基于VI技术的《液压传动》实验教学平台设计

陈清华，张立祥，詹少华

（安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南232001）

一、引言

《液压传动》是机械工程类相关专业的一门重要专业基础课［1］，而作为一门实践性较强的课程，实验教学占有相当大的比重，保证实验教学质量对于《液压传动》课程教学质量的提升至关重要。然而，随着高校大幅度扩招，在校学生数量大量增加，在实验室建设相对滞后的情况下，液压传动实验仪器设备愈发紧张，从而难以满足实验教学的需求。在硬件设施和设备瓶颈短期内难以迅速改善的情况下，如何有效提升实验教学质量亟待解决。

虚拟仪器技术为解决此问题提供了可能［2－3］。虚拟仪器技术属于计算机技术和仪器仪表技术学科深度交叉的结果，经过多年发展已经逐步被认知和认可。虚拟仪器的概念最早由美国的国家仪器公司（即NI）提出，同期NI公司还推出了LabVIEW 软件，特点是通过图形化的操作界面，使虚拟仪器开发编程变得更为直观，也是较早的虚拟仪器软件设计开发平台。我国虽起步较晚，但经多年发展也取得了一定进展，尤其在虚拟实验系统方面取得了丰硕成果［4－7］。目前虽然已有大量的液压方面的虚拟实验系统，但仍缺乏更有针对性的液压传动综合实验平台。针对此，课题组基于LabVIEW 软件开发环境，设计了虚拟液压综合实验平台［8］，以为进一步提升《液压传动》实验教学质量奠定基础。

二、实验内容

《液压传动》课程实验教学内容较多，但总体上可分为：性能类、回路类和典型速度控制类等实验。

（一）性能类实验

泵类性能实验。主要包括定量泵和变量泵性能实验，具体内容为绘制泵的工作性能曲线；了解泵的性能曲线及用途；掌握泵的基本实验方法及各参数的测试技术等。

节流调速回路性能实验。主要对利用节流阀或调速阀进行调速的回路进行研究；此外对液压缸也可进行性能检测实验。

溢流阀性能实验，其主要包括静态特性实验和动态特性实验，实验目的是理解溢流阀的静动态特性及其性能。

（二）回路类实验

压力控制类回路实验。由于回路类型较多，同时为了能够让学生尽量多地学习主要类型的压力控制回路原理，并掌握设计方法，此处主要对调压、增减压、保压、卸载和平衡回路等进行实验研究。

方向控制类回路实验。为了让学生能够熟悉方向控制回路的功能和应用，选取换向、锁紧、限程、连续往复运动和液压缸定位回路等为研究对象。

顺序动作类回路实验。作用是使执行元件按照设定的顺序完成预定动作，通常分为压力控制和行程控制两类。此处选取了压力、行程和时间控制的多缸顺序动作回路。

速度控制类回路实验，包括：节流调速、增速和减速、容积式调速回路等。

此外，系统具有二次开发功能，允许用户根据需要自主设计其它类型回路和伺服控制类回路实验。

三、虚拟实验系统设计

（一）硬件构成

进行虚拟仿真实验需要采集一些基本参数，如压力、流量、扭矩、位移和转速等，需要通过相应的传感器和数据采集装置实现。系统硬件组成如图1所示，主要包括：计算机、数据采集卡、各种传感器、信号调理模块等。

系统通过传感器采集物理信号，根据功能需要设置了压力、流量、转速和位移传感器。其中，压力传感器类型为KELLER 压阻式，直流24V 供电，输出范围：4～20mA，测量范围：0～10 MPa；流量传感器选用LWGY－10型涡轮流量传感器，直流24V 供电，输出范围：3～13 mA，测量范围：0.2～12m／h；转速传感器采用了实验室现有的JSC4－1000型转矩转速传感器配套转速测量仪使用；位移测量采用KYDM－L 型磁致伸缩线性位移传感器，有效量程：50～5 000mm，输出：4～20mA，精度性能较好，量程范围内非线性度：±0.05%。

图1 虚拟机实验平台硬件构成

数据采集卡功能是将传感器采集到的物理信号传送给计算机，综合考虑实验室现有设备和LabVIEW 软件版本，选用了PCI－6024E型数据采集卡，主要参数：12位分辨率，输入为16路单端或8路差分模拟量，输出为2路12位D／A 模拟量；采样频率200kS／s；测试量程：最大－10～10V，最小：－50～50mV。当需要传输的数据通道较多时，建议配套端子板使用。

数据采集卡能够采集的电信号具有一定范围，而传感器输出的电压信号往往因过小无法直接采集，从而需要进行信号调理。也即需进行信号放大、滤波、隔离等处理。本系统采用SC－2040信号调理卡。

（二）软件设计

软件基于Labview 编程环境开发，根据实验内容设计了泵性能类实验、节流调速回路、溢流阀动态特性和回路类等四个模块，每个模块均可单独运行。系统主界面如图2所示，各功能模块采用按钮设计，用户可直接点击相应按钮进入对应虚拟实验模块，如图3所示为泵性能实验主界面，包括六大功能区域：人员信息区、基本参数区、图形显示区、仪表显示区、功能按钮区和数据表区等。

图2 软件主界面

图3 泵性能实验主界面

人员信息区用以录入实验人员姓名、实验时间等相关信息；基本参数区显示物理通道信息、采样频率、样本数、采样模式等相关信息；流量—压力特性曲线和效率—压力特性曲线在图形区绘制和显示；仪表显示区则以更直观的方式，模拟仪表盘显示压力、流量、扭矩和转速数据，以便操作人员实时掌握数据变化情况；功能按钮区包括了主要操作按钮：理论学习、数据采集、保存数据和查看记录等。其中“理论学习”是进行实验前让操作者对将要进行的实验有大致的了解和认识。点击“数据采集”按钮后将动态采集被测液压泵的输出压力、流量、输入扭矩及转速，与此同时在图形显示区、仪表区和图形区以各种形式显示。利用采集到的数据计算得到容积效率和总效率等数据，同时在数据表区显示。采集多组数据后可拟合得到流量—压力特性曲线和效率—压力特性曲线。

对于符合要求的实验数据或记录，点击“保存数据”按钮可以保存，并可通过“查看记录”功能随时查询，点击“打印结果”即可把采集并处理过后的实验结果、特性曲线、实验日期等信息形成报表，并直接打印出来。

四、虚拟实验应用实例

利用建立的虚拟实验平台进行了虚拟实验验证。如图4所示为泵虚拟性能实验结果（被测泵为V4带控制型变量叶片泵）。

图4 液压泵性能实验结果

得到的性能曲线较好地反映了被测液压泵的液压性能，如泵压力逐渐增大时，泵流量呈逐渐下降趋势，容积效率与压力也呈负相关变化关系，但总效率逐渐上升，与实际通过系统测试计算获得的性能参数和曲线基本相符。

节流调速回路性能实验需要考虑不同节流调速方式，但其本质区别仅仅体现在阀连接方式方面，原理上基本相似。根据实验要求，采用节流阀阀口通流面积调节改变活塞运动速度。

如图5所示，为不同阀口通流面积时，节流调速回路速度—负载特性虚拟实验曲线，真实地反映了不同通流工况下的节流调速回路负载特性。如负载同为2.49kN 时，通流面积为中和小时的流体速度分别为0.014 2m／s和0.004 46m／s，负载分别为3.11kN 和3.12kN 时，通流面积为大和中时的速度分别为0.179 8m／s和0.109 4m／s，与实际是相符的。

图5 节流调速回路性能实验结果

如图6所示为溢流阀动态特性虚拟仿真实验结果。可以看出得到的特性曲线与理论特性曲线较为一致，同时也可直观计算出溢流阀的响应时间、过渡过程时间、调定压力和压力超调率等参数。如图7所示为溢流阀压力动态特性实验数据。

图6 溢流阀动态特性虚拟实验结果

图7 溢流阀动态特性实验数据

实验教学作为《液压传动》课程教学的重要组成部分，面对硬件设施有限，实验教学资源难以在短期内明显改善的现状，基于虚拟仪器技术开发虚拟实验教学平台是解决问题的可行手段。应用分析表明建立的虚拟实验平台可以满足实验教学的要求，并具有不占场地、效率高和具有可复用性等特点，将是未来工科实验教学改革的重要发展方向。

［1］许贤良，王传礼.液压传动［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］张毅，周邵磊.虚拟仪器技术分析与应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］宁涛.虚拟仪器及其在实践教学中的应用［J］.北京交通大学学报（社会科学版），2007，35（4）：17－19.

［4］韦源，查美生，程丽萍.基于虚拟仪器结构的热工水力学实验室测控平台［J］.计算机自动测量与控制，2000，8（5）：41－44.

［5］王隆基.基于虚拟仪器的阀门流量系数测试系统［D］.成都：西南交通大学，2005.

［6］姜万录.液压泵、马达试验台技术概况［J］.机床与液压，2005（8）：56－58.

［7］杨超.基于虚拟仪器的液压泵马达性能测试系统研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2006.

［8］詹少华.基于虚拟仪器的液压综合实验系统的研究［D］.淮南：安徽理工大学，2012.