随着计算机技术的发展，将计算机技术应用于教学之中已是大势所趋。近年来将虚拟仿真技术引入教学，改变教学现状，提高教学效果引起了很大的关注。虚拟仿真实验教学项目是国家深入推进信息技术与实验教学深度融合的一项重要举措[1]。根据《教育信息化“十三五”规划》的总体部署，教育部强调要加快推进虚拟仿真实验教学项目，推动虚拟仿真技术在教育教学中的应用，要求高校实验教学改革和实验教学项目以现代信息技术为依托，以急需的实验教学信息化内容为指向，继续建设示范性虚拟仿真实验教学项目。虚拟仿真实验践行课堂教学与虚拟空间教学相结合，补充传统实验教学的限制，突破传统实验教学的制约，实现智能化实验教学新模式[2,3]。我国大部分纺织类高校都存在实验经费投入不足、实验设备陈旧、运转率低等问题，而且纺织体系涉及多样化的纺织系统，工艺流程长，设备机台多且差异大，导致纺织工程专业实践教学设备匮乏[4,5]。随着高校招生规模的扩大，更加凸显出实验教学条件建设的不足，势必对学生学习效果造成影响，而虚拟实验的出现为弥补传统纺织实验教学的不足提供了一种新的解决方案［6,7]。 1 清梳联虚拟仿真实验建设的必要性和意义 清梳联是由多种单机按照一定生产工艺需求设计，实现预定生产目的的综合型生产线。清梳联生产线的每种单机设备都是其中关键的一环[8]。我校从2015年启动并投入经费进行纺织虚拟仿真实验建设工作[9]。2017年“纺织工程虚拟仿真实验教学中心”获批陕西省虚拟仿真实验教学研究项目。清梳联是纺纱学教学中的一个重要内容，且是纺纱工艺的第一步。清梳联各设备配置的前后关系、工作原理、工艺设计，对半制品阶段性加工效果都是纺织工程专业学生学习的重点内容之一，因而学生对于清梳联部分纺纱知识的理解和掌握至关重要。 清梳联机组主要设备包括抓棉机械、开棉机械、棉箱机械、梳理机械等，这些设备依靠输棉管道在凝棉器或者风机作用下连接在一起，并将纤维流自动地从一台设备喂入另一台设备。主要设备间还需要加装吸铁装置、火星探除装置、重杂分离装置、除异纤装置、除微尘装置等多种设备，并将其按照一定的方式连接起来，才能有效实现“多包细抓，多仓混和，打梳结合，渐进开松，早落少碎”的工艺原则。设备数量多、纤维流管路和除尘管路复杂、设备占地面积大、实际购买费用高等实际问题，造成纺织院校这部分设备一直处于空缺状态[10,11,12]。没有成套的清梳联机组实物为学生提供实践学习，通常是为学生展示设备视频，而视频片段所能呈现的镜头有限，造成学生对这部分知识理解程度降低。虚拟仿真实验具有交互功能强、模拟效果好、在线共享等优点，因而对清梳联机组进行虚拟仿真有着切实可行的意义和必要性。 2 清梳联虚拟仿真实验的连接框图和外观设计 2.1　清梳联机组的设备连接框图 清梳联虚拟仿真实验的设计与制作是参考某纺织集团的特吕茨勒短流程高效机组进行设计与制作的，该机组在纺织行业的应用具有一定的代表性和先进性。实验采用的清梳联机组设备连接关系如图1所示。 XX.XXXX/j.issn.1000-7415.2020.04.017.F001 图1 清梳联机组的设备连接关系 2.2　清梳联虚拟仿真实验的外观设计 清梳联机组中各主要设备体积较大，是具有能容纳大量纤维原料的棉箱或棉仓设备。按照在清梳联机组中的位置不同，所起的主要功能和作用也有所不同。有的以初步的开松作用为主，如往复式抓棉机和双轴流开棉机；有的以混和作用为主，如多仓混棉机；有的以实现精细开松作用为主，如精细开棉机。按照清梳联机组中各设备的组合关系，清梳联虚拟实验整体结构框架设计如图2所示。从图2中可以清晰地看出各设备的前后关系，纤维流管道和除尘管道的连接方式及走向。 XX.XXXX/j.issn.1000-7415.2020.04.017.F002 图2 清梳联虚拟实验设计结构图 3 清梳联虚拟仿真实验主要设备制作 3.1　原料选配和往复式抓棉机的虚拟设计 原料选配是纺纱的第一步，需要根据所要纺制的纱线成分、线密度及质量进行原料的选配，是保证纺纱质量和节约原料的基础，选配好的原料在抓棉机两侧的排列也是实现混料均匀的前提。抓棉机主要功能是实现对纤维原料包的“多包细抓”，而设备及纤维包的排列长期以来都是学生难以理解和掌握的部分。通过清梳联虚拟仿真实验，学生可以选择需要纺制的纱线线密度，继而进行原料的选配，并将最后选配的原料按照权重进行混和原料指标计算，根据各个成分比例进行纤维包的分配，依据设计排包规律进行纤维包虚拟排列。往复式抓棉机和纤维排包虚拟图如图3所示。 XX.XXXX/j.issn.1000-7415.2020.04.017.F003 图3 往复式抓棉机及排包结果虚拟图 3.2　重杂分离器及双轴流开棉机的虚拟设计 虚拟实验设计的重杂分离器和双轴流开棉机的透视结构如图4所示。 XX.XXXX/j.issn.1000-7415.2020.04.017.F004 图4 重杂分离器和双轴流开棉机虚拟透视结构图 往复抓棉机抓取的纤维原料经桥式吸铁装置、火星探除装置、凝棉器喂入重杂分离器，这样的配置符合清梳联工艺中“大杂早落，大杂少碎”的工艺原则。重杂分离器的工作原理是利用“杂质体积小重量大，纤维体积大重量小”的特点，在纤维流管道弯曲处产生不同的离心力进行重杂排除。纤维原料经重杂分离器后，在凝棉器的作用下喂入双轴流开棉机，此设备由两个同向回转的滚筒实现对半制品的自由开松，并利用位于滚筒下方的尘格排除杂质和短绒，与清梳联工艺中的“先自由开松，后握持开松”工艺原则相符合。虚拟实验可以直观展示重杂分离器的除杂过程和双轴流开棉机的开松及除杂过程。 3.3　多仓混棉机和精细开棉机的虚拟设计 纤维原料经过双轴流开棉机后在风机产生的气流吸引作用下，将初步开松的纤维输送到多仓混棉机中，虚拟实验选用“时差原理”的六仓混棉机对纤维原料进行混和，并在混和的同时进一步对纤维实现开松和除杂作用。纤维经多仓混棉机后在输送帘的作用下喂入三刺辊精细开棉机，此设备三刺辊的锯齿由后往前由粗变细，速度由小变大，进而实现对纤维原料“先握持打击，后自由梳理”的作用，以及“以梳代打”增强对纤维的预分梳效果， 提高在制品的开松度和除杂效率， 可有效减轻梳棉机的梳理负担， 为优质高产提供保证。虚拟实验设计的多仓混棉机和精细开棉机的透视结构如图5所示。通过虚拟实验直观展示了多仓混棉机的混棉、开松及除杂和精细开棉机的开松、梳理及除杂工作过程。 XX.XXXX/j.issn.1000-7415.2020.04.017.F005 图5 多仓混棉机和精细开棉机的虚拟透视结构图 3.4　除异性纤维机和除微尘机的虚拟设计 纤维经精细开棉机后在气流作用下待检的纤维流进入除异性纤维分检机，检测后的纤维被前方机台的输纤风机吸走喂入强力除微尘机，通过对喂入纤维加速，并和网眼板碰撞，在气流作用下实现排除纤维流中所含的微尘、细小杂质和短绒，最后经管道喂入梳棉机，为短流程清梳联的高产、高质生产提供可靠的保证。虚拟实验设计的除异性纤维机和除微尘机的透视结构如图6所示。 XX.XXXX/j.issn.1000-7415.2020.04.017.F006 图6 除异性纤维机和除微尘机虚拟透视结构图 4 结语 清梳联虚拟仿真实验的设计与制作可以弥补由于设备数量多、价值高、占地面积大等问题带来的设备空缺。该虚拟实验教学平台具有良好的自主性、交互性，集共享性和创新性于一体。通过虚拟仿真实验实践，可有效掌握清梳联机组各设备的连接关系，熟悉各设备的功能及工作原理；加深由于教材精简、课时压缩造成的知识残缺，帮助学生建立完整的清梳联设备组成关系,掌握和理解清梳联设备的机构和工作原理，实现实验教学和课程理论教学相结合，获得了良好的教学效果。