CN103758824A - 一种液压阀体内部空化分析系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种液压阀体内部空化分析系统及方法，适用于对液压系统中液压阀试验测试。它由光学子系统、声学子系统、液压子系统和实验平台四部分组成；通过加速度传感器和声学传感器采集空化发生期间空化噪声信号,并通过高速摄像机采集空化发生期间空泡群的图像序列，最后通过计算机分析和处理透明液压阀阀体内部泡群的运动及轨迹，分析空化噪声在时域和频域上与空化程度间的对应关系，并从测量信号中提取出表征空化的特征值。结构简单，使用方便，分析方法简单直观。

Description

一种液压阀体内部空化分析系统和方法

技术领域

本发明涉及一种液压阀体内部空化分析系统和方法，尤其适用于对液压系统中液压阀试验测试使用的液压阀体内部空化分析系统和方法。

背景技术

空化和空蚀现象对液压系统的危害极大，空化和空蚀的出现会使液压系统工作性能恶化，产生振动、噪音。空蚀的反复作用还常常使零部件的材料遭到破坏，使元件的使用寿命缩短或严重损坏。另外，空化的出现会造成液压油的污染并加剧液压油老化，造成流量和压力波动，降低液压机构刚度，导致液压随动系统失去稳定性，液压附件动作滞后，丧失抗自振的能力，从而破坏了从动附件运动的平稳性。因此，对液压系统的空化空蚀进行研究，了解液压元件内空化空蚀发生的部位及其影响因素，有利于对液压系统进行优化设计，延长液压元件的使用寿命，避免一些安全事故的发生，对提高液压系统的工作性能具有重要的意义。

随着摄影技术的发展，越来越多的学者应用摄影技术研究空泡特性。例如：中国发明专利（公开号CN102507137）应用高速摄影技术来观察近液面物体高速运动时周围所产生的空泡形态发展特点。北京理工大学王国玉采用高速摄影装置观察了不同条件下绕水翼的空化形态。1952年，Harrison首次采用声学测试法成功探测到空泡溃灭声脉冲的存在。2009年，国家水力发电设备工程技术研究中心赵越等人通过模型试验，验证了用声学法确定水泵工况下模型水泵水轮机转轮叶片初生空化方法的合理性和准确性（文章编号1000—3983(2011)01-00）。目前这些研究多是在工作状态下，采用高速摄像机直接拍摄空泡形态，或单独采用声学传感器测量空化噪声信号，未能同时获取空化流发展瞬间空泡噪声的变化情况。以往的空泡动力学特性研究多采用水作为研究对象，而对以油为工作介质的液压阀内的空化现象的深入研究还很少，空化机理尚未很清楚。此外，当前研究多采用单一的研究分析系统，不能较好地排除外部因素对实验结果的影响。

发明内容

技术问题：本发明的目是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，分析方法直观的液压阀体内部空化分析系统和方法。

技术方案：本发明的液压阀体内部空化分析系统，它由液压子系统、光学子系统、声学子系统和实验平台四部分组成；

所述液压子系统包括液压泵（1），与液压泵（1）顺序连接形成循环的超声波除气装置（3）、溢流阀（4）、压力表（5）、栅格组（6）、透明液压阀（7）、蛇形管式水冷器（17）；

所述的光学子系统包括设置在透明液压阀（7）两侧的照明器和高速摄像机（11），所述照明器和高速摄像机（11）通过滑块固定在滑轨上，所述照明器包括光源（8）和设置在光源（8）前方的扩束准直透镜组（9），所述高速摄像机（11）上安装有高倍远心镜头（10）；所述的光学子系统及透明液压阀安装在采用橡胶隔震垫和海绵减震垫双重隔振的实验工作台架上；

所述的声学子系统包括罩在液压泵（1）外面的隔声罩（2）和空化噪声测试器（14），且空化噪声测试器（14）与加速度传感器（12）和声学传感器（13）连接，两个传感器贴于透明液压阀（7）壁上；

所述实验平台为采用橡胶隔震垫和海绵减震垫双重隔振的实验工作台；

高速摄像机（11）和空化噪声测试器（14）与数字延迟脉冲发生器（15）相连接，数字延迟脉冲发生器（15）与计算机（16）相连接。

2． 一种使用权利要求1所述系统的液压阀体内部空化分析方法，其特征在于包括如下步骤：

a.开启光源（8），使光源（8）发出的光线通过扩束准直透镜组（9）成为光斑直径约50mm的平行光，照射于透明节流阀阀内流道,调整远心高倍镜头（10）的对焦旋钮使高速摄像机（11）可拍到清晰的液压阀（7）的阀内泡群图像；

b. 启动液压泵（1）使液压油循环流动；

c．数字延迟脉冲发生器（15）按照预设的时间周期向高速摄像机（11）发出触发信号，控制高速摄像机（11）拍摄并记录透明液压阀（7）内空泡群的运动情况，并将拍摄记录到的数据发送给计算机（16）；

d.在高速摄像机工作的同时通过数字延迟脉冲发生器（15）触发空化噪声测试器（14）工作，空化噪声测试器（14）通过设置在透明液压阀（7）上的加速度传感器（12）和声学传感器（13）采集透明液压阀（7）的振动和噪声数据，并将采集到的振动和噪声数据进行模数转换, 将模数转换后的振动和噪声数据发送给计算机（16）；

d. 计算机（16）将接收到的振动和噪声数据进行分析,得到空化噪声在时域和频域上与空化程度间的对应关系，并从测量信号中提取出表征空化的空化噪声特征值，计算机（16）将空化噪声特征值与高速摄像机（11）发送的拍摄记录想比较，从而得出透明液压阀（7）内空化行为的发展情况，完成一次实验数据的采集及分析；

f.更换透明液压阀（7）或调整液体流速重复步骤c。

有益效果：本发明通过管路连接有超声波除气装置、蛇形管式水冷器和栅格组保证了管路形成的液压回路物理属性稳定；光源和高速摄影仪通过滑块固定在滑轨上，既保证了光源和高速摄影仪都处于同一光轴中心又方便调节各元件之间的位置；液压回路的流量压力可以通过溢流阀控制，可以观测不同流量压力下的空化现象；通过速度传感器和声学传感器采集空化发生期间空化噪声信号, 并通过计算机分析和处理透明液压阀阀体内部泡群的运动及轨迹，分析空化噪声在时域和频域上与空化程度间的对应关系，并从测量信号中提取出表征空化的特征值，建立其与空化强度的对应关系，实现对空化现象的同步监控，声学监测结果与光学图像进行对比，互相验证空化行为发生的各个阶段，总结出空化各阶段的声谱特点，最终实现通过声谱分析对空化行为进行预警和空化阶段的判断。其结构简单，操作方便，直观，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的液压阀体内部空化分析系统结构框图。

图2 为本发明的液压阀体内部空化分析方法的步骤框图。

图中：1-液压泵；2-隔声罩；3-超声波除气装置；4-溢流阀；5-压力表；6-栅格组； 7-透明液压阀；8-光源；9-扩束准直透镜组； 10-高倍远心镜头；11-高速摄像机；12-加速度传感器； 13-声学传感器；14-空化噪声测试器；15-数字延迟脉冲发生器； 16-计算机；17-蛇形管式水冷器。

具体实施方式

下面结构附图对本发明的一个实施案例作进一步的描述：

本发明的液压阀体内部空化分析系统，由液压子系统、光学子系统、声学子系统和实验平台四部分组成；所述液压子系统包括液压泵1，与液压泵1顺序连接形成循环的超声波除气装置3、溢流阀4、压力表5、栅格组6、透明液压阀7、蛇形管式水冷器17；所述的光学子系统包括设置在透明液压阀7两侧的照明器和高速摄像机11，所述照明器和高速摄像机11通过滑块固定在滑轨上，所述照明器包括光源8和设置在光源8前方的扩束准直透镜组9，所述高速摄像机11上安装有高倍远心镜头10；所述的实验平台所述实验平台为采用橡胶隔震垫和海绵减震垫双重隔振的实验工作台，光学子系统及透明液压阀7安装在实验工作台架上；所述的声学子系统包括罩在液压泵1外面的隔声罩2和空化噪声测试器14，且空化噪声测试器14与加速度传感器12和声学传感器13连接，两个传感器贴于透明液压阀7壁上；高速摄像机11和空化噪声测试器14与数字延迟脉冲发生器15和计算机16相连接。

所述的波除气装置3型号为ZFDY-900T；扩束准直透镜组9所采用的焦距分别为25mm、160mm，直径分别为10mm、100mm的透镜组成；高速摄像机11的型号为Hispec，高速摄像机11的分辨率为1280×1024，图像采集最大帧频为1000帧/s，且图像采集的时间间隔在允许范围内任意可调；加速度传感器12型号为621B51，可测量噪声频率范围为0～20KHz；声学传感器 13型号为VS45-H,可测量噪声频率范围为20～450KHz；空化噪声测试器14型号为TST6200；数字延迟脉冲发生器15型号为DG535。

本发明的液压阀体内部空化分析方法，具体步骤如下：

a.开启光源8，使光源8发出的光线通过扩束准直透镜组9成为光斑直径约50mm的平行光，照射于透明节流阀阀内流道,调整远心高倍镜头10的对焦旋钮使高速摄像机11可拍到清晰的液压阀7的阀内泡群图像；

b. 启动液压泵1使液压油循环流动；

c．数字延迟脉冲发生器15按照预设的时间周期向高速摄像机11发出触发信号，控制高速摄像机11拍摄并记录透明液压阀7内空泡群的运动情况，并将拍摄记录到的数据发送给计算机16；

d.在高速摄像机工作的同时通过数字延迟脉冲发生器15触发空化噪声测试器14工作，空化噪声测试器14通过设置在透明液压阀7上的加速度传感器12和声学传感器13采集透明液压阀7的振动和噪声数据，并将采集到的振动和噪声数据进行模数转换, 将模数转换后的振动和噪声数据发送给计算机16；

计算机16将接收到的振动和噪声数据进行分析,得到空化噪声在时域和频域上与空化程度间的对应关系，并从测量信号中提取出表征空化的空化噪声特征值，同时计算机16完成对高速摄像机拍摄得到的图像序列的处理，得到空泡群的运动轨迹，最后将空化噪声特征值与高速摄像机11发送的拍摄记录想比较，从而得出透明液压阀7内空化行为的发展情况，完成一次实验数据的采集及分析；

f.更换透明液压阀7和/或调整液体流速重复步骤c~e。

使用时先启动DG535数字脉冲延时发生器，设置触发模式为单次触发，设置触发输出通道A、C的相对T0时刻延时都为0，手动按下触发按钮，DG535同时向高速摄像机和TST6200发出TTL触发电平，使二者同时工作；

启动计算机中ProAnalys2D专业版动态分析软件及附件连接高速摄像机，并使其处于触发等待状态，启动NoiseA 2.0 空化噪声测试器软件连接TST6200数据采集前端，设置采样率为1MHz、采样长度为8K；

使用ProAnalys2D专业版动态分析软件及附件及时读取高速摄像机记录的节流阀阀口处空泡群的图像序列，分析空泡的运动轨迹。

使用NoiseA 2.0 空化噪声测试器软件实时读取TST6200数据采集前端采集到的信号并分析空化噪声在时域和频域上与空化程度间的对应关系，并从测量信号中提取出表征空化的特征值，建立其与空化强度的对应关系。

Claims (2)

1.一种液压阀体内部空化分析系统，其特征在于：它由液压子系统、光学子系统、声学子系统和实验平台四部分组成；

所述液压子系统包括液压泵（1），与液压泵（1）顺序连接形成循环的超声波除气装置（3）、溢流阀（4）、压力表（5）、栅格组（6）、透明液压阀（7）、蛇形管式水冷器（17）；

所述的光学子系统包括设置在透明液压阀（7）两侧的照明器和高速摄像机（11），所述照明器和高速摄像机（11）通过滑块固定在滑轨上，所述照明器包括光源（8）和设置在光源（8）前方的扩束准直透镜组（9），所述高速摄像机（11）上安装有高倍远心镜头（10）；所述的光学子系统及透明液压阀安装在采用橡胶隔震垫和海绵减震垫双重隔振的实验工作台架上；

所述的声学子系统包括罩在液压泵（1）外面的隔声罩（2）和空化噪声测试器（14），且空化噪声测试器（14）与加速度传感器（12）和声学传感器（13）连接，两个传感器贴于透明液压阀（7）壁上；

所述实验平台为采用橡胶隔震垫和海绵减震垫双重隔振的实验工作台；

高速摄像机（11）和空化噪声测试器（14）与数字延迟脉冲发生器（15）相连接，数字延迟脉冲发生器（15）与计算机（16）相连接。

2.一种使用权利要求1所述系统的液压阀体内部空化分析方法，其特征在于包括如下步骤：

a.开启光源（8），使光源（8）发出的光线通过扩束准直透镜组（9）成为光斑直径约50mm的平行光，照射于透明节流阀阀内流道,调整远心高倍镜头（10）的对焦旋钮使高速摄像机（11）可拍到清晰的液压阀（7）的阀内泡群图像；

b. 启动液压泵（1）使液压油循环流动；

c．数字延迟脉冲发生器（15）按照预设的时间周期向高速摄像机（11）发出触发信号，控制高速摄像机（11）拍摄并记录透明液压阀（7）内空泡群的运动情况，并将拍摄记录到的数据发送给计算机（16）；

d.在高速摄像机工作的同时通过数字延迟脉冲发生器（15）触发空化噪声测试器（14）工作，空化噪声测试器（14）通过设置在透明液压阀（7）上的加速度传感器（12）和声学传感器（13）采集透明液压阀（7）的振动和噪声数据，并将采集到的振动和噪声数据进行模数转换, 将模数转换后的振动和噪声数据发送给计算机（16）；

e. 计算机（16）将接收到的振动和噪声数据进行分析,得到空化噪声在时域和频域上与空化程度间的对应关系，并从测量信号中提取出表征空化的空化噪声特征值，计算机（16）将空化噪声特征值与高速摄像机（11）发送的拍摄记录想比较，从而得出透明液压阀（7）内空化行为的发展情况，完成一次实验数据的采集及分析；

f.更换透明液压阀（7）或调整液体流速重复步骤c。

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