可视化溢流阀失稳实验教学平台设计与分析

邱林宾，马 威，金 纯

（1.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）

1 引言

溢流阀作为机械设备液压系统中的一个重要液压元件，在工程机械中具有广泛应用。溢流阀在液压系统中起安全保护作用，关系到系统正常运转。然而溢流阀常发生不稳定颤振现象，使其不能正常工作。同时，在车辆工程《液压传动与控制》课程中，溢流阀是一个重要知识点。目前大多采用拆装实验、回路系统实验来教学溢流阀的特性与使用，但是由于溢流阀工作过程中学生不能直接观察到内部工作原理，学生对溢流阀的结构、原理以及失稳颤振现象掌握不足[1-2]。

针对溢流阀稳定性理论以及教学难点，各大高校以及研究所对此进行了大量研究和探索，更新了实验装备，尝试了新的教学方法。在失稳机理方面，文献[3]发现入口管对阀芯振动的影响，并通过数值模拟进行了稳定性尺寸预测。文献[4]设计了湍流模型，从介质和传热角度分析了阀芯运动规律。文献[5]通过计算溢流阀模型内的速度压力场分析了震颤原因。文献[6]同样进行了数值仿真讨论分析了弹簧刚度阀口直径与失稳现象之间的关系。在文献[7]基于CATIA 和AMESim 虚拟仿真软件设计了教学系统，提高了教学效果。文献[8]应用UG 与3ds Max 搭建零件模型，加强实验人机交互。文献[9]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。文献[10]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。文献[11]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。文献[12]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。文献[13]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。

由于从机理研究上大多数成果都是基于数值仿真，而实验教学上多采用虚拟软件来进行辅助教学，很少从实验研究上进行原理与教学改革。为了进行机理实验研究与提高教学效果，设计搭建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[14-15]，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。

2 教学平台设计

2.1 教学平台结构组成

可视化溢流阀失稳实验教学平台，如图1 所示。主要由液压系统、油泵驱动系统、控制与数据采集系统组成。液压系统主要由泵、流量计、压力表等串联组成简单的回路系统。油泵驱动系统主要由配备可控变频电机的液压泵组成，控制与数据采集系统主要集成了油泵、管路等控制，同时配备了激光位移传感器，用于采集有机玻璃制成的透明溢流阀阀芯位移，且阀芯的规格以及出入口管径长度皆可调。

图1 实验台总体结构Fig.1 The Experimental Structure

2.2 实验台工作流程

可视化溢流阀失稳实验教学平台实验中依据实验要求，通过控制系统改变溢流阀工作参数，通过可拆卸阀芯和出入管的更换调整溢流阀结构参数，可视化透明的有机玻璃可以直接观察到阀芯振动过程，以及是否发生颤振现象。溢流阀内部结构，如图2所示。实验工作流程图，如图3 所示。控制系统通过串口通信控制加装在液压泵上的变频器，实现对液压泵的输出控制。数据采集系统采集压力传感器、流量传感器、加速度传感器数值并输入计算机处理系统，而激光位移传感器采用串口通信对接Labview 软件系统采集，具体工作流程，如图4 所示。设定好的软件界面可以实时检测初步的数据云图。后台可以自动保存数据以便后期分析。

图2 溢流阀内部结构Fig.2 Internal Structure of Relief Valve

图3 实验工作流程图Fig.3 Experimental Work Flow Chart

图4 实验台系统流程示意图Fig.4 Schematic Diagram of Data Acquisition System

3 控制及数据采集与处理系统设计

图5 实验台控制与数据采集界面Fig.5 Control and Data Acquisition Interface

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5 所示。

4 教学平台实验及结果分析

可视化溢流阀失稳实验教学平台基于《车辆液压传动与控制》课程开设了“溢流阀失稳特性检测”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。

4.1 实验内容

基于溢流阀的失稳机理的实验需求以及学生全面了解溢流阀内部阀芯运动过程教学实验，设定了两部分实验。（1）在一定工作参数下，实时检测实验平台各项工作参数变化过程，同时对照透明有机玻璃溢流阀，记录工作参数。（2）改变液压系统泵组的工作流量、溢流阀开启压力、不同出口管径和长度参数情况下溢流阀阀芯振动过程。

4.2 实验结果与分析

在设定某一特定溢流压力下，尽量保持阀出入口压力稳定，但是还有少量波动，当逐步增加系统流量时候，虽然溢流压力保持一定，但是阀芯发生了比较激烈的振动，在现场实验透过有机玻璃也能看出，当流量增加到一定程度后，阀芯振动趋于稳定，如图6 所示。

图6 溢流阀工作基本参数图Fig.6 Basic Operating Parameters of Relief Valve

溢流阀工作过程中阀芯振动位移、速度、加速度和入口压力的傅里叶变换图，如图7 所示。从图7 中可以看出，在此工作参数下，阀芯的振动频率在57Hz 左右，为了尽量减少阀芯振动，应当在设计溢流阀时，其固有频率偏离57Hz，否则易引起共振，不利于溢流阀工作。根据结构分析的压力损失系数随着开启高度的增加而降低，在低流量情况下，压力损失较大，阀芯振动也较为激烈，溢流阀不能正常工作，当开启高度与流量达到一定程度后，溢流阀能进行正常工作，如图8 所示。

图7 频率分布图Fig.7 Frequency Map

图8 压损关系图Fig.8 Pressure Loss Diagram

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，如图9 所示。在开启压力、流量、入口等条件一定的情况下，随着出口直径的增大，阀芯振动幅值变大，振动加剧，如图10 所示。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，让学生直观的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。

图9 不同开启压力下阀芯振动Fig.9 Vibration Diagram of Spool Under Different Opening Pressure

图10 不同出口直径下阀芯振动Fig.10 Vibration Diagram of Spool Under Different Outlet Diameters

5 结语

针对溢流阀工作状态下失稳现象，为了直观分析其阀芯的振动过程，搭建了可视化溢流阀实验教学平台，该实验台不仅解决了学生直观掌握溢流阀工作原理，了解溢流阀颤振现象，同时能够基于平台分析不同参数下阀芯振动，能量损失以及振动频率，为溢流阀失稳现象提供实验基础，并且为避免发生颤振现象，溢流阀的设计和工作参数提供一定的理论。