（电力电子与电力传动专业论文）基于visual+c的液压齿轮泵性能参数测试系统.pdfVIP

堑：j ：! 壁堡查叁堂堡堂笙笙苎 一! i _ a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sf i n i s h e dt h ed e s i g no ft h es y s t e mo fc o m p u t e ra i d e dt e s t f o rh y d r a u l i cg e a rw h e e lp u m p a n dt h ed e s i g ni sb a s e do nv i s u a lc + + b a s i n 2t h en a t i o n a ls t a n d a r dr e l a t e dt ot h et e s ta n dt h ec o n d i t i o ne x i s t i n gi n l a b a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i cp u m pa n dt h ed e s i g nc r i t e r i o no f h y d r a u l i cs y s t e m a n dt e s ts y s t e m ，u s i n gp r e c i s et h e o r ya n a l y z i n ga n d i n t e g r a t i n ge x a c t l ye x p e r i m e n t ，t h es y s t e mi sd e s i g n e d t h i ss y s t e mi sm a i n l y m a d eu po fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t w om a j o rp a r t s i tn o to n l yc a ng a t h e ra n d d e a lw h i t ht h et e s td a t ab u ta l s oc a nc o n t r o lt h eo u t p u tp r e s s u r ea n dt h e r o t a t i o n a l s p e e d o ft h eh y d r a u l i cp u m p t h eh a r d w a r ei n c l u d ep u l l i n g ， o b s e r v i n ga n dc o n t r o l l i n g ，h y d r a u l i cp r e s s u r et h r e em a i np a r t s ，a n dt h e c o r eo f i ti si n d u s t r yc o m p u t e r t h es o f tw a r eo ft h i ss y s t e mi s c o n s t r u c t e db y u t i l i z i n gv i s u a lc + + i nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m t h es o f tw a r ec a n o b s e r v e a n dc o n t r o lt h ew h o l es y s t e mt h r o u g ht h eh a r d w a r e a n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t ， f o r m i n gt h ef o r ma n dd r a w i n gt h ec u r v ei s a l s oc a nb ed o n eb yt h es o f t w a r e f i n a l l y ，f o rt h es a k eo fs y s t e m a t i cs t a b i l i t yt h et h e s i sd i s c u s s e dh o w t or e s i s t t h ei n t e r f e r e n c eb yh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e y w o r d s ：g e a rw h e e lp u m p ：t e s t ：v i s u a lc + + ：l e s t s q u a r em e t h o d ： a n t i - i n t e r f e r e 辽j 。j 样技术人学硕十学位论文 l 绪论 本章介绍了c a t 技术的基本概念以及液压c a t 技术的国内外 研究现状与发展前景，并且对所研究的液压齿轮泵课题的来源，研 究的目的与所要研究的内容和方法都做了分析。 1 1液压c a t 系统的研究现状 随着计算机科学的发展，数字仿真技术、试验设计、参数检验、 故障诊断、专家系统、数据库技术等成功应用的实例，特别是 c a d c a m 的普及，启迪并激发人们依靠系统工程的理论，将这些 先进的技术集成于一个系统，并直接为试验技术服务，从而引出了 计算机辅助测试f c a t ) 这一新概念。 液压泵计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) ，简称液压泵c a t ， 所涉及范围包括液压、自动控制、微型计算机、测试技术、数字信 号处理、可靠性等学科。液压泵c a t 是利用计算机建立一套数据 采集和数字控制系统，与试验台连接起来由计算机对各试验参数， 如压力、流量、温度、转速、转矩等进行数据采集、量化和处理并 输出测试结果。在试验过程中，计算机还可根据数字反馈或人工输 入要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制试验台 及试验状态的目的，从而高速、高精度完成对液压泵的性能测试。 液压泵c a t 系统在提高测试精度、测试速度、测试的重复性和可 靠性方面，以及在节省人力和能源方面提供了必要的保证，因此受 到了普遍的重视。 在国外，由于微机和电子技术发展较早、较快、水平较高，其 c a t 系统性能也较高。八十年代中期美国著名的工程索引e i 公布了“c o m p u t e ra i d e dt e s t i n g ”的主题词，并多次刊出文献 索引介绍c a t 技术的发展与应用。有许多液压件制造公司己把c a t 用于产品的研制开发、设计定型、生产定型和出厂的检验。如m o o g 公司发布了伺服阀计算机控制测试( c o m p u t e rc o n t r o l l e dt e s t i n g ) 的成 果，该系统能够在微机的控制下自动完成控制流量试验、压力增益 试验、负载流量试验和频率响应试验，还能够保存试验数据、打印 试验曲线和数据；另外还有s u n d s t r o n 公司的液压传动实验室的 c a t 系统；同本制钢所的柱塞泵效率试验台等。目前多数液压元件 生产厂家都有自己的液压元件c a t 系统。 我国液压测试技术经过3 0 多年的发展已有很大进展，首先表 辽j 。l 稃技术人学硕十学位论文 2 现在c a t 技术的引入。从1 9 8 0 年开始，一些单位就将单板机或p c 机应用于液压测试中。液压c a t 的应用模式，经历了下面四个阶 段： a 常规二次仪表+ 单板机+ 汇编语言； b 常规二次仪表+ 专用接口+ 计算机+ 高级( 或汇编语言) + 输 出设备； c 通用接口+ 微型机系统； d 兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。 从测试系统的功能看，已经开发的液压c a t 系统有两种模式： 一是计算机对测试装置进行控制并完成测试过程数据采集、处理一 体化的系统，如北京机械工业自动化研究所的液压阀、液压泵、液 压缸、液压马达试验台计算机辅助测试系统、上海交大和昆山液压 件厂为武钢研制的新国际b 级精度液压阀试验台的计算机辅助测 试系统、华中理工大学液压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试 验台c a t 系统及电液伺服阀c a t 系统等【1 】；二是计算机不对测试 装置进行控制，只进行数据采集、信号处理和试验结果输出的系统， 如北京理工大学的液压泵、液压马达、液压泵一液压马达传动系统 工作特性的计算机辅助试验系统，广州机床研究所液压泵性能和噪 声计算机实时监测系统等。国内现有液压泵c a t 系统因研制年代 较早，软硬件的性能均不高。具有较高可靠性，能由计算机根据测 试项目要求自动控制压力、流量、温度、电流、频率、转速等参量， 并能自动校零的全自动液压c a t 系统未见有报道。液压测试技术 发展的另一标志是液压测试系统按国家所规定的精度等级标准制 造。b 级精度液压c a t 系统，是目前我国液压测试设备的最高技术 水平，但只有少数液压c a t 系统在部分液压元件、部分项目上达 到了b 级精度等级。真正符合国家b 级精度要求，经实践证明是 适用于工矿企业使用，能够全面试验泵、阀、缸及伺服阀等元件的 液压c a t 系统极为少见。事实上，为工矿企业研制高精度液压c a t 系统尚需解决许多技术问题。 1 - 2 液压c a t 系统的发展趋势 由于计算机软、硬件技术、通信技术、网络技术的发展，技术 深层次结合，推动了计算机辅助测试技术的不断进步，测试技术得 以和计算机结合。液压泵c a t 系统也必将越来越高速、高效、智 辽j l 徉技术人学硕十学位论文 能化、网络化、多功能化和多样化的方向发展。 在硬件上，对于主机，传统的液压泵c a t 系统采用单片机， 而现在研制的液压泵c a t 系统多采用p c 机，或用p c 机进行数据 处理，用单片机来控制执行器，p c 机的c p u 速度不断提高，采用 的先进技术极大的提高了测试系统的数值处理能力，现在的 p e n t i u m i v 的时钟频率己达到2 g h z 以上，较早期8 0 2 8 6 c p u 速度提 高了百倍以上。对于输入输出接口，以前的采集卡8 1 2 b i t 精度， 4 16 个通道，采样速率几k h z 少数采集卡有16 b i t 精度，3 2 个通 道，几百k h z 。现在的数据采集卡的采样速率己达到1g b s 以上， 精度高达2 4 位，通道数6 4 个以上，有些有12 8 个通道，并能任意 结合数字、模拟输出和计数器定时器通道。对于总线技术，过去 多采用i s a 总线，它是一种8 b i t 或16 b i t 非同步数据总线，工作频 率8 m h z ，数据传输率在8 b i t 时为1m b s ，在16 b i t 时为2 m b s ， 性能较低，而现在采用的p c i 总线，是一种同步的独立于c p u 的 3 2 b i t ，6 4 b i t 局部总线，最高工作频率为33 m h z ，数据传输率为 312 m b s 其性能大大提高【2 i 。 在软件上，对于系统软件，过去是采用d o s 操作系统，现在 采用w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sn t 和w i n d o w s2 0 0 0 或x p 操作系统。 w i n d o w s 操作系统的图形用户接口( g u i ) 大大改善了测试系统的运 行界面，其多任务和多线程能力大大增强了数据采集卡的性能。尤 其是多线程可将用户界面显示与数据采集分配在不同线程上，降低 数据采集与用户界面显示问的干扰，使每个线程能独立的以最快速 度运行，充分提高系统的测试速度。 对于应用软件，过去的液压泵c a t 系统因其用单片机做主机， 多用汇编语言编写软件，后来采用p c 机后采用汇编语言和高级语 言混合编程。目f ； ，很多系统已采用v is u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、 d e l p h i 等可视化编程语言环境进行编程，大大缩短了测控软件的 丌发时白j 。而崭新的图形编程语言环境， 如l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 、d a s y l a b 、v e e 等的出现，使测控技术迈向了 一个新时代。它们把复杂的语言编程简化成菜单或图标揭示的方法 选择功能、用线条把条件功能连接起来的简单方式，节省了编程时 | b j ，而运行速度却不受影响。网络和通信技术的发展使得远程检测 的控制成为可能，通过网络和应用软件，可以连网测试，并将测试 辽j 。i ：样技术人学硕十学倚论文 4 数掘传送到网络中的每一台计算机上。 1 3液压泵c a t 课题研究的意义与目的 液压齿轮泵是液压系统的动力源，是至关重要的液压元件，普 遍应用于工矿企业。其性能好坏对液压系统的性能影响很大，甚至 影响液压系统能否j 下常工作。对液压齿轮泵进行性能测试是辨别其 性能优劣的重要手段，并能通过测试提出结构设计或改进的方案， 提高工艺水平和促进产品升级。液压泵性能测试涉及参数多，精度 要求高，如何提高系统的测试精度和测试速度是需要解决的重点。 液压泵c a t 系统是一种进行性能测试投资较少、效益较高的重要 手段。 液压泵c a t 系统提高了自动化程度，对于进行批量测试，尤 其是液压泵的出厂测试，由于液压泵c a t 系统进行测试速度较高， 避免了测试环节与整个生产环节速度不匹配。对于进行液压泵的定 型试验，c a t 系统又能提高测试的精度，可长时间的测试而精度 不会降低。液压泵c a t 系统在速度上较人工测试快、在精度上较 人工高，在耗费上较人工少，因此对液压泵c a t 系统进行研究有 重要意义。 本课题的研究对象为液压c a t 系统的设计与开发以及应用， 目的是研制一套齿轮泵测试试验系统，研究液压泵测试的相关理论 与方法，解决某液压件工厂的大量泵产品的测试的问题。 1 4 研究方法和手段 对于液压泵的测试项目和方法，我国有一系列的国家标准，这 些标准有j b t 58 2 1 1 19 9 9 、g b 7 9 3 g 一8 7 、j b t 7 0 3 9 9 3 、j b t 7 0 4 0 9 3 、 j b t 7 0 4 l 一9 3 、j b ，t 7 0 4 2 9 3 、j b t 7 0 43 9 3 、j b t 7 0 4 4 - 9 3 等。本论 文所述液压齿轮泵c a t 系统根据上述国家标准和实验室现有的条 件，按照液压泵的原理、液压系统及测试系统的设计规范，用科学 严谨的理论分析与全面精确试验相结合的方法来进行设计，在严格 按照标准和设计规范的基础上，充分利用实验室的现有条件，做到 既科学规范，又合理经济。 1 5 本文的研究内容 本文的研究对象为液压齿轮泵计算机辅助测试系统，目的是研 制出一套基于v is u a lc 十十的齿轮泵特性测试实验台，研究泵测试的 辽j 1 样技术人学硕十学位论文 相关理论。因此，研究工作包括齿轮泵试验方法的理论分析、试验 硬件的配置及测试软件的总体设计。 首先，进行c a t 测试系统设计方案分析。主要分析齿轮泵试 验指标以及测试原理、数据采集和信号处理的基本理论，对液压系 统进行分析与设计。 然后，进行测试系统的硬件设计。主要是对本系统中工控机、 传感变送装置、信号调理装置、数据采集部分与拖动和控制部分设 备的配霄设计以及测试系统抗干扰的分析与设计。 再之，进行测试系统的软件设计。主要以v c + + 语言为软件的 丌发平台。通过硬件与软件地配合，组建基于v c + + 的齿轮泵c a t 系统软件。 最后，对系统的结果进行分析与展望。 测试表明，本测试系统快速、简捷、精确地完成了对齿轮泵性 能的测试。 辽j 5 i 科技术人学硕十学位论文 2 液压c a t 系统总体方案设计及理论分析 本章主要介绍了齿轮泵试验的测试内容与原理，依照国家标准 确定了具体的试验项目和进行试验的方法。同时，也对液压系统、 测控系统、软件系统等进行了整体的设计与理论分析。 2 1 测试内容与测试原理 由于不同类型的液压泵有不同的测试方法标准，即使是同一类 型，不同额定压力的液压泵的测试方法也不完全相同，所以只能对 其中某一类型、某一压力级别的液压泵进行性能测试或对其中共同 的项目进行测试。参照标准j b t 58 21 1 19 9 9 的规定，确定试验项 目为：排量试验、效率试验、自吸试验、噪声试验、低温试验、高 温试验、超速试验、超载试验、满载试验和冲击试验。在进行上述 各试验f i j f 按照设计的规定进行泵的跑合试验。 2 1 1 排量验证试验 a 使液压泵空载，即使液压泵的负载为零，或液压泵的输出 压力不超过额定压力的5 或不超过0 5 m p a 。 b 在液压泵的最低允许转速到额定转速的范围内设定均匀的 5 档转速，测量每档转速n i 下泵的流量q 。 c 计算泵的空载排量。 2 1 2 效率试验 a 在额定转速下，使泵的出口压力逐渐增加，至额定压力的 25 左右，待运转稳定后，开始测量。 b 按上述方法至少测量泵的出口压力约为额定压力的2 5 、 4 0 、55 、7 0 ，85 、1 0 0 时的各组数据。 c 在最低转速至额定转速( 包括最低转速和额定转速) 范围内 的5 个等分转速下，分别测量上述各试验压力点的各组数据。 d 在额定转速下，进口油温为2 0 一35 和7 0 一8 0 时，分别 测量空载压力至额定压力范围内至少6 个等分压力点的有关效率 的各组数据。 e 绘制等效率特性曲线或性能曲线。 f 绘制功率、流量，效率随压力变化的曲线。 2 1 3 压力振摆检查 在最大排量、额定压力、额定转速工况下，观察并记录泵出1 2 1 辽。j 。i 。撑技术人学硕十学位论文7 压力振摆值。 2 1 4自吸试验 在额定转速、空载压力工况下，测量吸入口真空度为零时的排 量，以此为基准逐渐增加吸入阻力，直至排量下降l 时，测量其 真空度。 2 1 5噪声试验 在额定转速下，分别测量空载压力至额定压力范围内至少6 个等分压力点( 包括空载压力和额定压力) 的噪声值( 应在距离被测 泵外壳以lm 为半径的l 2 球面上六个不同的截面以上均匀分布的 位置上测量) 。 2 1 6 超速试验 在规定的最高转速或额定转速的l l5 工况下( 选择其高者) ， 分别在额定压力和空载压力下连续运转l5 m i n 。 2 1 7超载试验 在3 0 一6 0 的进口油温、额定转速和125 的额定压力下做连 续运转。 2 1 8 满载试验 在额定压力、额定转速下做连续运转。试验时被试泵的进口油 温为3 0 6 0 。 2 1 9 冲击试验 在额定转速下，冲击频率大于每分钟l0 次，额定压力下保证 时间大于t 3 ，t 为循环周期，卸载压力低于额定压力的10 。 2 1 1 0 效率检查试验 测量额定压力、额定转速下的容积效率和总效率。 表2 1 规定了相对应的测量准确度等级标准。 2 2 动力源及调速方法的确定 动力源带动液压泵将机械能转换为液压能，对于液压泵的正常 运转是非常重要的。调速装置负责改变动力源的转速，从而改变液 压泵的转速。液压泵的性能测试要对其转速进行调节，所以调速装 置的选择也是至关重要的。因此动力源及其调速装置的合理选择是 液压泵性能测试装置研制是否成功的关键之一。 辽。j 。f 群技术人学硕+ 学忙论文8 2 2 1 动力源的确定 在各种动力源中，电动机以其运行可靠，使用方便，应用最广。 表2 1测量准确度等级 测量参量测量准确度等级 abc 压力( 表压力p o 2 m p a ) ， o 51 01 5 流量， o 5o 5 1 o 转矩， o 5 1 o2 o 转速，o 50 5 1 o 温度，o 51 o1 5 在各种电动机中，异步电动机以其结构简单、运行可靠，广泛应用 于国民经济和同常生活的各个领域，但是普通的异步电机在变频调 速中常常会有散热不好等问题，所以本系统选用交流变频电机，对 其进行变频调速可以实现直流电机的调速性能。在速度调整方面， 选择变频调速比较合适f 。 2 2 2 变频调速的基本原理 异步电机的同步转速，即旋转磁场的转速为【4 】： n i 2 6 0 f l n d( 2 1 ) 式中：n l 一同步转速，f l 一电源频率，n 。一磁极对数 交流异步电动机的轴转速： m 叫= 菩 z ， 式中：s 一异步电机的转差率，s = ( 1 1 1 - n ) n ，f i 一电源频率， p 一电机极对数，n l 一同步转速，s 转差率 电机极对数p 改变也是很有限，可调范围也很小，不能实现 无级调速。电源频率f l 与转速n 成正比。所以，改变频率即变频 调速目丽在理论上是较好的调速方式。 辽j 。i + 拌技术人学硕十学位论文 9 从上述可以看出，改变电源频率，就能改变电机的同步转速， 为了使调速过程中电机的容量能充分利用，就需要维持磁通的恒 定。当频率下降时必须使电压随着频率的下降同时降低，这种电压 与频率配合变化称为恒磁通变频调速的协调控制【48 1 。根据电压， 频率协调控制方法不同，可获得恒转矩特性或恒功率特性的调速方 式。 2 2 3 变频器的应用 通用变频器产品大致分为三代：普通功能型u f 控制通用变频器、高功 能型u f 控制通用变频器和高动态性能型矢量控制通用变频器。其中。第二 代产品已经具备了初步的转矩控制功能，可以实现转矩限制，具有“无跳 闸”能力。第三代产品，采用矢量控制方式。具有较好的动态性能，可以 替代高精度直流调速系统。在变频器的应用中，主要包括主电路和控制电 路两个部分。 2 2 3 1主电路 在主电路中，主要是变频器接入到电机的电源中，使恒压恒频的电源 转换成电压和频率均可以改变的的电源。三相电源线分别连接到变颇器的 电源端子排上的r 、s 、t 接线端，再从u 、v 、w 端引出三根线与交流电 机的三相电源输入线相连。主电路如图2 1 所示。 图2 - 1变频器主电路图 2 ，2 3 2 控制电路 对变频器的控制方式主要有四种：一是变频器面板操作，即通过操作 面板改变频率的输出，加减速度时间，速率变化率等参数；二是在变频器 模拟量输入端输入0 1 0 v 或4 - 2 0 m a 信号，通过改变输入模拟量的大小控 制变频器输出频率；三是通过变频器端子控制，即通过改变端子的通断状 态组合，从而改变变频器的状态和输出频率。常见的有继电器组成的控制 辽j 。i 稃技术人学硕十学位论文 0 电路或采用p l c 控制：四是通过变频器的通讯口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) 控制。 计算机速度的提高，存储量的增大为计算机控制变频器提供了可能， 同时计算机在逻辑推理、判断、识别、决策等方面的功能可以承担按照某 一规律进行控制工作，也为在系统中实现智能控制提供了条件，这是目前 计算机控制较其他控制手段所具有的优越之处【5 l 。 对于通用变频器通常有四种控制方式可供选用：无p g ( 速度传感 器) u f 控制方式；有p gu f 控制方式；无p g 矢量控制方式；有p g 矢量控制方式。这种“多控制方式”通用变频器的性能，可以满足多数行 业传动装置的需要。用户根据自己的需要，可以改变这种设置。 变频器的输人和输出端子在进行功能设定时，要通过控制字、状态字、 开关量连接器、模拟量连接器来进行设定mj 。其接口与设定如图2 2 所示。 ：丌关量输入端 i i 操作谣板 i 巾行口 l 模拟量输入端 i 操作面板 l 巾行口 变频器 l i “控制字” 开关量 “状态字”i j 连接器 一l i i i f 功能码f i ! “设定值” l 模拟量i i 连接器l i i “实际值”l i l t i 图2 - 2变频器的输入输出设定 2 2 4 变频器的通信 实现计算机与变频器通讯与控制，也就是要实现计算机和变频器的数 掘交换，一般有以下几种方法： a 串行通讯，利用变频器提供的串口通讯功能与外加的设备进行通 讯。它的优点是简单方便，硬件和编程的工作量很小。 b 并行通讯，这种方式是利用变频器处理器的i o 功能，在计算机和 辽。j 5 f + 稃技术人学硕十学忙论文 变频器之问增加缓冲器或锁存器实现双机通信。它与串行通讯方式 相比，效率稍高些。但是要在程序中加入很多数据同步和数据冲突 的处理，编程复杂。 c 共享存储器方式，即计算机和变频器处理器中间通过一个公共的存 储器来交换数据，这种方式效率最高，且容易处理数据同步问题， 但是需要同时增加外部设备。 综上所述，通过对系统进行分析，采用串行通讯口并通过转换器进行 数掘通讯，通讯实现容易，成本低廉，具有较高的可靠性和使用性。工控 机上一般只配有r s 2 3 2 接口，因此为了与变频器的r s 口相连，必须配置 4 8 5 接口卡或r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器。r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器应接于计算机c o m 通讯端口f 7 1 。 用户可以按照变频器的通讯协议在上位机上自行研发、编制通讯程序 软件，以监控变频器的运行。通讯数据帧结构为：帧头、用户数据、帧尾。 a 帧头包括：起始字节、从机地址、广播地址； b 帧尾包括：校验数据； c 用户数据包括：参数数据和过程数据两部分( 在短帧中没有参数数 据) 。 其中参数数据包括：功能码操作命令响应、功能码号、功能码设定 实际值。过程数据包括：主机控制命令 a 机状态响应、主机运行设定从机 运行实际值。当主机发送时为“命令”或“设定值”，如对变频器进行开机、 关机、乖反转、频率设置、参数读取等，当从机( 变频器) 发送时为对主 机命令的“响应”或工作状态及参数“实际值”的反馈。数据遵循先发高 字节，再发低字节的原则；如果功能码操作不正确，则用低字节返回操作 错误代码，此时高字节为0 【4 。 无论计算机向变频器发出的是读数据命令还是写数据命令，变频器都 可能返回两种形式的结果。一种是通讯正常时的正常响应，一种是通讯不 萨常的响应。当变频器收到信息时，先检验启始时间间隔+ s t x 位，然后检 测信息长度值l g e 如果这些信息出现不符，那么发送的信息无效。在信息 接收前和接收过程中还会检测多段时间，如响应延迟时间、信息有效时间、 辽。j i 科技术人学硕士学何论文 1 2 字节延迟时j 日j 等。在接收过程中，还要产生校验位，只有以上信息均正确， 且奇偶校验和地址字节没有问题时。发送的信息才会被正确接收且执行。 2 3 加载方法的设计 在液压泵的各项试验项目中，效率试验、压力振摆检查、噪声 试验、高温试验、超速试验、超载试验、满载试验、冲击试验和效 率检查试验等试验都要求液压泵在不同压力下运转，以测试其各项 参数。液压系统的压力大小取决于负载的大小，要使液压泵输出不 同的压力，就要对其施加不同的载荷。虽然加载方法有很多，但由 于液压泵输出的是液压能，所以只能进行液压加载，其它的方法也 是将其它能转换为液压能对液压泵进行加载的。 2 3 1节流加载 节流加载是在泵的输出油路中串联可变节流阀或溢流阀，以改 变油路阻力，使压力改变，达到给被试泵加载的目的，只要能作到 使节流口的大小按要求的规律变化，即可实现各种规律变化的负载 模拟。节流加载液压系统图如图2 3 ，2 4 所示。在泵的出口串联 节流阀、远控溢流阀、电液伺服阀、比例节流阀和比例溢流阀等均 可达到节流加载的目的，给伺服放大器发出各种信号，驱动电液伺 服阀或比例阀，即可获得按不同规律变化的负载模拟这种加载方法 所需元件最少，并能进行多项性能试验，是比较简单的一种方式【8 】。 节流阀的节流口易受温度的影响，其控制性能不佳。溢流阀加 载受油温影响较小，易于实现遥控调节负荷，但当被试液压泵有显 著脉动或溢流阀性能不佳时加载溢流阀的脉动直接影响被试泵的 脉动测试，而且它的先导泄漏量给测试带来了不便。 用普通节流阀或溢流阀进行加载均不能实现自动控制，而用比 例阀加载可用计算机控制。计算机输出的信号经驱动电路放大，驱 动比例阀来实现加载，从而实现自动化。比例节流阀和比例溢流阀 是进行比例加载使用的两种阀【9j 。 辽j 5 i 榉技术人学硕十学位论文 1 被测泵2 电动机3 节流阀 图2 3节流阀加载 1 被测泵2 电动机3 溢流阀 图2 4溢流阀加载 2 3 2 本系统加载方案 通过以上分析，各种方法都有其优缺点，节流加载比较方便， 结构简单，但节流阀易受温度的影响，溢流阀在高压大功率的状况 下易产生较大的压力脉动，用比例节流阀来对液压泵进行加载自动 化程度高，但在压力调整范围和流量调整范围相同的工况下，选用 比例节流阀和比例溢流阀加载，其价格比约为2 ：l 【8 1 。因此，为 了避免缺点，利用优点，采用节流阀与比例溢流阀相结合的一种加 辽j 。f + 稃技术人学硕十学待论文1 4 载方式，如图2 5 所示。在比例溢流阀前装一个节流阀，利用节流 阀的特点来阻止溢流阀产生的压力冲击对液压泵、传感器及其仪表 的影响。试验时节流阀口要开得适度，即起到作用，又避免受温度 的影响。 1 被钡9 泵2 电动机3 节流阀4 比例溢流阀 图2 5节流阀与比例溢流阀加载 2 3 3 液压系统回路设计 液压泵试验台有开式试验回路和闭式试验回路之分。所谓开式 试验回路是指被试泵从油箱吸油，且回油也回到油箱，不直接参加 工作循环。这样油液在油箱中可得到充分沉淀和逸散气泡，油温也 比较稳定。但此回路只适应自吸能力较强的泵。而闭式回路则是试 验后的回油不是返回油箱而是直接回到被试泵的入口。因此被试泵 不需要从油箱吸油。由于中间损耗，回油流量不能满足被试泵的需 要，此部分差值由供油泵提供。显然此油路适合自吸性能较差的泵， 且供油泵排量可减小。但对于直接参加循环的油，则需要通过冷却 器充分冷却，以保证泵吸入油液的温度符合实验要求，另外还需要 经过滤器，以保证油液符合被试泵对油液的清洁要求。泵吸油口压 力由低压溢流阀调节1 10 1 。 由于本试验台拟进行试验的泵为齿轮泵，自吸性能较好，对油 的污染也较敏感，所以本实验台采用开式试验回路。 l l _ _ u蒂 辽j 。i ：拌技术人学硕十学位论文 液压系统回路是液压能传递的通道，液压能经这条通道传递到 各个执行元件，对液压泵性能测试有着一定的影响。液压回路对系 统的影响有：能耗、压降、压力脉动、振动和噪声等。液压系统回 路也是确定其功能的最基本保证。由液压泵各试验项目的要求和上 述加载方法，确定液压系统回路如图2 6 所示。 图2 6试验装置液压回路原理 l - 试验泵，2 一转矩仪，3 转速仪，4 电机，5 15 2 温度计，6 16 2 压力表，7 17 - 2 可调节流阀，8 18 2 电流换向阀，9 流量计，10 溢流阀，1 1 半r 滤油口；12 精滤油口，13 截止阀，1 4 冷却器，l5 油箱 2 4 测控系统设计 设计任何一个测试系统，必须认真慎重的拟定设计方案，并反 复论证其可行性，然后才能动手进行设计。这是因为方案对设计至 关重要没有正确的方案，一切工作都是徒劳的。本系统的设计方案 包括硬件设计方案和软件设计方案。 2 4 1 硬件设计方案 本系统是用来对齿轮泵完成要求的各种试验，其中的关键就是 辽。j i 稃技术人学硕十学侍论文 1 6 能够准确、快速的提取测试系统中的压力、压差、流量和温度等物 理量，而计算机是提取和处理这些信息的最好工具。因此提出构建 以工控机为核心的测试系统，目的是能够较高精度、较高灵敏度、 较高效率的获得压力、压差、流量和温度等参数的静态和动态值。 并能对采集的数掘进行过滤和处理，最大限度地消除测量的随机误 差、系统误差和外界干扰，完成自动校正零点、自动显示，输出数 掘以及打印试验报告等功能。 2 4 1 1 需求分析 构建基于v c + + 的测试系统，首先需要测试用的管道系统，它 是测试能够进行的基础。管道的设计要求能够满足试验所需要的压 力和流量，并能够使其保持平稳，当然还要考虑其对传感器的保护 作用，使整个系统的使用寿命更长一些。其次还要有把所要测量的 物理信号转换为能够进行测量的电信号的传感器与变送器，本系统 所要测量的物理量是：压力、压差、转速、转矩、流量和温度等。 再次，构建基于v c + + 的测试系统，光有传感器是远远不够的，传 感器出来的信号还要进行光电隔离、放大、采集整理转换后才能进 入计算机进行处理。综合以上因素，在系统中加入了一个具有放大、 a d 转换、光电隔离等功能的数据采集卡。 另外，还需要电源、接线板、信号连接线等辅助元件，其中电 源是用来给传感器和功率放大器供电的。 最后，工控机是必不可少的，考虑到整个测试系统的稳定性， 选用了研华公司的工业控制计算机。 2 4 1 2 方案设计 综上所述，基于v i s u a lc + + 的测试系统硬件设计可分为：管道 设计传感器位置规划和计算机测试子系统的设计。 被测的各种参数( 压力、压差、流量、温度) 由传感器变换成易 于后续处理的电信号。如果传感器输出信号太弱或信号质量太差， 则应经过前端预处理电路进行放大，滤波等处理。然后经过数据采 集子系统转换成数字量，通过数据总线进入工控系统，计算机处理 辽宁l 。稃技术大学硕+ 学位论文 数据，然后验证是否符合试验所要求的条件。采集数据后，计算机 就丌始数掘运算，并对运算结果进行显示、记录入数据库、绘制成 曲线、图表等控制系统如图2 7 。 渡压齿轮泵试验台 审审ii 掣掣掣 p e i p c l - - 8 1 2 p g 多功能接口卡 1 6 1 2 a 俞 。i 妙 工控机 图2 7控制系统结构框图 2 4 2 软件设计方案探讨 软件是硬件的灵魂，软件不但能可视化地实现硬件的所有功 能，而且还能对硬件的功能进行拓展。它充分利用计算机强大的数 据处理、运算和传输的能力，实现许多硬件不容易实现的功能，如 数字滤波、数据分析、数据显示和数据存储等。 2 4 2 1需求分析 齿轮泵c a t 系统作为一种先进的检测手段因其显著的优越性 在泵行业中得到了越来越广泛的应用。以往的测试软件很多都是在 辽。j 1 鼙技术人学硕+ 学能论文 f 8 d o s 环境下运行，在数据采集和数据处理、性能曲线绘制、软件 操作等方面均有不尽人意之处。随着w i n d o w s 操作系统和功能更 强大的编程语言的出现，人们期待泵微机测试系统的操作界面应更 加友好、使用应更加方便。 为了实现智能化数掘采集与控制试验过程并考虑到液压泵综 合试验台的工作特点，泵综合试验台采集与控制系统软件采用了目 前较流行的模块化结构，按要求分成几大功能模块，每个模块仅完 成相应的任务。再将其集成，这样各模块之间既可单独操作，也可 相互调用完成指定功能。 本软件是用v is u a lc + + 6 0 高级开发语言在w i n d o w s2 0 0 0 平台 上丌发运行的测控系统工作及试验的c a t 软件。 智能系统以微型计算机为核心通过接口实现对泵的试验过程 的实时控制，计算机通过各种外部设备与试验人员交换信息，记录 并保存试验数据，绘制试验曲线，打印试验报告。 2 4 2 2 系统结构 系统软件是一个功能强大的应用软件，可分为九个主要模块： 文件管理模块、试验参数设置模块、数据采集与试验控制模块、系 统传感器标定模块、屏幕显示模块、打印设置及输出模块、曲线处 理模块、帮助及查看模块九个模块结构。各个模块互相调用与配合 实现系统的主要的功能。 辽j j 拌技术人学硕十学位论文 1 9 3c a t 系统硬件部分设计 从硬件的角度看，此测试系统要完成的功能包括控制信号的发 尘、对传感器变送器的输出信号进行采样、调理、模数、数模转 换、控制指令执行、结果输出等几个部分。 3 1测试系统硬件的功能及特点 对系统硬件设计方案的选择主要从以下几个方面考虑： a 首先明确试验台的功能。即要完成泵测试试验，要求有比 较强的人机交互能力。 b 测试系统的性能取决于工控机、传感和变送器、信号调理 装置。 c 充分利用实验室的资源，降低试验成本。 本系统所需要测试的泵的性能指标为：压力：o 3 1 5 m p a ，精度l 。5 ； 流量：0 2 0 0 l m i n ，精度1 5 ；转速：0 4 0 0 0 r m i n ，精度1 ；转矩： 0 3 0 0 n m ，精度1 ；温度：o 9 0 ，精度土1 。 在硬件的设计过程中，应当充分考虑各性能指标及试验精度的要求。 3 2液压系统 3 2 1 油箱 3 2 1 1 油箱容积的确定 油箱容积的确定是设计油箱的关键，油箱的容积应能保证当系 统有大量供油而无回油时，最低液面应在进口过滤器之上，保证不 会吸入空气；当系统有大量回油而无供油时，或系统停止运转油液 返回油箱时，油液不至于溢出。 按照公式3 1 确定油箱的容积【】 v 2aq p ( 3 1 ) 式中 v 一一油箱的有效容积( m 3 ) q 。一一液压泵的流量( m 3 m i n ) ； a 一一经验系数，见表3 1 辽。j 2 f 样技术人学硕十学位论文 表3 1取值经验系数 行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金机械 al 22 45 76 l21 0 根据本系统情况，可取a = 4 ；查手册，取液压泵流量为 lo o l m i n ，即q 。= o 1m 3 m i n ，可以得到油箱的容积为 v = 4 + 0 1 = o 4 ( m 1 油箱的有效容积是液面高度占油箱高度的8 0 的油箱容积，再者为 了散热以及安装冷却装置，油箱的容积为： v = 0 4 0 8 = 0 5 ( m ) 3 2 1 2 油箱结构的确定 在油箱设计时注意到了下面的几个方面：为防止污物进入油 箱，油箱上部的通气孔上配置空气滤清器；在液压泵的吸油路上安 装滤油器，以保护液压泵；液压泵的吸入油管和回油管的距离应尽 可能远；设置隔扳将吸油管和回油管隔开，并使油液循环，将油液 中的气泡和杂质分离和沉淀；放油孔设置在油箱的最底位置，便于 清沈和换油；油箱底部离地面15 0 m m 以上，以便于搬移，放油和 散热；其它注意事项按有关标准和规定。 3 2 2 管路 管路是液压系统中液压元件之间传递工作介质的各种油管的 总称。为保证液压系统工作可靠，管路应有足够的强度，良好的密 封，其压力损失要小，拆装要方便。管路按其在液压系统中的作用 分为主管路、泄油管路、控制管路和旁通管路，因为泄油管路和控 制管路集中在集成块中，所以这里的管路主要是指主管路而言。为 保证回路系统稳定正常工作，采用无缝钢管作为油管。油管内径 d r a m 公式3 2 确定f 】。 扣摆圳o o ( 3 - z ) 式中q 一流经油管的流量m 3 s vo 一油管内的允许流速m s 辽j 。i 稃技术人学硕十学何论文 2 1 取q = o 1m3 m i n ，vs = 6 m s ，计算可得油管的内径： 扣、| v 4 x 0 5 石1 6 0 。x 1 0 0 0 = 2 0 6 ( m m ) 钢管的壁厚按公式( 3 3 ) 确定： 6 - 卫( 3 - 3 ) 2 【盯】 式中j 一油管壁厚( 1 1 1 i n ) p 一油管内液体的最大压力( m p a ) d 一油管内径( m m ) 仃卜一许用应力( m p a ) 取油管内液体的最大压力p = 2 5 m p a ；油管用无逢钢管，制作材料 l5 号钢，15 号钢的屈服应力万s ：2 25 m p a ，许用应力【仃】：至，其中 以 1 1 。为屈服安全系数。取n 。= 1 8 ，计算得【口】_ l2 5 m p a ，油管内径 d = 2 0 6 m m ，计算得： 占拿筹- 2 0 6 ( 2 1 2 5 、 冷拔无逢钢管的规格尺寸是外径和内壁，查手册，取外径为4 2 m m ， 壁厚为6 m m 的无逢钢管做油管，其内径d = 3 0 m m 。验证流速； 矿n ：塑一：塑。2 3 6 ( 研j ) 矿0 2 ( d l l o o o ) 2 ，r2 百i 石丽2 研。) 流速没有超过5 m s 的流速。 液压管路的连接有焊接、螺纹连接和法兰连接三种。焊接连接 成本低，不易泄漏，不需管路配件，因此在保证安装和拆卸的条件 下，应尽量采用焊接连接；螺纹连接适用于管径较小的油管，管路 旋入端的连接螺纹采用国家标准规定的普通细牙螺纹和米制锥螺 纹，米制锥螺纹常应用于中、低压系统中，普通细牙螺纹广泛应用 于高压系统：当油管直径较大时，应采用法兰连接。由上述，选用 米制锥螺纹进行管路的连接是比较合适的。油管的外径为4 2 m m ， 辽。j 。i ：拌技术人学硕七学何论文 采用m 4 2 2 螺纹连接。 常用的管接头有卡套式管接头、扩口式管接头、焊接式管接头、 钢丝编织( 缠绕) 胶管接头、快换管接头、三瓣式高压胶管接头和活 接头等。卡套式管接头适用于油、气及一般腐蚀性介质的管路系统， 工作压力为4 0 m p a ，这种管接头结构简单、性能良好、重量轻、 体积小、使用方便、不用焊接，是较为理想的管路连接件；焊接式 管接头适用于以油为介质的管路系统中，工作压力为3 2 m p a ，这 种管接头结构简单、耐压高、密封性能好，但是安装时焊接工作量 大，装拆不便；活接头结构简单、连接方便、体积小、重量轻，价 格低廉，是一种较好的管路连接件。由于系统装好后很少拆卸，所 以本系统选用焊接式管接头。 3 2 3 液压控制阀 在液压系统中，液压控制阀用来控制系统中的压力、流量及油 液的流动方向，在本试验中要求回路的压力变化范围是依此各类液 压阀的型号和具体参数如下： a 比例溢流阀 本系统采用北京华德液压集团公司生产的d b e m l 0 - 3 0 b 3 1 s y m 型比例溢流阀，陔阀控制油内控外泄，采用板式连接，最大流量为 2 0 0 l m i n ，最高压力为3 1 5 m p a ，满足被试泵的压力调整范围和精度， 并带有最高压力保护装置。 用s g 3 5 2 4 构成比例阀的比例放大控制器。