溢流阀振动测试实验教学平台设计

2021-03-23邱林宾

实验室研究与探索 2021年2期

邱林宾，马威，金纯

（北京科技大学a.机械工程学院；b.土木与资源工程学院，北京 100083）

0 引言

在工程应用行业，直动式溢流阀在机械设备的液压系统中具有广泛的应用，是整个系统不可缺少的控制元件，用来限制液压回路的压力。熟悉和掌握溢流阀的特性和使用方法非常重要［1-3］。同时，溢流阀也是车辆工程专业“液压元件”课程中的一个重要知识点。在目前的教学工作中，实验课程设置了溢流阀拆装实验，以及简单溢流阀控制回路压力测试实验，并且通过多媒体课件，结合工程实例教学，取得了一定的教学效果。但是，由于溢流阀阀体内部结构复杂、工作过程不直观，工作原理难以理解的特点［4-5］，通过现有的实验设备和实验教学方法，学生对溢流阀的结构、原理和性能掌握程度不够［6-7］。

针对以上教学困难，各大高校都进行了液压实验教学方法改革、实验设备更新设计。王东成等［8］将CATIA和AMESim虚拟仿真软件应用到液压实验教学当中，提高了学生学习积极性，培养了学生的开发拓展能力。陈敏捷等［9］借助UG与3DS max建立液压零部件模型，系统效果逼真，人机交互性强。朱鹏程等［10］基于Automation Studio 设计了实验教学方法，提高了学生的实验效率和教学效果。田忠民等［11］改善了现有的液压实验台，可以根据学生需求自行设计研发实验工作，提高了学生的实验自主性、多样性。瞿希等［12］针对现有的液压实验教学模式进行改革，引入信息化实验技术，开发了启发式教学模式。张华［13］设计了电液一体化实验台应用于实验教学，具有开放性、可扩展性、多功能等优点。刘爱军等［14］采用PowerPoint结合雨课堂的方式开展层次化、过程性、多方位相结合的实验教学方法。上述的实验装置及教学方法，有的局限于应用虚拟技术，有的则是重点在于提高实验台的扩展性，让学生开放实验。但是，从实验理论及实验原理上加强学生知识吸收的方法较少，液压实验过程不直观，能提高学生理解能力的装置缺乏。

本文设计了一种可视化实时监测溢流阀振动实验教学平台，不仅能够对溢流阀颤振研究更为深刻，为溢流阀工作失稳机理和阀颤振行为提供理论依据［15-16］，同时能够通过课程实验，可加深学生对概念和理论的理解与掌握，更重要的是培养发现问题、分析问题和解决实际问题的能力。

1 实验台总体结构设计及工作原理

1.1 实验台总体结构

可视化溢流阀振动测试实验教学平台主要由液压回路部分、动力装置部分、振动测试装置部分、控制系统、在线数据监测及数据采集部分等构成。实验室整体结构如图1 所示。

（1）液压回路部分。实验台的液压回路如图1 所示，由溢流阀、泵、流量计、压力表等串联构成。其中溢流阀阀体由有机玻璃特制而成，且阀芯质量与大小和出入口管长度与直径可调。

（2）动力装置部分。主要由配备变频器的电机驱动液压泵进行工作。

（3）振动测试装置部分。主要由米依位移传感器、加速度计构成，通过控制不同工况与结构参数，在线随时记录阀芯振动位移与加速度。

（4）控制系统。以变频器来控制液压泵电机转速，保证压力和流量的实验要求。

（5）在线数据监测及数据采集。主要包括回路压力测量、流量测量、阀芯振动位移测量、阀芯振动加速度测量等，同时运用LabVIEW系统进行数据在线监测和记录简单处理，并画图分析。

图1 实验台总体结构

1.2 实验台工作原理

可视化溢流阀振动测试实验教学平台是观察溢流阀颤振现象和研究工作过程中阀芯振动特性的实验装置，溢流阀的结构如图2 所示。其中溢流阀采用透明有机玻璃制作，可以直接观察到实验台工作过程中液压油在溢流阀中的流动过程以及阀芯的振动过程。同时可以更改不同入口管段长度、不同的阀芯质量以及不同的阀块弹簧对比不同结构的溢流阀颤振现象。

图2 实验装置结构图

2 实验台控制及数据采集与处理系统设计

实验台的控制及数据采集与处理系统主要采用LabVIEW软件设计。实验过程中，采用LabVIEW 设计的控制面板输入实验所需参数，例如输入系统工作压力，点击启动按钮即可启动液压泵进行工作，同时数据采集系统开始采集并能够实时显示阀芯振动位移曲线数据。待实验稳定后设定实验数据采集时间即可点击数据采集保存数据，从而能够进行数据分析。整体界面如图3 所示。

图3 实验台控制与数据采集界面

2.1 实验台工作控制

实验台工作控制同样集成在LabVIEW系统模块。在驱动液压泵的电动机上加入变频器，而变频器利用串口通信，接入计算机LabVIEW模块，实现模块控制。

2.2 数据采集与处理系统

根据实验需要采用压力传感器、流量传感器、加速度传感器以及位移传感器，其中压力传感器、流量传感器、加速度传感器通过模拟量采集模块，经过数模转换后进入计算机中搭建好的LabVIEW 模块系统。位移传感器采用的是米依传感器，将设备接口通过转接后USB接入计算机，并安装驱动后能通过LabVIEW模块控制采集。具体的采集与处理过程如图4 所示。同时，实验完成后，数据采集系统还设置了初步的数据云图显示，能够在实验做完后马上能够对实验数据进行初步分析。

图4 实验台数据采集系统示意图

3 可视化溢流阀振动测试平台实验教学应用

应用搭建的可视化溢流阀振动测试平台依据“液压元件”课程开设了“溢流阀振动测试检测”创新实验课。实验课主要由3 人为一小组的形式进行实施。学生依据教师编写的实验指导书进行实验，具体实验方法、实验过程和实验结果如下。

3.1 实验方法

为了让学生全面理解溢流阀内部振动实验，主要设定了两部分实验。①设定某一特定溢流压力，观察阀芯的振动现象，从实施显示界面分析溢流阀芯从一开始到稳定状态下的运动轨迹，同时，根据数据采集记录，得到流量变化、阀进出口压力变化。②对比溢流阀流量，压差与开启高度之间的关系，评价溢流阀性能。③不同溢流压力、不同出口管直径的阀芯位移变化。

3.2 实验结果与分析

图5 溢流阀工作时各参数关系

从图5 可以看出，在设定某一特定溢流压力下，当开启溢流阀后，经过溢流阀的流量基本能够稳定在特定值，随着时间的变化，阀芯位移、阀入口压力、出口压力都存在一定程度的振动。阀芯的振动幅值可以从图中得出，而振动频率也可以通过傅里叶变换得出。图6 的实验结果表明，当设定流量一定时，溢流阀压差随着开启高度的增加而减小。同一开启高度下，流量越大溢流阀的压差越大。图7 中可以看出随着溢流阀设定的开启压力的增大，阀芯振动幅值减小，开启压力低时，阀芯振动受到强烈的冲击，振动剧烈。由图8 可以看出，在开启压力、流量、入口等条件一定情况下，随着出口直径的增大，阀芯振动幅值变大，振动加剧。在溢流阀正常工作时，阀芯振动越平稳越好，而通过实验台的观察与测试，能得到溢流阀的性能，具体合适的工作参数，减少振动的发生。通过设定的这些有效的对比实验，让学生直观地了解到溢流阀的内部结构和掌握溢流阀特性。从而提高了学生的学习兴趣和学习效率，增强了学生的科学研究意识。