基于VI技術(shù)的《液壓傳動(dòng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳清華，張立祥，詹少華

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

一、引言

《液壓傳動(dòng)》是機(jī)械工程類相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課［1］，而作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有相當(dāng)大的比重，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量對(duì)于《液壓傳動(dòng)》課程教學(xué)質(zhì)量的提升至關(guān)重要。然而，隨著高校大幅度擴(kuò)招，在校學(xué)生數(shù)量大量增加，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相對(duì)滯后的情況下，液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備愈發(fā)緊張，從而難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。在硬件設(shè)施和設(shè)備瓶頸短期內(nèi)難以迅速改善的情況下，如何有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量亟待解決。

虛擬儀器技術(shù)為解決此問題提供了可能［2－3］。虛擬儀器技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表技術(shù)學(xué)科深度交叉的結(jié)果，經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)逐步被認(rèn)知和認(rèn)可。虛擬儀器的概念最早由美國的國家儀器公司（即NI）提出，同期NI公司還推出了LabVIEW 軟件，特點(diǎn)是通過圖形化的操作界面，使虛擬儀器開發(fā)編程變得更為直觀，也是較早的虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)。我國雖起步較晚，但經(jīng)多年發(fā)展也取得了一定進(jìn)展，尤其在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方面取得了豐碩成果［4－7］。目前雖然已有大量的液壓方面的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但仍缺乏更有針對(duì)性的液壓傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)此，課題組基于LabVIEW 軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了虛擬液壓綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［8］，以為進(jìn)一步提升《液壓傳動(dòng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

《液壓傳動(dòng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較多，但總體上可分為：性能類、回路類和典型速度控制類等實(shí)驗(yàn)。

（一）性能類實(shí)驗(yàn)

泵類性能實(shí)驗(yàn)。主要包括定量泵和變量泵性能實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容為繪制泵的工作性能曲線；了解泵的性能曲線及用途；掌握泵的基本實(shí)驗(yàn)方法及各參數(shù)的測(cè)試技術(shù)等。

節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)。主要對(duì)利用節(jié)流閥或調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速的回路進(jìn)行研究；此外對(duì)液壓缸也可進(jìn)行性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

溢流閥性能實(shí)驗(yàn)，其主要包括靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢斫庖缌鏖y的靜動(dòng)態(tài)特性及其性能。

（二）回路類實(shí)驗(yàn)

壓力控制類回路實(shí)驗(yàn)。由于回路類型較多，同時(shí)為了能夠讓學(xué)生盡量多地學(xué)習(xí)主要類型的壓力控制回路原理，并掌握設(shè)計(jì)方法，此處主要對(duì)調(diào)壓、增減壓、保壓、卸載和平衡回路等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

方向控制類回路實(shí)驗(yàn)。為了讓學(xué)生能夠熟悉方向控制回路的功能和應(yīng)用，選取換向、鎖緊、限程、連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和液壓缸定位回路等為研究對(duì)象。

順序動(dòng)作類回路實(shí)驗(yàn)。作用是使執(zhí)行元件按照設(shè)定的順序完成預(yù)定動(dòng)作，通常分為壓力控制和行程控制兩類。此處選取了壓力、行程和時(shí)間控制的多缸順序動(dòng)作回路。

速度控制類回路實(shí)驗(yàn)，包括：節(jié)流調(diào)速、增速和減速、容積式調(diào)速回路等。

此外，系統(tǒng)具有二次開發(fā)功能，允許用戶根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)其它類型回路和伺服控制類回路實(shí)驗(yàn)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件構(gòu)成

進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要采集一些基本參數(shù)，如壓力、流量、扭矩、位移和轉(zhuǎn)速等，需要通過相應(yīng)的傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，主要包括：計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、各種傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊等。

系統(tǒng)通過傳感器采集物理信號(hào)，根據(jù)功能需要設(shè)置了壓力、流量、轉(zhuǎn)速和位移傳感器。其中，壓力傳感器類型為KELLER 壓阻式，直流24V 供電，輸出范圍：4～20mA，測(cè)量范圍：0～10 MPa；流量傳感器選用LWGY－10型渦輪流量傳感器，直流24V 供電，輸出范圍：3～13 mA，測(cè)量范圍：0.2～12m／h；轉(zhuǎn)速傳感器采用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的JSC4－1000型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器配套轉(zhuǎn)速測(cè)量儀使用；位移測(cè)量采用KYDM－L 型磁致伸縮線性位移傳感器，有效量程：50～5 000mm，輸出：4～20mA，精度性能較好，量程范圍內(nèi)非線性度：±0.05%。

圖1 虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集卡功能是將傳感器采集到的物理信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，綜合考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備和LabVIEW 軟件版本，選用了PCI－6024E型數(shù)據(jù)采集卡，主要參數(shù)：12位分辨率，輸入為16路單端或8路差分模擬量，輸出為2路12位D／A 模擬量；采樣頻率200kS／s；測(cè)試量程：最大－10～10V，最小：－50～50mV。當(dāng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通道較多時(shí)，建議配套端子板使用。

數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的電信號(hào)具有一定范圍，而傳感器輸出的電壓信號(hào)往往因過小無法直接采集，從而需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。也即需進(jìn)行信號(hào)放大、濾波、隔離等處理。本系統(tǒng)采用SC－2040信號(hào)調(diào)理卡。

（二）軟件設(shè)計(jì)

軟件基于Labview 編程環(huán)境開發(fā)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)了泵性能類實(shí)驗(yàn)、節(jié)流調(diào)速回路、溢流閥動(dòng)態(tài)特性和回路類等四個(gè)模塊，每個(gè)模塊均可單獨(dú)運(yùn)行。系統(tǒng)主界面如圖2所示，各功能模塊采用按鈕設(shè)計(jì)，用戶可直接點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入對(duì)應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，如圖3所示為泵性能實(shí)驗(yàn)主界面，包括六大功能區(qū)域：人員信息區(qū)、基本參數(shù)區(qū)、圖形顯示區(qū)、儀表顯示區(qū)、功能按鈕區(qū)和數(shù)據(jù)表區(qū)等。

圖2 軟件主界面

圖3 泵性能實(shí)驗(yàn)主界面

人員信息區(qū)用以錄入實(shí)驗(yàn)人員姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等相關(guān)信息；基本參數(shù)區(qū)顯示物理通道信息、采樣頻率、樣本數(shù)、采樣模式等相關(guān)信息；流量—壓力特性曲線和效率—壓力特性曲線在圖形區(qū)繪制和顯示；儀表顯示區(qū)則以更直觀的方式，模擬儀表盤顯示壓力、流量、扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，以便操作人員實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)變化情況；功能按鈕區(qū)包括了主要操作按鈕：理論學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)采集、保存數(shù)據(jù)和查看記錄等。其中“理論學(xué)習(xí)”是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前讓操作者對(duì)將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有大致的了解和認(rèn)識(shí)。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”按鈕后將動(dòng)態(tài)采集被測(cè)液壓泵的輸出壓力、流量、輸入扭矩及轉(zhuǎn)速，與此同時(shí)在圖形顯示區(qū)、儀表區(qū)和圖形區(qū)以各種形式顯示。利用采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算得到容積效率和總效率等數(shù)據(jù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)表區(qū)顯示。采集多組數(shù)據(jù)后可擬合得到流量—壓力特性曲線和效率—壓力特性曲線。

對(duì)于符合要求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或記錄，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕可以保存，并可通過“查看記錄”功能隨時(shí)查詢，點(diǎn)擊“打印結(jié)果”即可把采集并處理過后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、特性曲線、實(shí)驗(yàn)日期等信息形成報(bào)表，并直接打印出來。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

利用建立的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖4所示為泵虛擬性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果（被測(cè)泵為V4帶控制型變量葉片泵）。

圖4 液壓泵性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

得到的性能曲線較好地反映了被測(cè)液壓泵的液壓性能，如泵壓力逐漸增大時(shí)，泵流量呈逐漸下降趨勢(shì)，容積效率與壓力也呈負(fù)相關(guān)變化關(guān)系，但總效率逐漸上升，與實(shí)際通過系統(tǒng)測(cè)試計(jì)算獲得的性能參數(shù)和曲線基本相符。

節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)需要考慮不同節(jié)流調(diào)速方式，但其本質(zhì)區(qū)別僅僅體現(xiàn)在閥連接方式方面，原理上基本相似。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，采用節(jié)流閥閥口通流面積調(diào)節(jié)改變活塞運(yùn)動(dòng)速度。

如圖5所示，為不同閥口通流面積時(shí)，節(jié)流調(diào)速回路速度—負(fù)載特性虛擬實(shí)驗(yàn)曲線，真實(shí)地反映了不同通流工況下的節(jié)流調(diào)速回路負(fù)載特性。如負(fù)載同為2.49kN 時(shí)，通流面積為中和小時(shí)的流體速度分別為0.014 2m／s和0.004 46m／s，負(fù)載分別為3.11kN 和3.12kN 時(shí)，通流面積為大和中時(shí)的速度分別為0.179 8m／s和0.109 4m／s，與實(shí)際是相符的。

圖5 節(jié)流調(diào)速回路性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6所示為溢流閥動(dòng)態(tài)特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯龅玫降奶匦郧€與理論特性曲線較為一致，同時(shí)也可直觀計(jì)算出溢流閥的響應(yīng)時(shí)間、過渡過程時(shí)間、調(diào)定壓力和壓力超調(diào)率等參數(shù)。如圖7所示為溢流閥壓力動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 溢流閥動(dòng)態(tài)特性虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 溢流閥動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為《液壓傳動(dòng)》課程教學(xué)的重要組成部分，面對(duì)硬件設(shè)施有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源難以在短期內(nèi)明顯改善的現(xiàn)狀，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是解決問題的可行手段。應(yīng)用分析表明建立的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，并具有不占場(chǎng)地、效率高和具有可復(fù)用性等特點(diǎn)，將是未來工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要發(fā)展方向。

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