高的部分。然而目前大部分高校的教学环境存在以下问题：（1）许多开展相关课程的高校并没有相应的实验室，完全依靠教师口头讲解与PPT演示，学生不易理解，无法对提升系统形成感知，对教学内容感觉晦涩难懂。（2）目前的实验设备大都是采用实际的物理设备，此种设备无法改变对应参数，无法让学生对不同工况下的提升设备运行情况产生对比理解。实验时间有限，学生动手机会有限；实验室难以完全开放，限制了学生的探究热情等[3]。（3）最不利于机械人才的培养的是所做的实验往往都以最简单的认知实验和验证实验为主，创造性、综合性的实验是很难在已有的实验条件下实施的。因此，建立一种新型实验教学系统是十分必要的。

基于现有实验条件的缺点，太原理工大学矿山机电液研究中心开发了一种基于虚拟现实技术的矿井提升虚拟仿真教学系统平台。此平台可以对矿井提升系统及其主要设备进行矿井提升系统运行过程的多个工况的模拟仿真与演示，具有更强的教学效果和适用范围。

矿井提升虚拟仿真教学系统包括了矿井提升钢丝绳试验混合仿真模拟教学演示系统与基于Automation Studio混合仿真模拟教学系统两部分，如图1所示：

二、矿井提升钢丝绳试验混合仿真模拟教学演示系统

学生参观学习提升钢丝绳模拟实验平台，了解平台的机构特征和工作原理，结合实验指导教师与代课老师课堂讲解的知识学习实验平台的测试方式，利用提升机钢丝绳模拟实验系统在实验室进行提升机钢丝绳各项性能测试。

具体测试内容有：（1）振动性能检测。（2）张力性能检测。（3）钢丝绳探伤检测。（4）弯曲疲劳检测。

三、Automation Studio混合仿真模拟教学系统

本系统利用教学仿真软件Automation Studio对矿井提升实验系统的具体操作方式和运行方式进行了人机交互模拟，并且对其辅助设备进行了动态模拟，将电控原理、液压原理和三维模型同时进行了联合模拟，便于学生直观地了解系统的运行技术。

提升模拟系统通过软件系统液压库与图形模块搭建盘式制动器的液压系统和提升系统模型，再建立电机电气系统，将液压、电气、系统模型的各组件进行关联，从而实现电气系统控制液压系统、液压系统驱动模型的机电液联合虚拟系统的搭建。

学生在了解矿井提升的理论知识的基础上，亲自操作Automation Studio虚拟教学模拟系统，操作提升机的机电液联合模拟系统，掌握提升系统运行的工艺流程，掌握提升系统的结构组成、液压控制原理和电控原理，掌握调节首绳工艺。下图为调换绳模拟界面。

在本虚拟操作系统中，学生可以对液压系统及电气系统的各个参数进行设置，可以模拟矿井提升系统运行过程的多个工况，并且能够直观地看到运行过程的六阶段速度图以及调换绳动作次序，看到液压系统压力、流量、活塞杆速度等重要参数的实时变化曲线，更加深入地了解提升系统的动态工作过程。

四、矿井提升虚拟仿真教学系统在教学环节的应用

在包括机械设计制造及其自动化专业的机械控制工程基础课程和安全工程专业的采掘机械与液压传动课程和矿井提升与运输课程在内的几门与提升装备紧密相关的本科教学环节中应用了本实验系统，教师课上的讲解明显变得更加条理；学生在课堂上初次接触提升系统相关知识时，由于老师使用矿井提升虚拟仿真教学系统中的演示模块，使得学生在初学课程时便能牢牢掌握关键知识点；在进行矿井提升实验时，学生对实验充满兴趣，积极主动进行实验，并且利用系统的优越条件，对不同参数、不同工况下的矿井提升系统进行了仿真模拟实验。在实验报告中明显能感觉学生比以往未使用系统的学生对整个矿井提升系统有了更浓厚的兴趣、更深刻的理解。

五、结语

通过对矿井提升虚拟仿真教学系统在机械工程专业的应用与研究，不仅丰富了矿井提升虚拟仿真教学系统的结构组成与功能应用，而且还极大地丰富了本专业的理论教学和实践教学的内容，进一步对机械人才培养方案的细化产生了示范性的影响。太原理工大学机械工程学院编写了科学合理的机械人才培养方案，加强了本科教学的师资队伍。成立了装备一流的工程实验中心、校内专业实验室（中心），校企共建实习基地以及校外实习基地。采取不断消化、吸收与改良的手段，一定能培养出符合我国国情和专业办学特色的毕业生。

参考文献：

[1]张习军.我国矿井空调的现状及发展趋势[J].矿业安全与环保，2014，（1）：87-90.

[2]林健.卓越工程师教育培养计划”专业培养方案研究[J].清华大学教育研究，2011，32（2）：47-55.

[3]董龙桥.基于虚拟现实与三维仿真的城市旅游移动平台研究[J].中华民居旬刊，2011，（7）：358-359.

Abstract：On the basis of mastering the insufficiency of the existing teaching and experimental links，the practice teaching of mine hoisting system has been reformed.Including the development of mine hoisting rope trial mixed simulation teaching demonstration system and Automation Studio based hybrid simulation teaching system.The application of this system enables learners to improve the system related knowledge freely，intuitively，interactively and repeatedly on the virtual platform；students can do the hands-on on the virtual platform and simulate various working conditions to implement the human-computer interaction.

Key words：Hoisting Equipment；Virtual Reality；experimental teaching；Hybrid Simulation