Опыт разработки виртуального лабораторного практикума на основе созданной физической модели одноковшового экскаватора

ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

УДК 378.16

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА НА ОСНОВЕ СОЗДАННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА

© 2013 г. А.Ю. Ляшенко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассматривается опыт использования созданной в рамках выполненных диссертационных исследований физической модели одноковшового экскаватора при разработке виртуального лабораторного практикума.

Ключевые слова: диссертационные исследования; образовательные технологии; одноковшовый экскаватор; экспериментальный стенд; физическая модель; лабораторный практикум; виртуальная демонстрационная среда.

The experience of using the physical model of a one-bucket excavator created in the frames of the fulfilled out virtual laboratory practicum.

Keywords: thesises investigations; educational technologies; one-bucket excavator; experimental stands; physical models; laboratory practical work; virtual demonstrating medium.

Паспортами ряда научных специальностей технической направленности, например 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины», предусматривается создание эффективных и надежных технологических машин. Определение фактических значений нагрузок при проведении натурных испытаний инновационных образцов - процесс трудоемкий, требующий значительных временных и финансовых затрат. Снизить последние при выполнении экспериментальных исследований позволяет разработка и использование физической модели.

В целях совершенствования конструкции рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов была спроектирована и изготовлена физическая модель, в качестве базы для которой использован гидравлический манипулятор 2 экспериментального стенда Шах-тинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ), состоящий из штабеля погружаемого материала 1, пульта управления 3, силовой электрогидравлической установки (маслостанции) 4 с линиями гидроразводки 5 (рис. 1).

При разработке и создании физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора приняты следующие допущения: динамические составляющие усилий ничтожно малы в сравнении со статическими сопротивлениями в связи с тем, что

ускорение рабочего оборудования при внедрении составляет не более 0,1 g; сопротивления внедрению не зависят от скорости движения ковша в используемом диапазоне скоростей рабочего оборудования (до 0,5 м/с); модели систем геометрически подобны натурному рабочему оборудованию экскаваторов, что относится к линейным размерам ковша, штабеля и крупности частиц рабочей среды, т.е.

П1 - ^ -

где 1м, 1н - соответственно размеры модели и натуры.

Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования рабочих процессов технологических машин

Пересчет показателей рабочих процессов, полученных на модели, к натурным значениям производится в соответствии с установленными критериями подобия.

При создании физической модели одноковшового экскаватора соблюдались следующие условия: П1 = Амод = 1н / 1м - геометрический масштаб моделирования; П2 = ф; П3 = фо; П4 = ф! - углы внутреннего трения, трения сыпучего материала о внедряемую плоскость (днище и стенки ковша) и естественного откоса модели и натуры должны быть одинаковы;

П 5 =

W

(WBH)H (у м)н

(^мод )3 - С0ПР0-

Ум«^ (^вн) тивления внутреннего контура и модели при плотности груза в разрыхленном состоянии (ум)н = (ум)м относятся как куб масштаба геометрического моделирования; П6 = £ / а - глубина внедрения, как и все остальные линейные размеры, изменяется согласно А.

При моделировании физико-механических свойств погружаемого материала одинакового литоло-гического состава используются следующие соотноше-

di

ния: (ум)м = (ум)н; аш = aJX; ф1м « ф1н; f у-jJ = const, где

Ф1 - угол естественного откоса; f(dt /d) - гранулометрический состав материала.

Таким образом, с учетом масштабного фактора установлены основные параметры модели, которая дает возможность не только имитировать работу экскаватора, но и получать достаточно адекватные результаты.

Физическая модель разрабатывается на базе универсального гидравлического манипулятора, обладающего функциональными возможностями моделирования рабочего процесса одноковшового экскаватора, и выполняется в масштабе 1:3 по отношению к натурному образцу (рис. 2). Линейные размеры физической модели рабочего оборудования экскаватора

принимались с учетом моделирования процесса погрузки скальных грунтов с крупностью частиц dсp = 180 ^ 250 мм (параметром модели является ширина ковша).

Традиционно стенды и физические модели, созданные в рамках выполняемых экспериментальных исследований, в дальнейшем используются как лабораторное оборудование при реализации программ высшего профессионального образования.

При реализации Шахтинским институтом (филиалом) ЮРГТУ(НПИ) ООП 190205.65 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и ООП третьего поколения 190100 «Наземные транспортно-технологические комплексы» в рамках дисциплины «Строительные и дорожные машины» изучаются назначение, классификация, особенности конструкции и рабочего цикла одноковшового экскаватора - как оборудования для производства карьерных работ - погрузки скальных грунтов при добыче нерудных строительных материалов.

Наличие оборудования, необходимого для проведения лабораторной работы, является одним из критериев оценки лабораторного занятия.

Концепцией развития высшей школы на ближайшие годы обусловливается приоритетность экономических критериев в системе высшего образования, ставящих актуальной минимизацию стоимости подготовки бакалавров и магистров при повышении уровня и качества знаний.

В то же время лабораторная и экспериментальная база вуза достаточно консервативна в силу финансовых и материальных ограничений. Поэтому она практически не успевает отслеживать бурное развитие техники и неизбежно морально устаревает. В современных быстро изменяющихся условиях, в которых сетка специальностей и специализаций должна быстро и непрерывно адаптироваться к запросам промышленности, реальная лабораторная и экспериментальная база вуза не в состоянии поддерживать учебный процесс на должном уровне.

Минимизация затрат при реализации образовательных программ требует изменения как самой схемы передачи знаний, так и методов обучения путем интегрирования с достижениями сегодняшнего дня. Примером могут служить инновации в учебный процесс новейших ресурсосберегающих информационных образовательных технологий [1].

Современная технология виртуальных лабораторных практикумов (ВЛП) позволяет существенно сэкономить значительные финансовые ресурсы, не снижая качества обучения.

На кафедре «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств» создан виртуальный лабораторный практикум: «Изучение рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели», предназначенный для студентов высших учебных заведений всех форм обучения специальностей 150402 «Горные машины и оборудование», 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», а также смежных (рис. 3).

Виртуальный лабораторный практикум базируется на реальной лабораторной работе, выполняемой студентами очной и заочной формы обучения в лаборатории кафедры ТиКГСМП [2].

В практикуме рассмотрена последовательность действий по экспериментальному определению технико-эксплуатационных показателей одноковшового экскаватора (производительность, мощность).

Лабораторный практикум содержит методические указания по его выполнению и структурно состоит из следующих разделов: цель работы, задачи работы, вводные положения, критерии подобия при физическом моделировании рабочих процессов одноковшового экскаватора, аппаратурное обеспечение, методика и программа экспериментального изучения рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели, техника эксперимента по изучению рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели, обработка и представление экспериментальных данных, порядок выполнения работы,

указания по составлению отчета.

Особенностью практикума является использование созданных как иллюстрационный материал диссертационных исследований видеофильмов, в которых рассматривается техника и порядок работ экспериментального изучения рабочего процесса одноковшового экскаватора: стенд (вид общий); физическая модель одноковшового экскаватора (функциональные возможности); процесс укладки штабеля; пуск мас-лостанции; рабочий цикл процесса погрузки; порядок определения количества зачерпнутого грунта.

После формулирования цели и задач работы в разделе «Вводные положения» рассматриваются теоретико-методологические основы изучаемого вопроса (текстовый материал дополняется видео - экскаватор Hitachi (рабочий цикл)) (рис. 4).

В разделе «Аппаратурное обеспечение» рассматривается комплектность стенда и физической модели с использованием видеоряда (рис. 5).

В разделе «Техника эксперимента по изучению рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели» с помощью видеоряда рассматривается техника получения экспериментальных данных для определения производительности и мощности физической модели (рис. 6). В разделе «Порядок выполнения работы» определяется последовательность работы с ВЛП по подготовке студентом отчетного документа, содержательная часть которого определяется последним разделом. Отличие виртуальной лабораторной работы заключается лишь в том, что, выполняя курс виртуальных работ, студенты не приобретают навык пользования техническими средствами и оборудованием.

Виртуальные работы призваны подготовить студента к работе в реальной лаборатории. При этом используемые в ВЛП видеоматериалы позволяют максимально точно воспроизводить порядок работ, выполняемых в реальной в лаборатории. Поэтому виртуальные лабораторные работы могут использоваться и независимо от реальных для закрепления полученных теоретических знаний о рабочих процессах и методах определения технико-эксплуатационных показателей технологических машин на практике.

Рис. 3. Меню виртуального лабораторного практикума раздела «Титульный слайд»

Вводные положения

Экскаватором называется машина, предназначенная для черпания (экскавации) грунта, перемещения его на относительно небольшие расстояния и погрузки на транспортные средства или в отвал.

Схема рабочего цикла гидравлическог экскаватора с прямой лопато!

Рис. 4. Меню виртуального лабораторного практикума, раздел «Вводные положения»

Аппаратурное обеспечение

Экспериментальный стенд для изменил рабочего процесса одноковшового экскаватора на физическЬй модели

4».

Физическая модель одноковшового экскаватора

моделируется процесс погрузки ска/ъных грунтое с крупностью чаатц <tcp = ISO + 250 мм

масштаб 1:3 по отношению if нэтуртоиу образцу

Рис. 5. Меню виртуального лабораторного практикума, раздел «Аппаратурное обеспечение»

Вернуться к темните здпдзимапл

Фиксирующий давление е и а пор ной магистрали гидросистемы манометр позволяет установить силовые характеристики процесса взаимодействия ковша со штабелем.

измерительная система

Определение количества выгруженного из ковша грунта

Рис. 6. Меню виртуального лабораторного практикума, раздел «Техника эксперимента по изучению рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели»

В случае дистанционного образования требование реального выполнения лабораторного практикума невыполнимо в силу удаленности студента от образовательного центра. Однако лабораторный практикум должен выполняться в процессе изучения курса в качестве поддержки теоретического материала.

Виртуальный лабораторный практикум позволяет студенту полноценно осваивать учебный материал, подкрепляя текущее изучение теоретического материала необходимым выполнением лабораторных работ. А проверка преподавателем подготовленных отчетов по выполненным лабораторным работам позволяет оценивать степень освоения студентом учебного материала наряду с проведением рубежного контроля в виде дистанционного тестирования. С другой стороны, максимальная приближенность виртуальных лабораторных работ к реальным позволит студенту подготовиться к выполнению реальных лабораторных работ во время очной зачетной сессии в образовательном центре. Это позволит выполнить все предусмотренные учебным планом лабораторные работы в течение одной недели, получив необходимые практические навыки, и сэкономить время для очной защиты этих работ.

Поступила в редакцию

Актуальность разработки подобных учебно-методических материалов, базирующихся на связи науки и высшей школы, в настоящее время определяется более широким внедрением дистанционных форм обучения, а также направленностью подготовки студента к самостоятельной работе в реальной лаборатории.

Литература

1. Информатизация образования: направления, средства, технологии : пособие для системы повышения квалификации / под общ. ред. С.И. Маслова. М., 2004. 868 с.

2. Ляшенко Ю.М., Ляшенко А.Ю., Золотько В.В. Разработка проекта и создание физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора // Перспективы развития Восточного Донбасса. Ч. 2: сб. науч. тр. по материалам 60-й Всерос. науч.-практ. конф. «Перспективы развития Восточного Донбасса» / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 33 - 37.

18 июня 2012 г.

Ляшенко Алена Юрьевна - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. E-mail: alyona_lyashenko@mail.ru

Liashenko Alena Yurevna - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: alyona_lyashenko@mail.ru