徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭山國，張華瑾，武秋俊，張長軍，馬俊，張林，方加根

(1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北邢臺(tái) 054000；2.浙江思納克熱流道科技有限公司，浙江紹興 312300)

0 前言

液壓泵是整個(gè)液壓系統(tǒng)的核心元件之一，其性能對(duì)液壓系統(tǒng)的性能有重要影響，因此研制新型液壓泵并對(duì)它進(jìn)行精確的性能測(cè)試至關(guān)重要。某公司仍采用在傳統(tǒng)液壓泵試驗(yàn)臺(tái)上用儀表加人工手動(dòng)操作的測(cè)試方法對(duì)液壓泵進(jìn)行性能測(cè)試，人為因素影響較大，測(cè)試效率和測(cè)試精度都較低。該公司研發(fā)了新型徑向柱塞變量液壓泵，對(duì)該新型液壓泵性能測(cè)試方法進(jìn)行深入研究，提出一種先進(jìn)可靠的性能測(cè)試方法，對(duì)提高該新型徑向柱塞變量泵性能非常必要。本文作者基于機(jī)、電、液、儀一體化計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的思想，開發(fā)徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)。采用以工控機(jī)為基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)，多通道PCI總線數(shù)據(jù)采集與控制卡為數(shù)據(jù)采集與控制的硬件系統(tǒng)構(gòu)架，并增加了壓力等傳感器及其二次儀表。利用Visual Basic可視化編程工具，結(jié)合動(dòng)態(tài)鏈接庫有關(guān)技術(shù)，編制相配套的應(yīng)用軟件。開發(fā)的液壓泵CAT試驗(yàn)臺(tái)用于該公司新型徑向柱塞變量泵型式試驗(yàn)，也可用于已定型的液壓泵產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)。

1 液壓泵CAT試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)回路的功能在一定程度上取決于各液壓元件的組合連接方式，所以液壓泵CAT試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)回路是一個(gè)需要精心考慮和認(rèn)真設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)液壓泵型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并參照新編《液壓工程手冊(cè)》等資料所提供的試驗(yàn)回路以及所研制液壓泵的結(jié)構(gòu)和變量型式來確定液壓系統(tǒng)的回路，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)如圖1所示。液壓系統(tǒng)整體采用插裝閥，元件13、15是由2個(gè)插裝元件組成的三通換向插裝閥；元件14、16是由1個(gè)插裝元件組成的用作壓力控制的電液比例節(jié)流閥；元件17是由1個(gè)插裝元件組成的用作流量控制的節(jié)流閥；元件8是由1個(gè)插裝元件和先導(dǎo)型比例電磁溢流閥構(gòu)成的插裝電液比例溢流閥。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

由工控機(jī)自動(dòng)控制變頻器，變頻器調(diào)節(jié)變頻電動(dòng)機(jī)7，以得到變頻電動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速；通過工控機(jī)控制調(diào)節(jié)插裝電液比例溢流閥8的閥口開度，從而實(shí)現(xiàn)液壓泵不同的最大壓力。除此以外，還有兩條液壓測(cè)試回路：一條是中間的13、14、18、19液壓回路，另一條是上邊的12、15、16、17液壓回路。前者用來進(jìn)行液壓泵的靜態(tài)試驗(yàn)——除沖擊試驗(yàn)以外所有試驗(yàn)性能的測(cè)試，后者用來進(jìn)行液壓泵的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)——沖擊試驗(yàn)性能的測(cè)試。由計(jì)算機(jī)控制電液比例節(jié)流閥14和16閥口的開度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載且得到液壓泵靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)的不同工作壓力。

系統(tǒng)回路中安裝有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等傳感器，用于測(cè)控系統(tǒng)采集相應(yīng)的信號(hào)。進(jìn)口壓力和出口壓力分別由壓力傳感器2、11采集，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器6采集，系統(tǒng)的油溫由冷卻器22和加熱器控制，被試泵的進(jìn)口油溫和出口油溫分別由溫度傳感器1、10采集，被試泵的泄漏流量由流量傳感器3采集，流量由橢圓齒輪流量計(jì)18采集。所有測(cè)試試驗(yàn)完成之后，即可利用徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的分析處理軟件分析相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示并打印測(cè)試分析結(jié)果。

2 液壓泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，其中硬件系統(tǒng)主要是由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集與控制卡、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及相應(yīng)的二次儀表等組成。徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，數(shù)據(jù)采集與處理部分結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)液壓泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)裝置主要包括兩大部分：一部分是液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的自動(dòng)采集裝置，該部分是在原人工試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上增加了1個(gè)流量傳感器、2個(gè)溫度傳感器和2個(gè)壓力傳感器及其相應(yīng)的二次儀表數(shù)顯裝置，并繼續(xù)使用原試驗(yàn)臺(tái)的1個(gè)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及其二次儀表轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀和1個(gè)流量計(jì)及其二次儀表，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的自動(dòng)采集；另外一部分是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)裝置，該部分主要包括工控機(jī)和多功能數(shù)據(jù)采集與控制卡等，實(shí)現(xiàn)的功能主要有兩個(gè)：一是將壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀等的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和波形整形，之后輸出給多功能數(shù)據(jù)采集卡，用于測(cè)量其相應(yīng)的參數(shù)；二是變頻器和比例放大器分別接收計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載等控制信號(hào)，控制變頻電動(dòng)機(jī)和比例閥進(jìn)行液壓泵的自動(dòng)調(diào)速和加載。

硬件系統(tǒng)的核心部分是工控主機(jī)和多功能數(shù)據(jù)采集與控制卡，數(shù)據(jù)的采集、保存、分析和處理等核心功能都在這2個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。該測(cè)試系統(tǒng)選用某公司研制生產(chǎn)的PCI-1710等4塊PCI總線數(shù)據(jù)采集與控制卡。PCI-1710是一款基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡外觀如圖4所示，其先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得該款數(shù)據(jù)采集卡具有更多的功能和更高的質(zhì)量。

圖4 PCI-1710多功能數(shù)據(jù)采集卡外形

徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)所要測(cè)試的變量一般是如壓力、流量、溫度等非電物理量，這就需要用傳感器將這些非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后再通過數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)接口送到計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳感器影響測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度，應(yīng)根據(jù)需要測(cè)試的物理量選擇對(duì)應(yīng)的傳感器。該徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)所選用的傳感器如表1所示。

表1 主要傳感器型號(hào)

3 液壓泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)從某種意義上來講決定著測(cè)試系統(tǒng)的功能和操作的便利性。該徑向柱塞變量泵CAT試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)采用使用廣泛、功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單方便的可視化編程工具VB進(jìn)行軟件的開發(fā)。現(xiàn)在，很多數(shù)據(jù)采集卡廠為了用戶的便利，會(huì)及時(shí)開發(fā)出采集卡在VB編程語言下的免費(fèi)驅(qū)動(dòng)程序。這樣把復(fù)雜的硬件編程細(xì)節(jié)都隱藏起來，為用戶提供一個(gè)便于應(yīng)用和理解的接口，使得數(shù)據(jù)采集與控制卡使用更為簡(jiǎn)單和方便，也使得數(shù)據(jù)采集和控制工作更加容易。

系統(tǒng)軟件是試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的重要組成部分。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和層次化菜單設(shè)計(jì)，結(jié)合可視化界面技術(shù)，主要模塊包括系統(tǒng)管理、技術(shù)參數(shù)、試驗(yàn)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)管理及幫助等。該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的主界面如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)主界面

試驗(yàn)項(xiàng)目模塊是系統(tǒng)測(cè)試軟件的核心，其主要功能是選擇對(duì)應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目，完成試驗(yàn)項(xiàng)目工況的建立，以進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和分析處理等相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和該公司標(biāo)準(zhǔn)以及該新型徑向柱塞變量泵的特點(diǎn)，該新型徑向柱塞變量泵性能的測(cè)試項(xiàng)目主要有9個(gè)，具體試驗(yàn)項(xiàng)目見圖5，單擊需要測(cè)試的試驗(yàn)項(xiàng)目后彈出對(duì)應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目子界面。由于最大排量驗(yàn)證試驗(yàn)、自吸試驗(yàn)等程序結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，文中只給出試驗(yàn)過程相對(duì)比較復(fù)雜的效率試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的程序結(jié)構(gòu)，分別如圖6、圖7所示。以效率試驗(yàn)為例，給出其測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可知：該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，滿足測(cè)試要求。

圖6 效率試驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)框圖

圖7 沖擊試驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)框圖

圖8 效率試驗(yàn)項(xiàng)目界面

4 結(jié)束語

為對(duì)某新型液壓泵進(jìn)行準(zhǔn)確的性能測(cè)試，提高測(cè)試效率和自動(dòng)化水平，本文作者設(shè)計(jì)了液壓泵CAT型式試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，開發(fā)了液壓泵CAT測(cè)試系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際使用，該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試功能和精度等都達(dá)到了預(yù)期效果，說明該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法是合理的、可行的。該系統(tǒng)具有一定的通用性，也可以對(duì)已定型的徑向柱塞液壓泵產(chǎn)品進(jìn)行出廠試驗(yàn)。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，提供了菜單幫助，且操作便利，為該公司贏得了更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。