齒輪泵自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)研究

鄭躍鵬

(1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006)

0 前言

齒輪泵是液壓機(jī)床、工程機(jī)械等設(shè)備的核心動(dòng)力元件[1]，其工作性能的好壞直接影響液壓系統(tǒng)能否平穩(wěn)、正常、安全地運(yùn)行。因此，對(duì)齒輪泵進(jìn)行性能檢測(cè)，是評(píng)估其產(chǎn)品性能和質(zhì)量的重要手段。齒輪泵在產(chǎn)品壽命周期內(nèi)一般會(huì)經(jīng)歷研發(fā)制造、磨損試驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)、工作服役、磨損退役等階段。

目前，關(guān)于齒輪泵測(cè)試已經(jīng)做了很多研究，如聶躍躍等[2]基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了內(nèi)嚙合齒輪泵遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；王霞[3]用PID閉環(huán)控制理論設(shè)計(jì)液壓轉(zhuǎn)向齒輪泵綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了齒輪泵流量、壓力及油液污染的檢測(cè)；陳天夫[4]基于虛擬儀器技術(shù)，提出了一種壓力與流量的軟測(cè)量方法；喻峰等人[5]利用比例控制技術(shù)和信號(hào)自動(dòng)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了齒輪泵性能試驗(yàn)臺(tái)。

本文作者圍繞新開(kāi)發(fā)齒輪泵性能評(píng)估的檢測(cè)流程，搭建自動(dòng)化加載試驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)。以遼寧省某家企業(yè)生產(chǎn)的齒輪泵為研究對(duì)象，以JB/T 7041.2—2020《液壓泵 第2部分：齒輪泵》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)[6]，結(jié)合企業(yè)出廠性能檢測(cè)的工藝流程，開(kāi)發(fā)外嚙合齒輪泵的自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)。該自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)利用西門(mén)子公司生產(chǎn)的PLC200Smart進(jìn)行信號(hào)采集、傳輸和控制，利用組態(tài)王虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的操作控制及數(shù)據(jù)顯示[7]，充分發(fā)揮組態(tài)王內(nèi)置采集數(shù)據(jù)模塊、適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)齒輪進(jìn)行加載性能試驗(yàn)。

1 自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

文中以JB/T 7041.2—2020《液壓泵 第2部分：齒輪泵》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，兼顧企業(yè)出廠性能檢測(cè)工藝流程，開(kāi)發(fā)了外嚙合齒輪泵的自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)。該自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)具有齒輪泵工況模擬及性能檢測(cè)功能，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)方案

該自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)由液壓系統(tǒng)、操作試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)試系統(tǒng)和電控系統(tǒng)四部分組成。液壓系統(tǒng)是齒輪泵性能測(cè)試的基礎(chǔ)，主要由變頻電機(jī)、單向閥、溢流閥、節(jié)流閥等液壓元件組成。操作試驗(yàn)臺(tái)具有固定齒輪泵、臨時(shí)儲(chǔ)存液壓油等功能。測(cè)控系統(tǒng)主要包括上位機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊及各種傳感器等，完成齒輪泵性能測(cè)試時(shí)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、輸入扭矩、溫度等傳感器信號(hào)的采集、處理、保存等功能。電控系統(tǒng)主要完成變頻電機(jī)的啟停、電磁換向閥、氣動(dòng)蝶閥等液壓閥的控制。性能測(cè)試設(shè)備如圖2所示。

2 液壓系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)主要包括齒輪泵加載測(cè)控系統(tǒng)(圖3中右側(cè)為雙份回路，企業(yè)備用一份液壓回路)、油箱加熱系統(tǒng)和試驗(yàn)臺(tái)倒油泵系統(tǒng)。其工作原理和特點(diǎn)如下：

圖3 加載試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)

(1)液壓系統(tǒng)以132 kW的變頻電機(jī)為動(dòng)力源帶動(dòng)外嚙合齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，為了便于測(cè)試啟動(dòng)，防止齒輪泵吸空，液壓油箱設(shè)置為0.2 MPa的備壓。

(2)齒輪泵進(jìn)行加載性能試驗(yàn)時(shí)，液壓油在壓差的作用下，從油箱經(jīng)過(guò)吸油過(guò)濾器后由齒輪泵進(jìn)油口進(jìn)入泵體，從齒輪泵出油口流出后，經(jīng)過(guò)單向閥，通過(guò)溢流閥控制加載壓力、節(jié)流閥控制壓力的加載速度、三位四通電磁閥切換回路，經(jīng)過(guò)回油過(guò)濾器流入油箱。

(3)由于試驗(yàn)臺(tái)頻繁切換齒輪泵，會(huì)導(dǎo)致大量的液壓油灑落在試驗(yàn)平臺(tái)上，當(dāng)液壓油存儲(chǔ)到一定量時(shí)，開(kāi)啟倒油泵電機(jī)，存儲(chǔ)到臨時(shí)油箱中的液壓油通過(guò)吸油過(guò)濾器、單向閥、回油過(guò)濾器返回油箱。

3 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)是自動(dòng)化測(cè)控平臺(tái)的核心部分，主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，具有各種工藝的儲(chǔ)存、調(diào)用功能，是加載試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無(wú)人化的關(guān)鍵。

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件

測(cè)控系統(tǒng)硬件由測(cè)試系統(tǒng)的各種傳感器、交換機(jī)、PLC控制模塊、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、工業(yè)控制機(jī)等元器件組成。

外嚙合齒輪泵性能測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)齒輪泵試驗(yàn)的需要及圖1可知，試驗(yàn)需要的傳感器類型有壓力傳感器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器以及扭矩傳感器(其內(nèi)存編程地址如表1所示)。由于現(xiàn)場(chǎng)原有的電機(jī)自帶轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器，因此無(wú)需外購(gòu)安裝。同時(shí)為了保證試驗(yàn)的精度，防止工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、電磁的干擾，模擬信號(hào)統(tǒng)一采用4～20 mA的電信號(hào)。流量和溫度傳感器直接采購(gòu)4～20 mA輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，壓力傳感器的信號(hào)通過(guò)壓力變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)[8]。然后將傳感器、電磁閥、受控設(shè)備的控制信號(hào)、模擬信號(hào)接入PLC的輸入和輸出模塊上，再由以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)交換機(jī)與工業(yè)控制機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制。同時(shí)考慮到齒輪泵在加載試驗(yàn)時(shí)，齒輪泵受到的軸向和徑向壓力的不平衡急劇上升，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)與噪聲，為了防止齒輪泵試驗(yàn)時(shí)噪聲和振動(dòng)對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，PLC與傳感器之間的通信線都采用屏蔽線，其示意如圖4所示。

表1 傳感器的種類及地址分配

圖4 PLC200Smart和屏蔽線示意

3.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件

測(cè)控系統(tǒng)軟件由PLC可編程控制程序和組態(tài)王工業(yè)控制程序兩部分構(gòu)成。

3.2.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC可編程控制程序是電控系統(tǒng)控制核心部分，依靠西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的STEP 7軟件完成各種工況下的電機(jī)、電液閥控制以及流量和溫度的測(cè)量。以齒輪泵沖擊加載為例，點(diǎn)擊試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)可以根據(jù)模擬信號(hào)對(duì)加載條件實(shí)現(xiàn)精確控制，同時(shí)可以根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志量實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的臨時(shí)記錄或者存儲(chǔ)。以空載情況下的狀態(tài)2程序段為例(如圖5所示)，當(dāng)狀態(tài)標(biāo)志等于2時(shí)進(jìn)入延時(shí)程序，將上位機(jī)中設(shè)置好的延時(shí)時(shí)間1賦值給保壓時(shí)間，利用保壓程序進(jìn)行延時(shí)保壓。當(dāng)保壓時(shí)間結(jié)束后，進(jìn)入轉(zhuǎn)速比較子程序，在轉(zhuǎn)速達(dá)到要求之后再次進(jìn)入延時(shí)程序(保壓程序)。當(dāng)上位機(jī)將存儲(chǔ)標(biāo)志VB53置1時(shí)，將流量傳感器VD382中此時(shí)刷新的測(cè)量值賦給VD582。當(dāng)上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完畢后，由上位機(jī)將存儲(chǔ)標(biāo)志VB53置0，此時(shí)保壓程序結(jié)束，狀態(tài)標(biāo)志被賦值為3，進(jìn)入下一個(gè)程序段。

圖5 自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的部分PLC控制程序段

3.2.2 PC端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組態(tài)王通過(guò)其內(nèi)置開(kāi)發(fā)的PLC、板卡等數(shù)千種品牌產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高效、快速地交換。組態(tài)王驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 組態(tài)王驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在設(shè)置數(shù)據(jù)采集信號(hào)時(shí)，以壓力設(shè)置為例，將壓力數(shù)據(jù)選擇為I/O實(shí)數(shù)，寄存地址為VD386，數(shù)據(jù)類型為bit，采集頻率為200 ms/次(如圖7所示)，在STEP 7與組態(tài)王上位機(jī)中對(duì)相同的數(shù)據(jù)分配固定的內(nèi)存地址，保證了組態(tài)王與PLC之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木扰c速度。

圖7 變量建立示意

為了簡(jiǎn)化操作難度，提高操作效率，在組態(tài)王工業(yè)控制程序設(shè)置加載試驗(yàn)工藝的儲(chǔ)存(參數(shù)設(shè)置如圖8所示)、測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警(參數(shù)設(shè)置如圖9所示)等功能。

圖8 加載試驗(yàn)工藝的儲(chǔ)存

圖9 故障報(bào)警參數(shù)設(shè)置

4 加載性能試驗(yàn)

以JB/T 7041.2—2020《液壓泵 第2部分：齒輪泵》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，兼顧企業(yè)出廠性能檢測(cè)工藝流程。齒輪泵的出廠性能測(cè)試主要包括沖擊加載試驗(yàn)、連續(xù)負(fù)載試驗(yàn)、定速分級(jí)試驗(yàn)等部分。

4.1 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)以CBFZ-F32ALHX的齒輪泵為研究對(duì)象，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先通過(guò)調(diào)用加熱程序提高液壓油的溫度(圖10)，同時(shí)啟動(dòng)測(cè)控程序，增加齒輪泵與液壓油之間的摩擦消耗，快速提高液壓油的溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，加熱程序自動(dòng)結(jié)束。

圖10 加熱界面控制界面

4.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，選取一種測(cè)試試驗(yàn)，點(diǎn)擊參數(shù)讀取按鈕，輸入需要進(jìn)行試驗(yàn)的齒輪泵型號(hào)，調(diào)出齒輪加載試驗(yàn)的初始?jí)毫?、額定壓力、加載速度等試驗(yàn)參數(shù)(如圖8所示，參數(shù)也可以手動(dòng)輸入)。然后點(diǎn)擊試驗(yàn)準(zhǔn)備按鈕，開(kāi)啟油路，選擇變頻電機(jī)正反轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊確定按鈕，電機(jī)啟動(dòng)。電機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差小于1%時(shí)，齒輪泵進(jìn)入空載狀態(tài)下，空載時(shí)間為5 s?？蛰d時(shí)間結(jié)束時(shí)，上位機(jī)發(fā)出存儲(chǔ)信號(hào)，流量傳感器將刷新的流量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)中特定的內(nèi)存變量，當(dāng)內(nèi)存變量臨時(shí)存儲(chǔ)完成后，上位機(jī)清除存儲(chǔ)信號(hào)。溢流閥按照設(shè)置好的1 MPa/s的加載速度逐步將壓力提高至初始?jí)毫χ?，保?0 s。溢流閥按照加載的壓力和沖擊次數(shù)達(dá)到額定壓力值，再次保壓10 s后進(jìn)入超載壓力條件，在超載壓力情況下保持5 s，卸載到20 MPa，保壓10 s。上位機(jī)發(fā)出存儲(chǔ)信號(hào)，流量傳感器將刷新的流量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)中特定的內(nèi)存變量，當(dāng)內(nèi)存變量臨時(shí)存儲(chǔ)完成后，上位機(jī)清除存儲(chǔ)信號(hào)。齒輪泵進(jìn)入卸載程序。當(dāng)齒輪輸出端流量壓力小于0.2 MPa，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.3 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，點(diǎn)擊確定按鈕，數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)至數(shù)表內(nèi)，繪制沖擊壓力波曲線、試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、空載流量、負(fù)載扭矩等數(shù)據(jù)如圖11所示。其測(cè)試結(jié)果為：排量32.22 mL/r，空載流量48.32 L/min，負(fù)載流量45.52 L/min，容積效率94.20%，總效率92.42%。其測(cè)定排量與齒輪泵設(shè)計(jì)時(shí)排量32 mL/r的信息基本一致，一定程度上驗(yàn)證了齒輪泵加載試驗(yàn)臺(tái)的精確性。

圖11 性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

文中將PLC、組態(tài)王虛擬技術(shù)與液壓技術(shù)、傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)融為一體，開(kāi)發(fā)了齒輪泵加載試驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)X輪泵展開(kāi)各種工況下的模擬試驗(yàn)。采用齒輪泵進(jìn)行自動(dòng)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明：該測(cè)控平臺(tái)能夠精確、穩(wěn)定地工作，開(kāi)發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)、查詢、打印監(jiān)測(cè)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備出廠檢驗(yàn)的自動(dòng)化評(píng)測(cè)。