溢流閥振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

邱林賓，馬 威，金 純

（北京科技大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

在工程應(yīng)用行業(yè)，直動(dòng)式溢流閥在機(jī)械設(shè)備的液壓系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的控制元件，用來限制液壓回路的壓力。熟悉和掌握溢流閥的特性和使用方法非常重要［1-3］。同時(shí)，溢流閥也是車輛工程專業(yè)“液壓元件”課程中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。在目前的教學(xué)工作中，實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置了溢流閥拆裝實(shí)驗(yàn)，以及簡(jiǎn)單溢流閥控制回路壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并且通過多媒體課件，結(jié)合工程實(shí)例教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果。但是，由于溢流閥閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作過程不直觀，工作原理難以理解的特點(diǎn)［4-5］，通過現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)生對(duì)溢流閥的結(jié)構(gòu)、原理和性能掌握程度不夠［6-7］。

針對(duì)以上教學(xué)困難，各大高校都進(jìn)行了液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革、實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新設(shè)計(jì)。王東成等［8］將CATIA和AMESim虛擬仿真軟件應(yīng)用到液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的開發(fā)拓展能力。陳敏捷等［9］借助UG與3DS max建立液壓零部件模型，系統(tǒng)效果逼真，人機(jī)交互性強(qiáng)。朱鵬程等［10］基于Automation Studio 設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果。田忠民等［11］改善了現(xiàn)有的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以根據(jù)學(xué)生需求自行設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)驗(yàn)工作，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)自主性、多樣性。瞿希等［12］針對(duì)現(xiàn)有的液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，引入信息化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，開發(fā)了啟發(fā)式教學(xué)模式。張華［13］設(shè)計(jì)了電液一體化實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有開放性、可擴(kuò)展性、多功能等優(yōu)點(diǎn)。劉愛軍等［14］采用PowerPoint結(jié)合雨課堂的方式開展層次化、過程性、多方位相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。上述的實(shí)驗(yàn)裝置及教學(xué)方法，有的局限于應(yīng)用虛擬技術(shù)，有的則是重點(diǎn)在于提高實(shí)驗(yàn)臺(tái)的擴(kuò)展性，讓學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)。但是，從實(shí)驗(yàn)理論及實(shí)驗(yàn)原理上加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)吸收的方法較少，液壓實(shí)驗(yàn)過程不直觀，能提高學(xué)生理解能力的裝置缺乏。

本文設(shè)計(jì)了一種可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢流閥振動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不僅能夠?qū)σ缌鏖y顫振研究更為深刻，為溢流閥工作失穩(wěn)機(jī)理和閥顫振行為提供理論依據(jù)［15-16］，同時(shí)能夠通過課程實(shí)驗(yàn)，可加深學(xué)生對(duì)概念和理論的理解與掌握，更重要的是培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實(shí)際問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

可視化溢流閥振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由液壓回路部分、動(dòng)力裝置部分、振動(dòng)測(cè)試裝置部分、控制系統(tǒng)、在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集部分等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)室整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（1）液壓回路部分。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的液壓回路如圖1 所示，由溢流閥、泵、流量計(jì)、壓力表等串聯(lián)構(gòu)成。其中溢流閥閥體由有機(jī)玻璃特制而成，且閥芯質(zhì)量與大小和出入口管長(zhǎng)度與直徑可調(diào)。

（2）動(dòng)力裝置部分。主要由配備變頻器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵進(jìn)行工作。

（3）振動(dòng)測(cè)試裝置部分。主要由米依位移傳感器、加速度計(jì)構(gòu)成，通過控制不同工況與結(jié)構(gòu)參數(shù)，在線隨時(shí)記錄閥芯振動(dòng)位移與加速度。

（4）控制系統(tǒng)。以變頻器來控制液壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證壓力和流量的實(shí)驗(yàn)要求。

（5）在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集。主要包括回路壓力測(cè)量、流量測(cè)量、閥芯振動(dòng)位移測(cè)量、閥芯振動(dòng)加速度測(cè)量等，同時(shí)運(yùn)用LabVIEW系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)和記錄簡(jiǎn)單處理，并畫圖分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理

可視化溢流閥振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是觀察溢流閥顫振現(xiàn)象和研究工作過程中閥芯振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，溢流閥的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中溢流閥采用透明有機(jī)玻璃制作，可以直接觀察到實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作過程中液壓油在溢流閥中的流動(dòng)過程以及閥芯的振動(dòng)過程。同時(shí)可以更改不同入口管段長(zhǎng)度、不同的閥芯質(zhì)量以及不同的閥塊彈簧對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的溢流閥顫振現(xiàn)象。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)過程中，采用LabVIEW 設(shè)計(jì)的控制面板輸入實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)，例如輸入系統(tǒng)工作壓力，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕即可啟動(dòng)液壓泵進(jìn)行工作，同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集并能夠?qū)崟r(shí)顯示閥芯振動(dòng)位移曲線數(shù)據(jù)。待實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后設(shè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間即可點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集保存數(shù)據(jù)，從而能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。整體界面如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制與數(shù)據(jù)采集界面

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作控制

實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作控制同樣集成在LabVIEW系統(tǒng)模塊。在驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)上加入變頻器，而變頻器利用串口通信，接入計(jì)算機(jī)LabVIEW模塊，實(shí)現(xiàn)模塊控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要采用壓力傳感器、流量傳感器、加速度傳感器以及位移傳感器，其中壓力傳感器、流量傳感器、加速度傳感器通過模擬量采集模塊，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)中搭建好的LabVIEW 模塊系統(tǒng)。位移傳感器采用的是米依傳感器，將設(shè)備接口通過轉(zhuǎn)接后USB接入計(jì)算機(jī)，并安裝驅(qū)動(dòng)后能通過LabVIEW模塊控制采集。具體的采集與處理過程如圖4 所示。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設(shè)置了初步的數(shù)據(jù)云圖顯示，能夠在實(shí)驗(yàn)做完后馬上能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

3 可視化溢流閥振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

應(yīng)用搭建的可視化溢流閥振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)依據(jù)“液壓元件”課程開設(shè)了“溢流閥振動(dòng)測(cè)試檢測(cè)”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課。實(shí)驗(yàn)課主要由3 人為一小組的形式進(jìn)行實(shí)施。學(xué)生依據(jù)教師編寫的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了讓學(xué)生全面理解溢流閥內(nèi)部振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，主要設(shè)定了兩部分實(shí)驗(yàn)。①設(shè)定某一特定溢流壓力，觀察閥芯的振動(dòng)現(xiàn)象，從實(shí)施顯示界面分析溢流閥芯從一開始到穩(wěn)定狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集記錄，得到流量變化、閥進(jìn)出口壓力變化。②對(duì)比溢流閥流量，壓差與開啟高度之間的關(guān)系，評(píng)價(jià)溢流閥性能。③不同溢流壓力、不同出口管直徑的閥芯位移變化。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 溢流閥工作時(shí)各參數(shù)關(guān)系

從圖5 可以看出，在設(shè)定某一特定溢流壓力下，當(dāng)開啟溢流閥后，經(jīng)過溢流閥的流量基本能夠穩(wěn)定在特定值，隨著時(shí)間的變化，閥芯位移、閥入口壓力、出口壓力都存在一定程度的振動(dòng)。閥芯的振動(dòng)幅值可以從圖中得出，而振動(dòng)頻率也可以通過傅里葉變換得出。圖6 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)定流量一定時(shí)，溢流閥壓差隨著開啟高度的增加而減小。同一開啟高度下，流量越大溢流閥的壓差越大。圖7 中可以看出隨著溢流閥設(shè)定的開啟壓力的增大，閥芯振動(dòng)幅值減小，開啟壓力低時(shí)，閥芯振動(dòng)受到強(qiáng)烈的沖擊，振動(dòng)劇烈。由圖8 可以看出，在開啟壓力、流量、入口等條件一定情況下，隨著出口直徑的增大，閥芯振動(dòng)幅值變大，振動(dòng)加劇。在溢流閥正常工作時(shí)，閥芯振動(dòng)越平穩(wěn)越好，而通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)的觀察與測(cè)試，能得到溢流閥的性能，具體合適的工作參數(shù)，減少振動(dòng)的發(fā)生。通過設(shè)定的這些有效的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀地了解到溢流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和掌握溢流閥特性。從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)研究意識(shí)。

圖6 流量、壓差和開啟高度的關(guān)系

圖7 不同開啟壓力下閥芯振動(dòng)

圖8 不同出口直徑下閥芯振動(dòng)

4 結(jié)語

本文針對(duì)教學(xué)和科研中溢流閥工作狀態(tài)下閥芯振動(dòng)現(xiàn)象，搭建了可視化可視化溢流閥振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不僅能夠應(yīng)用于機(jī)械液壓實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，同時(shí)能夠通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同流量，不同工作壓力，不同閥芯結(jié)構(gòu)溢流閥的顫振對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為研究溢流閥顫振提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

同時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能測(cè)試，能夠初步判斷溢流閥合適的結(jié)構(gòu)工作參數(shù)，為溢流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。