可視化溢流閥失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

邱林賓，馬 威，金 純

（1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

溢流閥作為機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)中的一個(gè)重要液壓元件，在工程機(jī)械中具有廣泛應(yīng)用。溢流閥在液壓系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用，關(guān)系到系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。然而溢流閥常發(fā)生不穩(wěn)定顫振現(xiàn)象，使其不能正常工作。同時(shí)，在車(chē)輛工程《液壓傳動(dòng)與控制》課程中，溢流閥是一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。目前大多采用拆裝實(shí)驗(yàn)、回路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)教學(xué)溢流閥的特性與使用，但是由于溢流閥工作過(guò)程中學(xué)生不能直接觀察到內(nèi)部工作原理，學(xué)生對(duì)溢流閥的結(jié)構(gòu)、原理以及失穩(wěn)顫振現(xiàn)象掌握不足[1-2]。

針對(duì)溢流閥穩(wěn)定性理論以及教學(xué)難點(diǎn)，各大高校以及研究所對(duì)此進(jìn)行了大量研究和探索，更新了實(shí)驗(yàn)裝備，嘗試了新的教學(xué)方法。在失穩(wěn)機(jī)理方面，文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)入口管對(duì)閥芯振動(dòng)的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了穩(wěn)定性尺寸預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了湍流模型，從介質(zhì)和傳熱角度分析了閥芯運(yùn)動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)[5]通過(guò)計(jì)算溢流閥模型內(nèi)的速度壓力場(chǎng)分析了震顫原因。文獻(xiàn)[6]同樣進(jìn)行了數(shù)值仿真討論分析了彈簧剛度閥口直徑與失穩(wěn)現(xiàn)象之間的關(guān)系。在文獻(xiàn)[7]基于CATIA 和AMESim 虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)了教學(xué)系統(tǒng)，提高了教學(xué)效果。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用UG 與3ds Max 搭建零件模型，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)人機(jī)交互。文獻(xiàn)[9]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。文獻(xiàn)[10]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。文獻(xiàn)[11]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(kāi)發(fā)了啟發(fā)式教學(xué)模式。文獻(xiàn)[12]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(kāi)放性、可擴(kuò)展性、多功能等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[13]采用PowerPoint 結(jié)合雨課堂的方式開(kāi)展層次化、過(guò)程性、多方位相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

由于從機(jī)理研究上大多數(shù)成果都是基于數(shù)值仿真，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)上多采用虛擬軟件來(lái)進(jìn)行輔助教學(xué)，很少?gòu)膶?shí)驗(yàn)研究上進(jìn)行原理與教學(xué)改革。為了進(jìn)行機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究與提高教學(xué)效果，設(shè)計(jì)搭建了一種可視化實(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)[14-15]，同時(shí)能夠通過(guò)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(wèn)題、分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

可視化溢流閥失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如圖1 所示。主要由液壓系統(tǒng)、油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)主要由泵、流量計(jì)、壓力表等串聯(lián)組成簡(jiǎn)單的回路系統(tǒng)。油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由配備可控變頻電機(jī)的液壓泵組成，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要集成了油泵、管路等控制，同時(shí)配備了激光位移傳感器，用于采集有機(jī)玻璃制成的透明溢流閥閥芯位移，且閥芯的規(guī)格以及出入口管徑長(zhǎng)度皆可調(diào)。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The Experimental Structure

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作流程

可視化溢流閥失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)控制系統(tǒng)改變溢流閥工作參數(shù)，通過(guò)可拆卸閥芯和出入管的更換調(diào)整溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)，可視化透明的有機(jī)玻璃可以直接觀察到閥芯振動(dòng)過(guò)程，以及是否發(fā)生顫振現(xiàn)象。溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)工作流程圖，如圖3 所示。控制系統(tǒng)通過(guò)串口通信控制加裝在液壓泵上的變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵的輸出控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集壓力傳感器、流量傳感器、加速度傳感器數(shù)值并輸入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，而激光位移傳感器采用串口通信對(duì)接Labview 軟件系統(tǒng)采集，具體工作流程，如圖4 所示。設(shè)定好的軟件界面可以實(shí)時(shí)檢測(cè)初步的數(shù)據(jù)云圖。后臺(tái)可以自動(dòng)保存數(shù)據(jù)以便后期分析。

圖2 溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal Structure of Relief Valve

圖3 實(shí)驗(yàn)工作流程圖Fig.3 Experimental Work Flow Chart

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Data Acquisition System

3 控制及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制與數(shù)據(jù)采集界面Fig.5 Control and Data Acquisition Interface

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(guò)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(kāi)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5 所示。

4 教學(xué)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

可視化溢流閥失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)基于《車(chē)輛液壓傳動(dòng)與控制》課程開(kāi)設(shè)了“溢流閥失穩(wěn)特性檢測(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(xiě)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于溢流閥的失穩(wěn)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)需求以及學(xué)生全面了解溢流閥內(nèi)部閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程教學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定了兩部分實(shí)驗(yàn)。（1）在一定工作參數(shù)下，實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各項(xiàng)工作參數(shù)變化過(guò)程，同時(shí)對(duì)照透明有機(jī)玻璃溢流閥，記錄工作參數(shù)。（2）改變液壓系統(tǒng)泵組的工作流量、溢流閥開(kāi)啟壓力、不同出口管徑和長(zhǎng)度參數(shù)情況下溢流閥閥芯振動(dòng)過(guò)程。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在設(shè)定某一特定溢流壓力下，盡量保持閥出入口壓力穩(wěn)定，但是還有少量波動(dòng)，當(dāng)逐步增加系統(tǒng)流量時(shí)候，雖然溢流壓力保持一定，但是閥芯發(fā)生了比較激烈的振動(dòng)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)透過(guò)有機(jī)玻璃也能看出，當(dāng)流量增加到一定程度后，閥芯振動(dòng)趨于穩(wěn)定，如圖6 所示。

圖6 溢流閥工作基本參數(shù)圖Fig.6 Basic Operating Parameters of Relief Valve

溢流閥工作過(guò)程中閥芯振動(dòng)位移、速度、加速度和入口壓力的傅里葉變換圖，如圖7 所示。從圖7 中可以看出，在此工作參數(shù)下，閥芯的振動(dòng)頻率在57Hz 左右，為了盡量減少閥芯振動(dòng)，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)溢流閥時(shí)，其固有頻率偏離57Hz，否則易引起共振，不利于溢流閥工作。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的壓力損失系數(shù)隨著開(kāi)啟高度的增加而降低，在低流量情況下，壓力損失較大，閥芯振動(dòng)也較為激烈，溢流閥不能正常工作，當(dāng)開(kāi)啟高度與流量達(dá)到一定程度后，溢流閥能進(jìn)行正常工作，如圖8 所示。

圖7 頻率分布圖Fig.7 Frequency Map

圖8 壓損關(guān)系圖Fig.8 Pressure Loss Diagram

隨著溢流閥設(shè)定的開(kāi)啟壓力的增大，閥芯振動(dòng)幅值減小，開(kāi)啟壓力低時(shí)，閥芯振動(dòng)受到強(qiáng)烈的沖擊，振動(dòng)劇烈，如圖9 所示。在開(kāi)啟壓力、流量、入口等條件一定的情況下，隨著出口直徑的增大，閥芯振動(dòng)幅值變大，振動(dòng)加劇，如圖10 所示。在溢流閥正常工作時(shí)，閥芯振動(dòng)越平穩(wěn)越好，而通過(guò)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(guò)設(shè)定的這些有效的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀的了解到溢流閥的內(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9 不同開(kāi)啟壓力下閥芯振動(dòng)Fig.9 Vibration Diagram of Spool Under Different Opening Pressure

圖10 不同出口直徑下閥芯振動(dòng)Fig.10 Vibration Diagram of Spool Under Different Outlet Diameters

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)溢流閥工作狀態(tài)下失穩(wěn)現(xiàn)象，為了直觀分析其閥芯的振動(dòng)過(guò)程，搭建了可視化溢流閥實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅解決了學(xué)生直觀掌握溢流閥工作原理，了解溢流閥顫振現(xiàn)象，同時(shí)能夠基于平臺(tái)分析不同參數(shù)下閥芯振動(dòng)，能量損失以及振動(dòng)頻率，為溢流閥失穩(wěn)現(xiàn)象提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并且為避免發(fā)生顫振現(xiàn)象，溢流閥的設(shè)計(jì)和工作參數(shù)提供一定的理論。