基于LabVIEW的安全閥實驗臺測控系統設計

張嘉鷺， 邵明輝， 石高亮， 丁海港

(1. 江蘇師范大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221008； 2. 中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116)

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基于LabVIEW的安全閥實驗臺測控系統設計

張嘉鷺1， 邵明輝1， 石高亮2， 丁海港2

(1. 江蘇師范大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221008； 2. 中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116)

介紹了一種以蓄能器快速加載為特點的安全閥實驗臺，并基于LabVIEW軟件對該實驗臺的測控系統進行了分析與設計。同時，為了驗證所設計的測控系統的正確性，對某安全閥進行了沖擊特性實驗，根據測控系統生成的壓力及流量曲線，可看出實驗數據符合實際工況，測控系統合理可行，該系統在高校實驗教學及工業性試驗中具有推廣價值。

安全閥； 實驗臺； LabVEW； 測控系統

0 引 言

安全閥是大型設備液壓系統中的重要元件之一[1-3]。當系統內壓力超過安全閥的調定壓力時，安全閥開啟溢流，從而限制液壓系統的最高壓力。我國于2010年針對液壓支架用閥推行了新國家標準GB25974.3-2010，該標準對安全閥沖擊特性實驗裝置提出了更高要求[4]。而測控系統是實驗臺中重要組成部分，其性能的優劣直接關系到實驗數據的準確與否，因此，構建一個功能完善的測控系統在安全閥實驗臺的研制過程中顯得尤為重要。

1 實驗臺工作原理

在我校所設計安全閥實驗臺中，其重要功能是對安全閥的沖擊特性進行測試。為了模擬安全閥受沖擊載荷的工況，通過對比分析落錘沖擊、大流量泵供液、爆破沖擊加載等系統后，最終選擇利用蓄能系統提供瞬時的高壓大流量液體，提供近似階躍的壓力和流量，以實現安全閥的快速加載[5-7]。

系統的工作過程包括2個階段：充液蓄能階段和沖擊加載階段。實驗臺原理圖見圖1。

圖1 安全閥實驗臺原理圖

1-液壓泵, 2-單向閥, 3-蓄能器, 4-插裝閥, 5-先導閥, 6-增壓缸, 7-壓力傳感器, 8-安全閥, 9-位移傳感器

(1) 充液蓄能階段。插裝閥關閉，小流量泵向蓄能器充液蓄能，此時增壓缸左腔無液流，活塞處于最左端；

(2) 沖擊加載階段。當蓄能器達到設定的充液壓力，給一信號使先導閥得電打開，致使插裝閥上腔壓力減小，插裝閥迅速打開，蓄能器內液體隨即流入增壓缸左腔，活塞向右移動。因右腔的有效面積小于左腔，右腔形成高壓，當其壓力達到或超過被試安全閥的設定壓力時，安全閥便開啟溢流，蓄能器壓力逐漸降低，當右腔壓力低于安全閥設定壓力時，安全閥關閉，先導閥失電關閉，插裝閥關閉，蓄能器又開始充液蓄能，進入下一循環[8-10]。

2 系統總體設計及硬件選型

測控系統主要由工控機、壓力傳感器、位移傳感器、數據采集卡、PLC、接線端子板、顯示器等組成，可以對整個實驗裝置進行動作控制和數據采集處理，并通過LabVIEW軟件實現安全閥各項性能參數的實驗，測控系統原理框圖如圖2所示[11]。

圖2 安全閥實驗臺測控系統總體框圖

由于國家標準要求安全閥在25 ms內開啟并瞬間達到最大流量，實驗過程中對流量計的動態特性要求很高，普通的流量計根本無法滿足此要求，因此，本測控系統采用在增壓缸活塞桿處連接位移傳感器的方法來測量安全閥的流量。選用德國NOVOtechnik非接觸式磁致伸縮型位移傳感器，該傳感器可對直線位移量進行直接精確測量[12]。

根據被測數據的特點及輸出形式，采集卡應具有較高的數據采樣頻率和較好的動態特性，根據測控系統實際所需的通道數，并考慮現有的采集板卡，選擇NI公司M系列數據采集板卡PCI-6229。該采集卡經優化后，在高采樣率下也能保持高精度，能實現模擬量、數字量和計數器的輸入和輸出功能。可以提供32路16 b模擬量輸入，單通道采樣率達250 kS/s；4路16 b模擬量輸出，采樣率達833 kS/s；48路數字I/O；2個32 b定時計數器。

本測控系統選用HDP503通用型壓力變送器，其采用整體不銹鋼構件、高精度應變計及先進工藝，具有靈敏度高、性能穩定、抗沖擊能力強等優點。

3 系統軟件設計

虛擬儀器技術中，軟件的設計決定了實驗臺測控系統的功能。LabVIEW應用程序由前面板(Front Panel)及框圖程序(Diagram Programme)2部分組成。LabVIEW的前面板是人機交互界面，實驗人員可以選擇被試安全閥的實驗項目；LabVIEW的框圖程序提供VI的圖形化源程序，前面板上的輸入輸出功能都是通過框圖程序實現的。

安全閥實驗臺測控系統軟件要實現數據采集、數據儲存、數據回放、數據清空、報表打印及退出程序等功能[13]。其設計流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

安全閥實驗臺測控系統人機交互界面如圖4所示，界面上顯示蓄能器的充液壓力及實驗時間，供實驗人員參考，界面中被試閥類型、型號、實驗員等信息是提供給報表打印所需的。實驗結束后，報表包含實驗過程的流量和壓力曲線，顯示實驗開始時間、結束時間、實驗時間和蓄能器的充液壓力，方便以后查詢使用[14-16]。

圖4 測控系統人機交互界面

4 實驗驗證

本文以沖擊實驗為例，對測控系統進行驗證，具體設置如下：被試閥選定為FAD1000/40型安全閥，其公稱流量為1 kL/min，開啟壓力為40 MPa。實驗臺所需蓄能器體積V= 120 L，充液壓力P= 23.9 MPa，系統壓力上升梯度為120 MPa/s以上，以上各指標調定完畢后，開始進行沖擊實驗，實驗結果如圖5所示。

圖5 安全閥沖擊實驗曲線

沖擊前安全閥閥前壓力為22.1 MPa。從安全閥前壓力上升開始計時，經過12 ms達到壓力峰值53.9 MPa，此時的瞬時流量為1 205 L/min，隨著蓄能器內液體的排放，壓力呈振蕩衰減。系統流量經過40 ms升至流量峰值1 260 L/min，接著逐漸衰減，歷時110

ms左右后流量迅速衰減直至為零。由此可見，實驗曲線符合實際工況，測控系統合理可行。

5 結 語

本文介紹了一種以蓄能器快速加載為特點的安全閥實驗臺，并基于LabVIEW軟件對該實驗臺的測控系統進行了分析與設計。同時，為了驗證所設計的測控系統的正確性，對FAD1000/40型安全閥進行了沖擊特性實驗，根據測控系統生成的壓力及流量曲線，可以看出實驗數據符合實際工況，測控系統合理可行。由此，該測控系統在高校實驗教學及工業性試驗中具有一定推廣價值。

[1] 暢軍亮,趙繼云,李亞麗. 液壓支架高壓大流量安全閥動態特性研究[J]. 液壓與氣動,2014(4):63-65.

[2] 謝騰飛,趙繼云,王溫銳,等. 液壓支架大流量安全閥動態性能實驗方法研究[J]. 液壓與氣動,2012(12):17-19.

[3] 徐昆鵬,丁海港,李廣洲,等. 高壓大流量安全閥實驗裝置研究[J]. 煤礦機械,2013(2):165-166.

[4] 煤炭科學研究總院. GB25974.3-2010. 煤礦用液壓支架 第 3 部分:液壓控制系統及閥[S]. 北京:中國標準出版社,2011.

[5] Shin Y C. Staticand dynamic characteristics of a two stage pilot relief valve [J]. Measurement and Control, 1991, 113(2)：280-288．

[6] Richard C W, Jfung K C. Bath fp manual volume 3 the bath fp model writer’s guide [C]∥Fluid Power Center Univ of Bath. England, 1st Edition, 1991.

[7] Jrgh M B I, Milan M, Paoluzzi R. Transient flow force estimation on the pilot stage of a hydraulic valve[J]，Fluid Power Systems and Technology, 1998(5): 157-162.

[8] 龔 弦. 基于虛擬儀器的液壓動力系統功率監測及系統控制研究[D].西安：長安大學,2011.

[9] 代前國,周新志. 大位移磁致伸縮傳感器的彈性波建模與分析[J]. 傳感技術學報,2013(2):195-199.

[10] Hill,Jr. Equalizing valve seat for subsurface safety valve [P]. U.S：5，884，705,Mar.23.1999

[11] Daubechies I.Time-frequency localization and signal processing [J]. IEEE Trans.Inform. Theory, 1991(36):961-1005.

[12] Shi Yuanwei. Research on the interaction between roof strata and shield supports[C]∥16th Conference on Ground Control in Mining，2007.

[13] 潘旭東,王廣林,胡 洋,等. 高壓大流量電液換向閥動態特性測試系統[J]. 振動·測試與診斷,2011(4):522-526,539.

[14] 安春梅,廉自生. 液壓閥實驗臺計算機控制系統[J]. 機械工程與自動化,2011(3):131-132,135.

[15] 何海洋. 煤礦液壓支架用閥試驗臺測控系統的設計與實現[D]．武漢：華中科技大學，2006．

[16] 金光俊. 基于Labview的液壓綜合試驗臺的設計與研究[D] ．秦皇島：燕山大學，2009.

Design of Test System for Safety Valve Test Bench Based on LabVIEW

ZHANGJia-lu1，SHAOMing-hui1，SHIGao-liang2，DINGHai-gang2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University,Xuzhou 221008, China；2. College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper introduces a large flow safety valve test bench characterized by fast loading of accumulator, and analyzes and designs the test system based on LabVIEW software. At the same time, in order to verify the design of measurement and control system is correct, a safety valve were impulse characteristics test is carried out. According to the pressure and flow curves generated by the measurement and control system, and the test data obtained on line with the actual working conditions, the measurement and control system is accurate and feasible.

safety valves; test bench; LabVIEW; test system

2015-08-12

高等學校博士學科點專項科研基金項目(20130095110012)；江蘇師范大學科研基金項目(14XLB09)

張嘉鷺(1989-)，男，江蘇徐州人，助理實驗師，主要從事液壓傳動及控制等方面的教學及研究工作。

Tel.：15805228799; E-mail：cumtzhangjialu@163.com

TD 355

A

1006-7167(2016)03-0086-03