質(zhì)量式智能型噴油泵試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

戴俊，魏云平，張鳳梅

（唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山，063000）

0 前言

目前我國很多行業(yè)、部門所使用的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)量油裝置還普遍沿用傳統(tǒng)的量筒容積式測(cè)量方法，靠人工測(cè)量讀取數(shù)值，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量誤差大。近年來，也有一些生產(chǎn)廠家在國外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研制了微機(jī)量油、數(shù)屏顯示的新型噴油泵試驗(yàn)臺(tái)，但大多還是沿用容積式或重量式測(cè)量方式，無法避免燃油的容積、重量受溫度、重力等環(huán)境因素的影響，致使噴油量的測(cè)量在不同地點(diǎn)、不同溫度下存在測(cè)量誤差，從而影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和客觀性。另一方面，目前國內(nèi)噴油泵試驗(yàn)臺(tái)普遍采用獨(dú)立的計(jì)量系統(tǒng)，無法保證多工位測(cè)量時(shí)噴油泵計(jì)量的統(tǒng)一，不適于油泵生產(chǎn)廠家采用標(biāo)準(zhǔn)噴油器、泵的大批量、專業(yè)化生產(chǎn)。

本文通過對(duì)噴油泵試驗(yàn)臺(tái)量油、計(jì)量、供油、控制等系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)噴油泵高精度、連續(xù)性、自動(dòng)化、智能化檢測(cè)，提高生產(chǎn)效率；節(jié)約燃油用量，減少污染，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極的推進(jìn)作用。

1 關(guān)鍵技術(shù)及方案

1.1 質(zhì)量式智能型噴油泵試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)

噴油泵試驗(yàn)臺(tái)主要由供油系統(tǒng)、量油系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及輔助裝置等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2PSD110X 噴油泵試驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)所需要的動(dòng)力由變頻調(diào)速電機(jī)提供，當(dāng)供油系統(tǒng)中通過程控使油溫達(dá)到規(guī)定工作溫度40℃時(shí)，啟動(dòng)主機(jī)，燃油經(jīng)過噴油泵—高壓油管—噴油器—消泡器，進(jìn)入量油系統(tǒng)，由CPU的控制的下計(jì)量系統(tǒng)完成噴油量的自動(dòng)計(jì)量并判斷被試油泵是否合格。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)組成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 程控調(diào)節(jié)的供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包括燃油箱、油泵電機(jī)組、高壓油路、加熱器、冷卻器、溫度傳感器等。系統(tǒng)的燃油回路采用壓力調(diào)定回路，供油壓力通過定量泵、溢壓閥調(diào)定，并用蓄能器吸收噴油泵工作時(shí)產(chǎn)生的壓力脈沖，保證試驗(yàn)臺(tái)在恒定壓力下提供穩(wěn)定的輸油量?？勺詣?dòng)調(diào)節(jié)油溫，當(dāng)試驗(yàn)油溫與標(biāo)準(zhǔn)工作油溫相差±2℃時(shí)電子電氣控制系統(tǒng)能自動(dòng)加熱或自動(dòng)冷卻。

通過對(duì)噴油泵的供油壓力穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，燃油供應(yīng)系統(tǒng)一般情況下由輸油泵和溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)保障供油壓力恒定，在兩種情況下這一簡(jiǎn)單系統(tǒng)呈現(xiàn)出不足：不同的噴油泵型號(hào)要求不同的供油壓力，在這種情況下需要根據(jù)泵型人工重新設(shè)定壓力調(diào)節(jié)閥，經(jīng)常出現(xiàn)漏調(diào)或壓力調(diào)整不準(zhǔn)。同時(shí)由于實(shí)際工作中，同時(shí)工作的噴油泵數(shù)量是不確定的，這種情況造成了供油系統(tǒng)的負(fù)荷不確定，機(jī)械調(diào)壓閥的遲滯特性造成供油壓力不穩(wěn)定，較大的影響噴油泵的試驗(yàn)結(jié)果。

如圖2所示,供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用供油壓力閉環(huán)總線控制，在ITV3000系列總線控制比例調(diào)節(jié)閥的支持下，計(jì)算機(jī)可以通過CAN總線控制閥的出口壓力，另一方面，系統(tǒng)供油壓力通過壓力變送器反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，形成一個(gè)供油壓力閉環(huán)總線控制系統(tǒng)，方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力程控調(diào)節(jié),保證供油壓力的恒定。設(shè)備的使用者只需在計(jì)算機(jī)操作界面上選擇泵的型號(hào)，確認(rèn)后供油系統(tǒng)就可自動(dòng)輸出相應(yīng)的供油壓力。

圖2 供油系統(tǒng)控制示意圖

1.3.2 質(zhì)量式量油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于理論分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)噴油泵試驗(yàn)臺(tái)中的關(guān)鍵的部位量油裝置進(jìn)行了重新研究和設(shè)計(jì)，去除了傳統(tǒng)的玻璃量筒容積測(cè)量法，采用了質(zhì)量式量油裝置。采用了外置電容式電子天平來稱量燃油的質(zhì)量，油壓、油溫、和轉(zhuǎn)速信號(hào)由相應(yīng)傳感器采集，經(jīng)放大后輸入計(jì)算機(jī)打印輸出。質(zhì)量稱量中消除了重力、溫度、殘余油量等外界因素的的影響，大大提高了噴油量測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.3.3 分時(shí)共享的計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴油泵試驗(yàn)臺(tái)一般為多工位式，單體泵為1～4工位，組合泵為4～12工位。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中一套計(jì)量傳感系統(tǒng)控制一個(gè)工位，這樣雖然整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理上也簡(jiǎn)單，但是由于傳感器件自身計(jì)量誤差的影響，客觀就存在不同的工位間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有所不同，這實(shí)際還是沒有完全擺脫傳統(tǒng)玻璃量筒計(jì)量方法的影子。設(shè)兩個(gè)工位檢測(cè)中，傳感器的計(jì)量誤差為±e，則該系統(tǒng)的理論誤差為2e。

計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用分時(shí)共享系統(tǒng)如圖3所示，試驗(yàn)臺(tái)的所有工位由一套計(jì)量系統(tǒng)來控制，分時(shí)段由三通閥向電子計(jì)量系統(tǒng)供油，這樣每一時(shí)段計(jì)量系統(tǒng)的輸出增量Δm即為該工位的檢測(cè)結(jié)果。解決了傳統(tǒng)獨(dú)立計(jì)量系統(tǒng)中每個(gè)工位都獨(dú)享一套計(jì)量傳感系統(tǒng)所形成的不同的工位間具有不同的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的問題。

圖3 分時(shí)共享系統(tǒng)與獨(dú)立計(jì)量系統(tǒng)的比較

1.3.4 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化、檢測(cè)自動(dòng)化的目標(biāo)，運(yùn)用單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)技術(shù)搭建了以89C52單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)的構(gòu)架，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了“噴油泵試驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)”，對(duì)噴油量、主軸轉(zhuǎn)速、壓力、溫度進(jìn)行控制，均采用LCD數(shù)字屏顯示，噴油轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速預(yù)置由鍵盤設(shè)定，可根據(jù)噴油泵調(diào)試需要預(yù)置任一噴油次數(shù)，任一轉(zhuǎn)速，顯示直觀清晰，操作方便。

2 與當(dāng)前國內(nèi)同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的比較

2.1 與傳統(tǒng)量油裝置噴油量對(duì)比

系統(tǒng)測(cè)試了在不同轉(zhuǎn)速和不同噴油壓力下的噴油量，本項(xiàng)目研究成果質(zhì)量式量油系統(tǒng)與傳統(tǒng)的容積式量油系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。取標(biāo)定轉(zhuǎn)速為750 r/min，標(biāo)定噴油壓力為17.5MPa，噴油次數(shù)為200次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)定轉(zhuǎn)速下（750r/min）系統(tǒng)噴油量對(duì)比

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行誤差分析，比較兩種系統(tǒng)的極限誤差和相對(duì)誤差，計(jì)算分析結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)量誤差的分析比較

2.2 先進(jìn)性對(duì)比

質(zhì)量式智能型量油裝置在自動(dòng)化程度、互換性、測(cè)量時(shí)間和節(jié)能環(huán)保等方面具備突出優(yōu)勢(shì)，詳見表3。

表3 先進(jìn)性對(duì)比

3 總結(jié)

（1）在理論研究和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，突破了傳統(tǒng)的容積式測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了質(zhì)量式量油裝置，采用質(zhì)量稱量的方法，消除了重力、溫度的影響，提高了測(cè)量精度及穩(wěn)定性。

（2）計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了分時(shí)共享系統(tǒng)，各工位共享一套計(jì)量傳感系統(tǒng)，通過三通閥分時(shí)段向電子計(jì)量系統(tǒng)供油，保證了每一時(shí)段計(jì)量系統(tǒng)的輸出增量即為該工位的檢測(cè)結(jié)果，解決了不同工位間具有不同的計(jì)量裝置，存在不同的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的問題。

（3）設(shè)計(jì)了以89C52單片機(jī)為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)架，開發(fā)了“噴油泵試驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)”，搭建了量油測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、工況預(yù)置、動(dòng)態(tài)顯示的綜合性控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程的自動(dòng)化、智能化。