溢流閥振動測試實驗教學平臺設計

邱林賓，馬 威，金 純

（北京科技大學a.機械工程學院；b.土木與資源工程學院，北京 100083）

0 引言

在工程應用行業，直動式溢流閥在機械設備的液壓系統中具有廣泛的應用，是整個系統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，溢流閥也是車輛工程專業“液壓元件”課程中的一個重要知識點。在目前的教學工作中，實驗課程設置了溢流閥拆裝實驗，以及簡單溢流閥控制回路壓力測試實驗，并且通過多媒體課件，結合工程實例教學，取得了一定的教學效果。但是，由于溢流閥閥體內部結構復雜、工作過程不直觀，工作原理難以理解的特點［4-5］，通過現有的實驗設備和實驗教學方法，學生對溢流閥的結構、原理和性能掌握程度不夠［6-7］。

針對以上教學困難，各大高校都進行了液壓實驗教學方法改革、實驗設備更新設計。王東成等［8］將CATIA和AMESim虛擬仿真軟件應用到液壓實驗教學當中，提高了學生學習積極性，培養了學生的開發拓展能力。陳敏捷等［9］借助UG與3DS max建立液壓零部件模型，系統效果逼真，人機交互性強。朱鵬程等［10］基于Automation Studio 設計了實驗教學方法，提高了學生的實驗效率和教學效果。田忠民等［11］改善了現有的液壓實驗臺，可以根據學生需求自行設計研發實驗工作，提高了學生的實驗自主性、多樣性。瞿希等［12］針對現有的液壓實驗教學模式進行改革，引入信息化實驗技術，開發了啟發式教學模式。張華［13］設計了電液一體化實驗臺應用于實驗教學，具有開放性、可擴展性、多功能等優點。劉愛軍等［14］采用PowerPoint結合雨課堂的方式開展層次化、過程性、多方位相結合的實驗教學方法。上述的實驗裝置及教學方法，有的局限于應用虛擬技術，有的則是重點在于提高實驗臺的擴展性，讓學生開放實驗。但是，從實驗理論及實驗原理上加強學生知識吸收的方法較少，液壓實驗過程不直觀，能提高學生理解能力的裝置缺乏。

本文設計了一種可視化實時監測溢流閥振動實驗教學平臺，不僅能夠對溢流閥顫振研究更為深刻，為溢流閥工作失穩機理和閥顫振行為提供理論依據［15-16］，同時能夠通過課程實驗，可加深學生對概念和理論的理解與掌握，更重要的是培養發現問題、分析問題和解決實際問題的能力。

1 實驗臺總體結構設計及工作原理

1.1 實驗臺總體結構

可視化溢流閥振動測試實驗教學平臺主要由液壓回路部分、動力裝置部分、振動測試裝置部分、控制系統、在線數據監測及數據采集部分等構成。實驗室整體結構如圖1 所示。

（1）液壓回路部分。實驗臺的液壓回路如圖1 所示，由溢流閥、泵、流量計、壓力表等串聯構成。其中溢流閥閥體由有機玻璃特制而成，且閥芯質量與大小和出入口管長度與直徑可調。

（2）動力裝置部分。主要由配備變頻器的電機驅動液壓泵進行工作。

（3）振動測試裝置部分。主要由米依位移傳感器、加速度計構成，通過控制不同工況與結構參數，在線隨時記錄閥芯振動位移與加速度。

（4）控制系統。以變頻器來控制液壓泵電機轉速，保證壓力和流量的實驗要求。

（5）在線數據監測及數據采集。主要包括回路壓力測量、流量測量、閥芯振動位移測量、閥芯振動加速度測量等，同時運用LabVIEW系統進行數據在線監測和記錄簡單處理，并畫圖分析。

圖1 實驗臺總體結構

1.2 實驗臺工作原理

可視化溢流閥振動測試實驗教學平臺是觀察溢流閥顫振現象和研究工作過程中閥芯振動特性的實驗裝置，溢流閥的結構如圖2 所示。其中溢流閥采用透明有機玻璃制作，可以直接觀察到實驗臺工作過程中液壓油在溢流閥中的流動過程以及閥芯的振動過程。同時可以更改不同入口管段長度、不同的閥芯質量以及不同的閥塊彈簧對比不同結構的溢流閥顫振現象。

圖2 實驗裝置結構圖

2 實驗臺控制及數據采集與處理系統設計

實驗臺的控制及數據采集與處理系統主要采用LabVIEW軟件設計。實驗過程中，采用LabVIEW 設計的控制面板輸入實驗所需參數，例如輸入系統工作壓力，點擊啟動按鈕即可啟動液壓泵進行工作，同時數據采集系統開始采集并能夠實時顯示閥芯振動位移曲線數據。待實驗穩定后設定實驗數據采集時間即可點擊數據采集保存數據，從而能夠進行數據分析。整體界面如圖3 所示。

圖3 實驗臺控制與數據采集界面

2.1 實驗臺工作控制

實驗臺工作控制同樣集成在LabVIEW系統模塊。在驅動液壓泵的電動機上加入變頻器，而變頻器利用串口通信，接入計算機LabVIEW模塊，實現模塊控制。

2.2 數據采集與處理系統

根據實驗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，經過數模轉換后進入計算機中搭建好的LabVIEW 模塊系統。位移傳感器采用的是米依傳感器，將設備接口通過轉接后USB接入計算機，并安裝驅動后能通過LabVIEW模塊控制采集。具體的采集與處理過程如圖4 所示。同時，實驗完成后，數據采集系統還設置了初步的數據云圖顯示，能夠在實驗做完后馬上能夠對實驗數據進行初步分析。

圖4 實驗臺數據采集系統示意圖

3 可視化溢流閥振動測試平臺實驗教學應用

應用搭建的可視化溢流閥振動測試平臺依據“液壓元件”課程開設了“溢流閥振動測試檢測”創新實驗課。實驗課主要由3 人為一小組的形式進行實施。學生依據教師編寫的實驗指導書進行實驗，具體實驗方法、實驗過程和實驗結果如下。

3.1 實驗方法

為了讓學生全面理解溢流閥內部振動實驗，主要設定了兩部分實驗。①設定某一特定溢流壓力，觀察閥芯的振動現象，從實施顯示界面分析溢流閥芯從一開始到穩定狀態下的運動軌跡，同時，根據數據采集記錄，得到流量變化、閥進出口壓力變化。②對比溢流閥流量，壓差與開啟高度之間的關系，評價溢流閥性能。③不同溢流壓力、不同出口管直徑的閥芯位移變化。

3.2 實驗結果與分析

圖5 溢流閥工作時各參數關系

從圖5 可以看出，在設定某一特定溢流壓力下，當開啟溢流閥后，經過溢流閥的流量基本能夠穩定在特定值，隨著時間的變化，閥芯位移、閥入口壓力、出口壓力都存在一定程度的振動。閥芯的振動幅值可以從圖中得出，而振動頻率也可以通過傅里葉變換得出。圖6 的實驗結果表明，當設定流量一定時，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定的開啟壓力的增大，閥芯振動幅值減小，開啟壓力低時，閥芯振動受到強烈的沖擊，振動劇烈。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，閥芯振動幅值變大，振動加劇。在溢流閥正常工作時，閥芯振動越平穩越好，而通過實驗臺的觀察與測試，能得到溢流閥的性能，具體合適的工作參數，減少振動的發生。通過設定的這些有效的對比實驗，讓學生直觀地了解到溢流閥的內部結構和掌握溢流閥特性。從而提高了學生的學習興趣和學習效率，增強了學生的科學研究意識。

圖6 流量、壓差和開啟高度的關系

圖7 不同開啟壓力下閥芯振動

圖8 不同出口直徑下閥芯振動

4 結語

本文針對教學和科研中溢流閥工作狀態下閥芯振動現象，搭建了可視化可視化溢流閥振動測試實驗教學平臺，不僅能夠應用于機械液壓實驗課教學，同時能夠通過實驗臺進行不同流量，不同工作壓力，不同閥芯結構溢流閥的顫振對比實驗，為研究溢流閥顫振提供實驗基礎。

同時，經過實驗臺的性能測試，能夠初步判斷溢流閥合適的結構工作參數，為溢流閥的結構參數設計提供一定的參考價值。