（机械设计及理论专业论文）基于网络的螺杆泵性能测试系统.pdf

摘要 螺杆泵是一种容积式泵，现已被广泛应用于石油、化工、造船、交通运输等行业。随 着螺杆泵需求的增加，实际应用中对其运行的效率和可靠性要求越来越高。螺杆泵的性能 测试是辨别产品优劣、保证系统性能和促进产品升级的重要手段。 本课题是基于网络的螺杆泵性能测试系统的研究。根据螺杆泵g b t 1 0 8 8 6 2 0 0 2 和螺 杆泵试验方法喝厂r8 0 9 1 1 9 9 8 国家标准，制定测试方案。其性能测试中需检测的主要参 数为泵的进、出口压力、油温、转速、流量和扭矩。系统设计过程运用了液压技术、虚拟 仪器技术和网络技术，实现了计算机对试验过程的控制和测试系统的网络化。研究的内容 有：1 设计基于c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机的数据采集卡，主要实现螺杆泵性能参数的检测功能， 同时为了模拟螺杆泵在不同速度下工况，要求数据采集卡具有控制电机转速的功能；2 设 计基于l a b w i n d o w s c v l 8 0 软件的上位机系统，使得采集到的数据能在计算机上实时显 示并生成实时曲线；3 运用d a t a s o c k e t 控件，并将之与网络技术相结合，实现系统的网 络化。 设计的系统实现了螺杆泵性能参数检测的预期目标。将虚拟仪器、网络等新技术运用 于本测试，保证了测试的实时性，提高了测试精度，实现了测试过程的远程监控。 关键词：螺杆泵；性能；测试系统；单片机；l a b w i n d o w s c v l 8 0 ；d a t a s o c k e t t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt e s ts y s t e mb a s e do nn e t w o r k a b s t r a c t s c r e wp u m pi sak i n do fv o l u m ed e l i v e r yp u m p ，w h i l ei ti sg e t t i n gm o r ea n d m o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni np e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，s h i p b u i l d i n ga n dt r a f f i ci n d u s t r i e s w i mt h em o r e a n dm o r en e e do fs c r e wp u m p s ，t h er u n n i n ge f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fs c r e wp u m p sa r e r e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e rw h e nu s e di np r a c t i c a lp r o d u c t i o n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt e s to f s c r e wp u m pi sai m p o r t a n tm e a nt od i s t i n g u i s ht h ec h a r a c t e ro ft h ep r o d u c t i o nt oe n s u r et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n da l s oa c c e l e r a t et h ep r o d u c t i o n sd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r w es t u d i e dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt e s ts y s t e mb a s e do nn e t w o r k w e m a d et h ed e s i g np l a na c c o r d i n gt og b t 1 0 8 8 6 2 0 0 2a n dm t8 0 9 1 19 9 8 t h em a i nt e s t i n g t a r g e t so ft h es c r e wp u m pa r e ：t h ee x p o r tp r e s s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ew o r k i n go i l ，t h e s p e e d ，t h ef l o wr a t ea n dt h et o r q u em o m e n to ft h es c r e wp u m p h y d r a u l i ct e c h n o l o g y , v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n i q u ew e r eu s e di nt h i ss y s t e m sd e s i g n w h i c hm a d e c o m p u t e rc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s so ft h ee x p e r i m e n ta n dt h es y s t e m sn e t w o r k i n gc o m et r u e t h e m a i nc o n t e n ts t u d i e di n c l u d et h ef l o w i n g s ：1 d e s i g n i n gad a t a a c q u i s i t i o nc a r db a s e do n c 8 0 5lf 3 3 0c p um a i n l yu s e dt oa c q u i r et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s m e a n w h i l e i no r d e rt o t e s tt h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n w en e e dt oc h a n g et h e s p e e do fm o t o r ，w h i c hr e q u i r e st h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dt oh a v et h ef u n c t i o no fs p e e dc o n t r o l ； 2 d e s i g n i n gt h et o pc o m p u t e rs y s t e mb a s e do nt h el a b w i n d o w s c v l 8 0s o f t w a r em a i n l yt o r e a l t i m ed i s p l a ya n dm a k ec a lv e so ft h e a c q u i r e dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ；3 u s i n gt h e d a t a s o c k e ta c t i v e xc o m b i n e dw i t ht h en e t w o r kt e c h n i q u et or e a l i z et h es y s t e m sn e t w o r k i n g 1 1 1 es y s t e mw ed e s i g n e dr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t e dg o a lo f t e s t i n gt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r o ft h es c r e wp u m p u s i n gt h ev ia n dn e t w o r kt e c h n i q u et ot h et e s tm a d et h ed a t ac o l l e c t e d r e a l t i m ed i s p l a y , i m p r o v e dt h ep r e c i s i o na n dr e a l i z e dr m o nr e m o t em o n i t o r i n go ft h et e s t i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：s c r e wp u m p ；p e r f o r m a n c e ；t e s ts y s t e m ；m c u ；l a b w i n d o w s c v l 8 o ；d a t a s o c k e t 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ： 溅。垂川年占月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存匆汇编本学位论 文全部或部分内容。 f 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密耐。 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ：弓雌毽劲咿6 月“日 指一州枞摊k 似n 。歹年月旷日 致谢 岁月如梭，三年的研究生生涯即将结束。在此论文完稿之际，向所有指导过、 支持过、帮助过、关心过我的人们致以真诚的敬意。 本次论文的完成，首先要感谢我的导师一陈惠明教授对我的悉心指导。从论 文的前期材料准备、选题、思路、撰写，到最后的定稿，陈老师都花费了大量的 时间和精力，给与我最好的指导和帮助。导师那严谨的治学态度、孜孜不倦的科 研精神、广博的知识、敏锐的洞察力、豁达开朗的性格和平易近人的为人风格深 深地感染着我、激励着我，使我在人生成长的道路上受益匪浅。谨此，向导师致 以衷心的感谢和最诚挚的敬意。 在课题的研究过程中，还要感谢一直以来给予我支持和帮助的王芳师姐、刘 杰师兄、于冬锋师兄、袁风永、朱东南、王伟、秦宜荣等同学。 最后还要感谢我的家人和朋友，他们的无尽关怀、支持和帮助是我不断成长 和进取的动力，是激励我在科学的道路上不断前进的精神源泉，我所取得的每一 点进步无不凝聚着他们的心血和汗水。谨以此文表达我对他们的谢意和深深的 爱。 在项目的研究和设计的过程中，汗水与欢笑并存，我将在记忆深处珍藏这一 段难忘的时光，翻开人生崭新的一页! 张蕉蕉 2 0 0 9 年6 月16 日于南京林业大学 第1 章绪论 1 1 本课题研究的意义 螺杆泵是一种容积式泵，具有尺寸小、质量轻、维修方便、运动部件少、排量均匀等 优点，现已被广泛应用于石油、化工、造船、食品、交通、运输等行业，输送各种不同粘 度的液体。随着生产发展的需要，螺杆泵的品种越来越多，产量越来越大，例行试验的工作 量不断增加，一些问题也随之出现。在众多的现场试验中，曾出现定子与转子抱死、转子 脉动、定子橡胶脱落、杆断脱等状况，造成螺杆泵早期失效。分析认为，这种失效主要是 由于生产者对螺杆泵的工作特性认识不足所致【i 】。因此，在产品交付使用前，必须对其进 行严格检验以确保质量。 螺杆泵的性能测试是辨别产品优劣、保证系统性能和促进产品升级的重要手段【2 】。但 是由于螺杆泵性能测试涉及的参数多、精度高，并且有些需要间接处理，另外测试过程中 还有很多相关条件需要保障，传统的测试方法已经很难满足这样越来越高的要求。近年来 螺杆泵性能测试逐步淘汰了传统的仪表加人工测试的方法，转向液压技术结合最新的虚拟 仪器测试技术、最先进的计算机技术、数字信号处理技术和现代控制理论技术，进而形成 了新型螺杆泵计算机辅助测试技术【3 巧l 。该测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 技术是电子计算机技 术与常规测试系统相结合的一门综合性技术【6 1 。而虚拟仪器是计算机辅助测试的一个重要 分支，通常是指一种运行在个人计算机上，具有传统的独立仪器功能的硬件与软件的组合， 它是计算机辅助测试( c a t ) 的最新发展形式，代表了未来仪器的发展方向，是当前测控领 域的热剧7 l i s 。 本课题是基于网络的螺杆泵性能测试系统的研究与开发。按照螺杆泵试验的国家标准 规定，设计测试系统实时采集参数，对数据进行集中处理、分析、计算、存贮、显示、传 输、控制和维护。从根本上改变传统的继电控制模拟采集人工处理的方式，为企业标称产 品性能提供准确的数据，同时为企业分析产品质量、改进工艺提供了决策依据。测试系统 设计中综合运用了液压测试技术、计算机网络技术、虚拟仪器技术，实现了信号采集、传 输与分析处理一体化和系统网络化。与传统的测试方法相比，本文提出的测试方法具有以 下优点：一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享，大大降低系统成本；另一方面还有 利于扩展测试系统和提高测试效率和精度。因此本套测试系统的研究和开发有着重要意 义。 1 2 国内外螺杆泵性能测试系统研究现状 在国内，对螺杆泵性能参数的测试多采用手工测试和基于d o s 环境下的自动测试等传 统的测试手段。手工测量，不仅工作效率低，而且测试数据的可靠性会受人为因素的影响； 基于d o s 环境下的试验系统则存在界面不好等问题。这些缺点使得传统的测试手段相对滞 后。近几年，我国对螺杆泵性能测试系统研究有了较快的进展，在装备螺杆泵试验装置的 同时，对螺杆泵进行了综合的室内检测及模拟试验研究，从而有效地避免了早期失效等问 题，提高了螺杆泵的运转寿命f 9 】。大庆油田自1 9 8 6 年引进螺杆泵以来，开发了g l b l 2 0 2 7 、 g l b 4 0 4 2 和g l b 5 0 0 1 4 等一系列的深井采油螺杆泵，并进行了大量的现场试验和室内试 验研究，取得了很多有价值的研究成果【l0 1 。西安石油大学机械工程学院于2 0 0 0 年研制成功 一种非接触式扭矩、轴向力、转速一体化测试传感器及其信息采集仪，可以将螺杆泵系统 杆柱的扭矩、轴向力和转速等信息进行采集，并且能将其送入计算机【1 1 1 。上海东方石油设 备有限公司与西安石油学院合作，研制开发了基于w i n d o w s 环境下的螺杆泵性能自动测试 系统。该系统能够实现数据的自动采集与分析，螺杆泵转速及运行工况的自动控制，螺杆 泵压力一流量、效率一流量( 压力) 、轴功率一流量( 压力) 等性能曲线的自动绘制及试验数据 存储、查询、打印等功能，同时具有直观方便的人机界面【加】。安徽黄山工业泵厂，作为国 内生产螺杆泵的骨干企业，近些年也一直致力于性能测试系统的研究。现有国内一流的螺 杆泵检测中心，可就螺杆泵的流量、压力、振动、噪音等所有性能进行检测。 在国外，由于微机和电子技术发展较快较早，计算机辅助测试系统的设计水平也较高。 有许多液压元件制造公司已经把计算机辅助设计系统用于产品的研制开发、设计定型、生 产定型和出厂检验，如美国的s u n d s t r o n 公司的液压传动试验室的测试系统。早在 1 9 8 1 年日本油控业展览会上，日本制钢所就展出了柱塞泵效率试验台。英国国家实验室 在8 0 年代拥有了计算机控制的i s o 标准试验系统，法国机械工业研究中。i 二, ( e t i t ) 也做了 类似的工作 1 2 - 1 5 。 上面介绍的国内外螺杆泵试验系统，许多元件制造商和科研机构已经研究开发了性能 良好的试验系统，但是实践证明这些试验系统还存在着诸多的不足之处。它们大部分都不 是针对螺杆泵全面性能测试，只是针对螺杆泵的某一类或者某一些特性开发的，比如只是 测效率或者流量；这些试验台基本都是原来试验台的升级，没有采用液压测试的新技术； 它们很多都是基于v c + + 、v 1 3 等开发语言和传统计算机采集卡，很少采用成套的虚拟仪器 系统，影响了系统的继承性和扩展性，延长了开发周期，影响了系统性能。 为了弥补这些不足，针对螺杆泵性能测试特点，通过综合运用各项相关新技术，专门 开发一套基于虚拟仪器的测试系统具有重要的现实意义【1 6 1 。 1 3 虚拟仪器技术介绍 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是以通用计算机为核心的硬件平台，由用 户设计定义具有虚拟面板测试功能的一种计算机仪器系统。将其运用到液压测试领域便是 一种典型的液压测试系统。虚拟仪器技术虽然起步较晚，但发展非常迅速，在科研开发、 计检、测控领域得到了广泛的应用。如：比利时i n t e r s o f i 电子工程公司的r a s s - - p d p 和 r a s s s 软件；美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、试验、仿真系统；挪威c a r d i a c 公 司的基于l a bv i e w 平台的测试北海油田石油、大气、水流的m p f m 系统等。虚拟仪器 的开发和研究在国内尚属于起步阶段，但是也取得了一定的成果。清华大学应用虚拟技术 构建的汽车发动机性能出厂检测系统；电子部三所的仪器自动计量控制系统；石油科学研 究院研制的小型石油精炼试验系统等；另外航天局8 0 9 所、上海8 0 3 所、上海交通大学、 西安交通大学、浙江医科大学以及东方振动和噪声技术研究所等高校和公司在研究和开发 虚拟仪器产品、虚拟仪器设计平台以及消化吸收m 等产品方面做了大量工作，其成果已 在自动计量控制系统等方面得到广泛的应用【l7 1 。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测 2 量仪器领域发展进入了一个崭新的阶段。本课题运用虚拟仪器技术对螺杆泵性能测试系统 进行开发，取得了很好的效果。 1 4 本课题研究的内容 1 4 1 项目内容介绍 本课题来源于我校与黄山工业泵厂合作的螺杆泵性能研究项目。黄山工业泵厂， 是中国螺杆泵行业龙头企业，主要生产h s n 、h s p 、y s n 三个系列三螺杆泵和2 g 、2 g r n 、h w 、 y w 四个系列双螺杆泵螺杆。为了保证螺杆泵出厂产品的质量，在其出厂之前应对其进行出 厂试验。公司目前采用传统人工读二次仪表，记录数据，然后进行分析的检测方法，完成 对即将出厂的螺杆泵进行检测。该测试方法不仅效率低，且会出现诸多人为误差。为了改 进生产、保证产品质量、提高产品测试效率和精度，该厂提出了此合作项目。任务是设计 一套螺杆泵性能测试系统，实现对性能参数的自动、实时检测。项目完成后将应用于实际 生产，实现提高生产效率和产品测试精度的目的。 系统的设计参照中华人民共和国国家标准一三螺杆泵g b t 1 0 8 8 6 2 0 0 2 和中华人民共 和国机械行业标准一螺杆泵试验方法j b t8 0 9 1 1 9 9 8 。 1 4 2 螺杆泵性能测试系统初步方案 测试系统主要是对螺杆泵的性能参数进行检测和实时采集，完成其扭矩、转速检测、 进出口压力检测、流量检测、温度检测和伺服电机调速等任务，为了实现不同工况下的测 试，需要对电机进行调速。初步设计方案如下图1 1 所示。 - 其他 计算机h 。h 、! 计算 伺服控 t 、，a 牡蝙 机 j 。7 “t oo “ l r $ 4 8 5 制单元 a d或者 数柝处理 1 r 扭矩、速 伺服电机 r 度传感器 叫数据采集卡 占 l 。 t 。 ll l 螺杆泵 l7 l 压力、温度、流量度传感器 图1 1 初步设计方案框图 设计的方案包括三个方面的内容： 1 设计系统底层数据采集卡，负责从传感器将各个参数以采集模拟量或脉冲量的方 式采集进来，经过a d 转换或一定的公式换算将其转换数字量，再经由r s 4 8 5 口将其存 入计算机中。采集卡还有一个功能是控制电机转速。它接收上位机命令，并将其传来的速 度指令进行d a 转换，控制伺服电机转速。 2 设计系统上位机界面，对采集到的数据进行实时显示、生成曲线和数据报表。 3 3 组建局域网络，可以对上位机的数据图表进行共享，实现检测状况的远程监控。 这是在完成项目任务的基础上，提出的创新点。 1 5 主要任务及安排 1 螺杆泵性能测试用设备选型。 2 设计基于单片机的具有a d 、d a 转换、和r s 4 8 5 通讯功能的多路信号采集卡。 完成其硬件设计和软件编程。 3 学习运用l a b w i n d o w s c v l 8 0 软件，设计上位机界面并编程实现功能。界面包括 的参数有：螺杆泵进、出口压力、扭矩、速度、温度、流量和轴功率。软件编程利用 l a b 啪n d o w s c v i 中的串口，实现上位机与数据采集卡之间的通信。 4 搭建局域网络平台，实现数据图表的远程实时监控，系统运用l a b w i n d o w s c v i 自带的d a t a s o c k e t 控件组建基于c s 模式局域网络。 1 6 本章小结 本章主要叙述了螺杆泵性能测试系统的研究意义，通过对国内外螺杆泵性能测试系统 的设计技术的发展、研究现状的分析，指出了研究螺杆泵测试试验台的重要性；通过加入 一些新元素，提出了利用计算机虚拟仪器测试和进行远程监控的设计思想；最后概括了论 文所要完成的任务及安排。 4 第2 章螺杆泵试验方法及待测参数分析 螺杆泵性能试验是为了测试泵的压力、流量、轴功率，并确定泵的压力一流量、压力 轴功率、压力一效率等性能曲线。国标( j s r r8 0 9 1 1 9 9 8 ) 对螺杆泵试验条件、试验项目和试 验方法有着详细的规定。 2 1 试验内容 根据国标规定，螺杆泵性能试验应包括以下内容： 1 性能试验按试验类型的不同分为两组： 性能试验i 组仅在零压力点和规定压力点上测量泵的流量和轴功率。 性能试验l i 组应在零压力点和规定压力范围内测量泵的流量和轴功率。 本系统主要进行性能试验i i 。 2 性能试验应从出口压力调节阀全敞开的零压力点开始进行： 对性能试验组，测量点应均匀地分布在规定的压力范围内，一般不少于六个 不同的压力点。 3 性能试验的持续时间应该足够，以获得一致的结果和达到与得试验精度： 每测一个压力点应该在同一时刻计量压力、流量、转速、轴功率和介质温度等， 各计量值均记录三次，计算时取其算术平均值 1 8 - 1 9 】。 2 2 试验条件 2 2 1 试验介质 试验的介质要求应满足下面几条： 1 试验介质，若无特殊要求一般采用石油分馏油( 以下简称油介质) 。本系统采 用的是油介质。 2 对油介质，规定下列粘度值为介质试验介质粘度值：4 0m m 2 s ，7 5m m ：s ， 1 5 0i l l n 1 2 s ，3 8 0m m 2 s ，7 6 0 m m 2 s 。 3 当试验介质的粘度与规定粘度不同或者因试验中液温的改变使试验介质粘度 发生变化时，应按照规定的计算公式将实测粘度下的试验数据换算为规定粘 度下的参数【8 i 。 2 2 2 试验转速 试验的转速应采用规定的转速( 或在其5 范围内的实测速度) 下进行试验。当实 测转速与规定的转速不同时，应按照规定的计算公式，将实测转速下的试验数据转换成规 定转速下的性能参数。 2 2 3 试验装置 1 试验装置需要采取有效措施来保证通过测量截面的液流具有如下特性：轴对称分 布速度；等静压分布；无装置引起的漩涡。 2 保证上述条件的基本措施，是在被试泵的进、出口回路上应用平直管段和具有静 5 液面的大储油罐。对被试泵进、出口平直管段的要求，以泵进、出口直径d 计算，进口 平直管长不小于1 2 d ，出口平直管长不小于4 d 。 2 3 测试 2 3 1 测试精度 性能试验中各参数测试的精度分为b 级和c 级，各级对计量仪器、仪表的容许系统 误差范围，是指测得的数据以及由这些数据算出的量的误差范围，它表示测得性能与实际 性能之间的最大可能差异。 凡是经过校准或通过与有关的国家标准相比较，证明其测量误差不超过表2 1 规定的 范围的任何测试设备或方法均可使用。 表2 1 计量仪表的容许系统误差范围 计量仪表的容许系统误差范围 测定量 b 级c 级 压力 1 o2 5 流量 1 52 5 轴功率1 02 5 原动机输入功率1 0 2 0 转速 o 21 0 2 3 2 最大总误差限 如果符合表2 。1 所规定的仪表系统误差并遵循标准的实验方法，则可认为总的误差限 将不会超过表2 2 的规定。 表2 - 2 最大总误差限允许范围 最大总误差限允许范围 测定量 b 级c 级 压力 1 53 5 流量 2 o3 5 轴功率 1 53 5 原动机输入功率 1 53 5 转速 0 41 8 泵效率 2 。85 o 机组效率2 54 5 6 2 4 测试方法 系统总体测试方法包含以下几点： 1 流量测定：泵的流量测定及流量不确定度的估算均按g b t 3 2 1 4 的规定。 2 压力测定：压力测定包括以下内容：泵的压力指换算到泵基准面上的进、出 口压力；卧式的基准面是包括主杆中心线在内的水平面；立式泵的基准面是包 括吸入口中心线在内的水平面。 3 压力表：泵的压力和真空度的计量，一般采用弹簧压力表和真空压力表，压力 表必须垂直安装，测压仪表的选用和精度的要求均按g b 3 2 1 6 8 9 中6 3 2 的规 定。 4 取压孔：泵进、出口取压孔的位置以进、出口管径尺寸d 计算，应位于距进、 出口法兰2 d 的平直管段上。b 级精度试验台应为开设四个静取压孔的环形取 压。取压孔直径应为2 - - - 6 r a m ，长度不小于2 倍取压孔直径，取压孔内壁边缘 应清除毛刺。 5 转速的测量：泵转速的测量按g b 3 2 1 6 8 9 中的6 3 规定。 6 轴功率的测试：轴功率测试按g b 3 2 1 6 8 9 中的6 4 1 和6 4 2 的规定。当通过 测量与泵直接联接的电动机的输入功率来确定泵的轴功率时，使用的电动机的 效率应按g b l 0 3 2 和g b l 3 1 1 的规定方法进行确定。 7 温度的测量： 温度的测量应满足以下条件：试验介质的温度、泵零部件的温度及环境温度的 测量，均应选用精度为1 的温度测量仪器，若选用温度计时，刻度不大于 1 ；环境温度应在离开泵1 - 2 m ，且无辐射和偶然流动的冷热风处测量；试验 介质的温度应在进口平直管段不小于4 d 的管路内测量，温度计应与管内流体 成4 5 。逆流内装，且温度计的感温部分应全部置于介质中。 8 粘度的测试：运动粘度的测定按g b 2 6 5 的规定进行。试验介质的粘度应定期 进行测定，并绘制粘度温度特性曲线。 2 5 性能参数的计算与换算 2 5 1 流量的计算与换算 1 零压点规定转速流量 试验时，当进、出口压力调节阀全敞开，流量表示值近似为零点规定转速流量。 若进、出口压力调节阀全敞开而出现进口压力示值为0 0 5 - , - 0 0 3 m p a 或出口压力示值 不大于0 0 5 m p a 时，均视为进、出口压力示值为0 。 零压点规定转速流量按式( 2 1 ) 计算： ” q o 。= q o ( 2 一1 ) 7 q o = 3 6 0 0 v o 。 ( 2 _ 2 ) 式中，q o 。为零压点规定转速下的体积流量，单位为m 3 h ，q o 为零压点实测体积流量，刀 为规定转速，为零压点实测转速，为零压点计量容量，单位为m 2 h ，岛为零压点流 量计量时间，单位为s 。 2 当试验转速、粘度与规定转速、粘度不同时，流量按式2 3 换算： 对油介质： 既： q o 一( q o q ) ( 旦) 。】旦( 2 - 3 ) v q = 3 6 0 0 l ( 2 - 4 ) f f 式中：k 一换算系数，q 。为压力点规定转速下的体积流量，q 为压力点实测体积流量，v 为实测粘度，1 ，为规定粘度，n j 为压力点实测转速。当v 兰1 ，时，k = 0 5 1 当v 1 ，时，k = 0 2 5 。 2 5 2 压力的计算与换算 1 出口压力 p a = 嘭+ p g z d x 1 0 呐 ( 2 - 5 ) 式中：办为出口压力，乃出口压力表中心至基准面的垂直距离，当采用压力传感器时， 乃为测压点至泵的基准面的垂直距离，当压力表中心或传感器测压点低于泵基准面试，乃 为负值。 2 进口压力 见= q + p g z , x 1 0 呻 ( 2 - 6 ) 式中：n 为进口压力，g 真空度，若泵进口由倒灌或增压装置形成高于大气压时应为 正值；若泵进口由抽吸或倒灌但通过进v i 压力调节阀形成真空时应为负值。z s 一进口真空 表中心至基准面的垂直距离，当采用压力传感器时，z 。为测压点至泵基准面的垂直距离， 当真空表中心或传感器测压点低于泵基准面时，z 。为负值。 2 5 3 轴功率的计算与换算 1 实测轴功率的计算如公式( 2 7 ) 所示： p 12 蒜( 2 - 7 ) 其中，b 为实测轴功率，乙，为实测扭矩。 8 2 零压电规定转速下轴功率按式( 2 8 ) 计算： 刀 p o 。= p o 一 ( 2 - 8 ) 其中，岛。为零压点规定转速下的周功率，风为零压点实测轴功率，刀为规定转速，为 零压电实测转速。 3 当试验转速、粘度与规定的转速、粘度不同时，轴功率按式( 2 9 ) 换算： 对于油介质 = 【( b p o ) + p o 亡) 0 3 】旦( 2 9 ) 一 其中，为压力点规定转速下的轴功率，只压力点实测轴功率，p o 为零压点实测轴功率， 琅为压力点实测转速。 4 泵的输出功率按式( 2 1 0 ) 计算： p v2 袁p l q i n ( 2 - 1 0 ) 其中，见为泵输出功率，只为压力点实测功率，统压力点规定转速下的体积流量。 2 5 4 效率的计算 1 容积效率按式( 2 11 ) 计算： 仉= 赛灯o o 陋 公式中，仉为容积效率，统压力点规定转速下的体积流量，q o 为零压点规定转速下的 体积流量。 2 泵效率按式( 2 1 2 ) 计算： r ：盟1 0 0 ( 2 1 2 ) p m 式中，7 7 为泵效率，p m 为压力点规定转速下的轴功率。 2 5 5 流量、轴功率偏差计算 1 流量偏差按式( 2 1 3 ) 计算： q = ( 1 一告) 1 0 0 ( 2 - 1 3 ) 上式中，q 为流量偏差，瓯压力点规定转速下的体积流量，q 为规定体积流量。 9 2 轴功率偏差按式( 2 1 4 ) 计算： 卸= ( 盟一1 ) 1 0 0 ( 2 - 1 4 ) p 式中，p 为轴功率偏差，p 为规定周功率，矾为泵输出功率。 2 6 螺杆泵性能参数测试小结 根据上述螺杆泵的性能计算公式可见，螺杆泵性能测试中需要测量的参数应该包括进 口压力、出口压力、输出流量、泵轴转速、泵轴输入转矩。试验过程中需要计算的值有容 积效率、总效率、输出功率、输入功率。试验结果输出的曲线有螺杆泵的性能曲线、等效 率曲线、不同温度下性能曲线和压力流量曲线等。试验条件参数有油温( 进、出v i 处油温 和回油管道油温等) 、工作油粘度等。为了测试螺杆泵的性能参数b v ，同时为了保证系统 安全运行，系统应具有超压、超温、滤油器污染、低液位等报警功能，报警的同时采取相 关安全措施如卸荷、关闭泵源等。 在本试验台的设计中，压力传感器输出的进、出口压力信号为电压模拟信号，流量传 感器和扭矩、速度传感器输出均为脉冲信号。设计的基于c 8 0 5 1 f 3 3 0 单片机的数据采集 卡配有多个模拟采集通道、模拟输出通道、计数通道和多个数字开关量的输入输出通道， 因此试验台的开关控制，试验状态调整，各类信号的采集均可以通过计算机控制实现。 2 7 本章小结 本章主要讨论了测试系统的试验性质、试验项目和试验方法。同时，对待测参数进行 了分析，包括对一些计算和换算的公式介绍。最后概述了螺杆泵试验状态控制和参数采集、 处理、输出原理。 l o 第3 章螺杆泵液压测试试验台 本文介绍的测试系统主要由螺杆泵液压试验台、数据采集卡和上位机系统组成。其中 液压试验台由螺杆泵、液压油路、传感器、伺服电机等组成。螺杆泵试验台的数显仪表一 端连接传感器信号线，数据可通过信号端子传送到数据采集卡的接线端子板，再通过串口 输入到计算机。数据采集卡以单片机为核心，完成对性能参数的采集和对螺杆泵转速的控 制。上位机系统主要用基于l a b w i n d o w s c v l 8 0 软件编程实现对所采集到数据的实时显 示、曲线和数据报表的生成。上位机与数据采集卡之间的通信协议为自定义。 设计的螺杆泵液压测试试验台具体装置如附录图1 所示。 3 1 螺杆泵试验台介绍 3 1 1 液压测试试验台工作原理 本液压测试系统根据最新国家标准g b t 1 0 8 8 6 2 0 0 2 和螺杆泵试验方法m t 8 0 9 1 1 9 9 8 ，设计的试验台液压系统图如图3 1 所示。系统中加入了新型的传感器，伺服 电机，各类智能仪器仪表( 转矩转速仪器仪表，压力表，温度表) 等，实现了计算机控制试 验过程和采集试验数据。 卜油箱2 一滤油器3 一油温油位计4 一加热器5 一冷却器6 、7 一截止阀8 、9 一温度计 1 0 - 真空表1 1 - 螺杆泵1 2 - 伺服电机1 3 一压力表1 4 - 溢流阀1 5 、1 6 一节流阀1 7 一流量计 图3 1 螺杆泵性能试验台液压系统图 试验台工作原理：为了现场模拟不同转速下的工况，试验台的设计中增加了电机转速 控制这一项。设计中选用了日本安川伺服电机对螺杆泵进行驱动。电机的转速由伺服驱动 单元控制。根据，安川伺服电机使用说明手册，外界将模拟电压输入伺服驱动单元去控制 伺服电机，从而拖动被试螺杆泵，控制被试螺杆泵的转速。扭矩转速仪用来观测输入转速 转矩值。电磁阀控制被试泵的出口压力的加载。系统还配备了卸荷阀、远程压力传感器、 温度传感器和齿轮流量计。试验时先调节伺服电机转速来控制被试泵的转速使之达到设定 要求，然后控制电磁阀给被试泵加载，通过进出口压力传感器采集进出口压力值；扭矩转 1 1 速仪采集被试泵的输入扭矩和转速值，椭圆齿轮流量计采集管内流量。空载流量测量时可 以打开电磁阀使被试泵卸荷。 3 2 试验台的检测系统 螺杆泵试验台的检测基本流程图如图3 - 2 所示。 图3 2 试验台检测及控制流程图 具体的检测步骤说明： 主电机调速系统由伺服电机、伺服驱动单元组成。通过伺服驱动单元调节伺服电机 的转速，电机转轴与螺杆泵驱动轴同轴连接，继而实现螺杆泵转子的无级调速。 扭矩转速检测系统由扭矩转速传感器、扭矩转速仪组成。扭矩转速传感器也与螺 杆泵轴同轴连接。螺杆泵工作时将转矩、转速信号以方波频率的形式输送给数据采集卡。 再由数据采集卡计数器采集一定时间段内的方波脉冲数，经过数据处理，通过r s 4 8 5 串口 传输将其送入计算机。 进口和出口压力信号采集主要使用压力传感器。输出信号以电压模拟量的方式进入 数据采集卡。再由a d 转换电路将这些信号进行模数转换，以数字量形式通过串口送入计 算机。油温的采集方式，与压力的相同。 流量的采集选用了椭圆齿轮流量计。输出的流量信号为电压脉冲信号。系统中先设 置一定的采集周期，通过数据采集卡，读出在这个周期内的脉冲个数，然后经过一定的公 式换算，将其转换为流量值，经串口输入计算机中。 1 2 3 3 试验台设备选型 3 3 1 电机选型 电机作为螺杆泵的驱动设备，在实验台安装中，它的主轴与螺杆泵的主轴同轴连接。 因此，实现电机的调速，也就实现了螺杆泵的调速。螺杆泵的性能测试要求对其转速进行 相对平稳地调节，所以调速装置的选择是很重要的。本课题中螺杆泵试验台选用了日本安 川伺服电机来驱动被试泵。 安川伺服电机较之其他电机设备具有以下优点和特性。 1 采用独特算法，使速度频率响应提高了2 倍，定位超定位超调整定时间缩短为以 往产品的1 4 。 2 具有共振抑制和控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位。 3 具有全闭环控制功能，通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高 系统精度。 4 内藏频率解析机能( f f t ) ，从而可检测出机械的共振点，便于系统调整。 5 安川伺服电机配有r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 c 通信口，上位控制器可同时控制达1 6 个轴 2 0 - 2 h 。 这套伺服系统配备专门的驱动单元对电机转速进行控制。控制运行的指令形式为模拟 电压。指令控制器与伺服驱动单元之间的连线图如图3 3 所示。 当使用可编程控制器等在指令控制器进行速度控制时，连接到指令控制器的速度指令 输出端子上。 指令控制器伺服单元 c n l 速度指令v r e f 输出端子 s g 图3 3 指令控制器与伺服单元连接图 设计的指令控制器为c 8 0 5 1 f 3 3 0 型单片机。输给伺服控制单元v r e f 的模拟量的电压 来由单片机系统d a 转换生成。 由上面的连接图，又根据安川电机使用手册，电机的转速与外界给予伺服驱动单元的 电压成正比。本系统用的被试螺杆泵的额定转速为1 5 0 0 r m i n ，根据伺服单元内部驱动电 路，当电机的转速达到最大额定转速时，对应输入的电压应为1 2 v 。转速与模拟电压成正 比例关系，因此，我们可以计算出比例系数，绘制曲线，设计相应电路。具体电机转速与 伺服单元输入模拟量电压关系如图3 4 所示。 图3 4 电机转速与伺服单元模拟电压关系图 上图中看出电机转速与输入电压的比例系数为1 2 5 。 3 3 2 各传感器、二次仪表的选型 1 压力表 计算机软件能够对传感器进行非线性校正，因此选择传感器时，首要考虑精度要求而 把传感器的线性度要求放在次位，同时考虑传感器在动态性能上的工作频率是否满足要 求。本系统选用的是上海仪川仪表厂的电阻远传压力表，精度2 ，量程为2 5 m p a 。电阻 远传压力表适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。在 仪表内部设置了滑线电阻式发送器，使被测值以电量的方式传至远离测量点的二次仪表 上，以实现集中检测和远距离控制。此外，本仪表能现场显示压力，便于现场工艺检查。 2 温度计 试验台系统为了测试螺杆泵工作时的油温需要用到温度计。现选用的温度计为上海东 方仪表厂的压力式温度计w t z - 2 8 0 。该型号压力式温度计适用于2 0 米之内的液体、气体 和蒸汽温度的测量，可以现场显示温度，安全可靠，使用寿命长多种结构形式，可满足不 同的现场要求。 3 扭矩速度仪 转矩、转速是螺杆泵性能测试中的重要参数，它们的测量精度将影响到整个系统。选 用北京世通科技有限公司的型号为t q 6 6 0 的转矩转速仪和配套的仪表。它具有内部采用 独特非接触传递方式输入、输出信号、抗干扰能力强、精度高、稳定性好等特点。此传感 器测量扭矩的量程为o 1 0 0 n m ，扭矩输出信号为方波频率。零点扭矩输出频率为1 0 k h z ， 正向满量程输出频率为1 5 k h z ，反向满量程输出频率为5 k h z 。由于本试验台中，螺杆泵 转动实际输出的扭矩只能有正向扭矩，输出的方波频率为1 0 - - - 1 5 k h z ，所以选的传感器量 程为o 一1 0 0 n m 。对于转速的测量，在此传感器的外壳上安装专用的测速传感器及测速轮， 即可测的。具体测量原理： 1 4 ( 1 ) 转速测量原理 转速信号为方波频率，根据型号说明，电机转动时，可以测得每转6 0 个方波的转速 信号。由此可计算出，单片机每秒钟检测到的脉冲数即脉冲频率，在数值上恰好等于电机 每分钟的转速值。得出速度换算公式为： = 嚣w ( 3 - 1 ) 6 0 。 、 式中，n 为转速( r m i n ) ；f 为实测转速输出频率值( k h z ) ，k 为量纲系数。 ( 2 ) 转矩测量原理 转矩信号也为方波频率信号，在有效的量程范围内，传感器的转矩频率输出与对应的 转矩值成线性关系。实际应用中，如果测量准确度要求不超过标准值，一般不需要通过逐 段参数标定来完成计算。转矩测量计算公式如下： 正向转矩输出值为： 丝却竽1 0 0 ( 3 - 2 ) 式中m ，为正向转矩值，单位为n m ，f 为实测转矩输出频率值( k h z ) ，毛为量纲系数。 4 流量计 试验台通过选用新型椭圆齿轮流量计，并配以q f 发信器，使流量信号转化为电脉冲 信号，经由数据采集卡记数处理，实现了测试的自动化。此椭圆齿轮流量计由合肥仪表总 厂生产，型号为l c a 4 0 a 1 q f i 。l c 系列型椭圆齿轮流量计，装有现场指针显示、齿轮 累计计数装置，可以直接显示流经管道内的液体累积流量。此流量计中的q f i 发信器是 一种转轴角位移传感器，它与l c 系列椭圆齿轮流量计配套使用，可将被测介质的流量转 换为电脉冲信号，供远传使用。它具有无触点，发信可靠；传输距离远，方波输出等优点。 3 3 3 电磁阀 电磁阀在此液压测试试验台中扮演着辅助调节出口压力的角色，使系统不仅构造简 单、可靠，又能满足大多数测试