离心泵四象限运行特性曲线试验系统.docx

离心泵四象限运行特性曲线试验系统杨绪剑 , 张策 ,(哈尔滨工业大学 (威海 ) ,王丽平山东威海 264209 )摘要 : 出于安全考虑 , 一些特殊的客户群需要离心泵的四象限运行特性曲线 , 以确定多台泵联合运行时各泵可能出现的工况 。传统的四象限运行特性曲线的试验通过人工完成 , 效率低且精度差 。本文结合实际介绍了离心泵四象限运行特性 曲线自动化试验系统的测试回路 , 并给出了测试系统的硬件方案和软件设计方法 。关键词 : 离心泵 ; 特性曲线 ; 四象限运行 ; 扬程文章编号 : 1001 - 3881 ( 2008 ) 4 - 071 - 2中图分类号 : th311文献标识码 : ate st sy stem of four qua dran t o pera t ion c urve of c en tr ifuga l pum pyan g xu jian, zhan g ce, wan g l ip ing( h a rb in in stitu te of techno logy a t w e iha i, w e iha i shandong 264209 , ch ina)a b stra c t: som e sp ec ia l u se rs wan t the p roduce r p rovide p ump fou r quad ran t cha rac te ristic cu rve fo r the sake of secu rity, wh ich can be u sed to dec ide ind ividua l op e ra tion cond ition unde r the c ircum stance of two o r mo re p ump s a re u sed jo in tly. the trad itiona l m anua l te sting m e thod is ineffic ien t and the p rec ision is ve ry low. the au tom a tic fou r quad ran t cha rac te ristic te st system of cen trifuga l p ump wa s in troduced, and the imp lem en ta tion m e thod of the ha rdwa re and softwa re of the te st system we re given.keyword s: cen trifuga l p ump; cha rac te ristic cu rve; fou r quad ran t op e ra tion; l ift1 泵的四象限运行特性曲线 1 如图 1 所示 , 为离心泵的四象限运行工况特性曲 线 。各曲线的说明如表 1 所示 。离心泵在正常工作时 , 其流量 q、扬程 h、转速n 均为正值 , 即液体由泵的入口流向出口 ( q 0 ) , 液体在泵的出口处的能量或压力比入口处得到提高 ( h 0 ) , 叶轮向着其工作面方向转动 ( n 0 ) 。但在若干台泵联合使用特别是并联使用的情况下 , 有可能由于泵之间的匹配或出现故障等原因而引起某个泵工 作在非正常情况下 。一些特殊的用户 , 如小型水电 、军工等 , 出于安全考虑 , 需要泵生产厂家提供离心泵的四象限运行特性曲线 。传统的手动测试方法效 率 低 , 并且由于采用人工拟合曲线 , 精度也难以达到要表 1曲线说明工况qhnppu对应曲线e 2k b 2d e 2f k2p o 2i o 2g o 2j o 2h a 2ca 2b正常运行水轮机工况 制动工况 制动工况 特殊工况 (m = 0)特殊工况 (m = 0) 特殊工况 ( n = 0 ) 特殊工况 ( n = 0 )特殊工况 特殊工况 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+00-+-+0000+-+求 。为了提高测试效率和精度 ,测试系统 。有必要开发自动化的水轮机未达到同步转速各参数符号规定如下 :流量 q : 液流从泵的进口处向出口方向流动时 ,流量为正 , 反之 (反冲 ) 为负 ;扬程 h: 泵出口处的能量 (压力 ) 大于出 口 处 时 , 扬程为正 , 反之为负 ;转速 n: 泵的叶轮向着叶轮叶片工作面方向转动时 , 转速为正 , 反之为负 ;泵的输入功率 p: 原动机传递给泵时 , 输入功率 为正 , 反之为负 ;泵的输 出 功 率 pu : 液 体 流 经 泵 后 能 量 增 加 时 ,图 1 四象限运行特性曲线收稿日期 : 2007 - 06 - 13作者简介 : 杨绪剑 ( 1981 ) , 男 , 哈尔滨工业大学 (威海 ) 汽车学院助教 , 研究方向为工业机器人技术 、自动检测技术与 信号处理 。电话 :, e - m a il: jobyxj 1261com。72机床与液压第 36卷输出功率为正 , 反之为负 。2 测试方案及硬件组成由图 1 可知 , 泵的四象限运行曲线为连续曲线 , 而在工程测试中不可能无限制地设置被测点 。传统的 测量方法采用一次仪表 , 设置多个被测点 , 直接读取被测点的各项参数 , 最后人工拟合曲线 , 这种方法费时费力 , 测量精度低 , 且受人为因素影响较大 。因此 笔者采用工业 pc为平台进行自动测试 , 测试系统的各种数字量 、模拟量的输入输出以及驱动等采用成熟的板卡实现 ; 由通用软件 vb 结合专业的数学处理软 件 ma tlab 进 行 数 据 处 理 、打 印 表 格 、绘 制 曲 线 、自动显示结果等 。 泵的测试回路如图 2 所示 。其原理如下 :测试系统的控制部分硬件框图如图 3 所示 。图 3 控制硬件框图数字量输 入 : 试 验台 中 各 位置 信 号 、按钮 信 号 等 。数字量输出 : 换向阀及离合器的控制信号 、指示 灯等 。模拟量输入 : 流量计的流量信号 、发电机的电压 信号 (调理后 ) 。模拟量输出 : 电磁比例溢流阀的控制信号 、变量 泵的排量调节信号 、变频器转速控制信号 。3 软件系统设计测试 系 统 软 件 的 主 控 程 序 和 界 面 采 用 v isua l b a sic 610 编制 , 充分利用 vb 语言在编制用户界面友 好性方面 的优 势 。但 是 vb 在 数 据 处 理 方 面 表 现 不佳 , 所以本系统的软件系统采用多种语言混合编程 。软件 系 统 的 设 计 采 用模 块 化 设 计 思 想 , 使得程 序 结 构 清 晰 , 各 模块均 独 立 完 成 一 个 独 立 的功 能 , 便 于 系 统 功 能的扩 展 和 维 护 。根 据 其 实现 的 功 能 , 主 要 包 括图 2 测试回路被测泵通过电磁离合器与直流发电机和变频电机 连接 。在测试泵的水轮机 工 况 时 , 电 磁 离 合器 4 脱开 , 电磁离合器 3 闭合 , 被测 泵 带动 直 流 发电 机 旋 转 , 从而测得其输出功率 。在正常工况下 , 电磁离合器 4 闭合 , 电磁离合器 3 脱开 , 由电机拖动被测泵 ,为了使泵工作在不同的转速 , 采用变频器对电机进行 无级调速 。在测试回路中 , 设置了两组辅助泵系统 , 分别由 两个换向阀 , 一个电磁比例溢流阀和一个变量容积泵组成 。换向阀用于切断或接通不同的回路 , 改变液流的方向 ; 电磁比例溢流阀用于控制变量泵的出口 压 力 , 以调节被测泵的工作压力 ; 变量泵的排量通过电磁比例阀来调节 ; 被测泵的实际流量 、实际流速 、出口入口压力分别通过流量计 、流速计和压力计来 测 取 。所有的控制信号均通过计算机控制 , 那么 , 系统可以通过启动不同的辅助泵 、控制其排量 、启闭相应的阀门以及调节辅助泵的出口压力 , 使被测泵运行在 各种不同的工况 。在每种工况的曲线上分别测取若干点 , 即可拟合出泵的运行特性曲线 。初始化模块 、主控模块 、数据 采 集 模 块 、数 据 处 理模块 、显示以及其它辅助功能模块 。软件系统的结构框图如图 4 所示 。为了实现动态数据采集和处理 , 采用 vc 610 编制 硬件端口访问 dll 函数 , 数据的采集通过 vb 主程序调用 dll 函数实现 。这样既能保留 vb 界面的灵活和 友好 , 又能发挥 dll 在 w indow s环境下多个应用程序之间可共享代码和资源 , 从而提高运行效率的优势 。数据处理模块是软件系统的核心 , 其处理速度和 精度关系到整个系统的运行效率和数据的可靠性 。本软件系统的数据处理模块采用 ma tlab 610 编制 。ma tlab 是目前影响力较大的数据处理分析计算 软件 , 具备强大数据处理和曲线绘制能力 , 操作简便并能够与其它语言程序方便地无缝链接 。在 vb 中调 用 ma tlab 的实现方法有多种 , 比较常用的是利用ma tlab 的 动 态 数 据 交 换 服 务 功 能 和 ma tlab 的(下转第 76页 )图 4 软件系统结构76机床与液压第 36卷( 2 ) 在设定流量为 400l /m in (泵送频率为 2313次 /m in) , 换向时间为 0150 s时 , 泵送缸中的活塞杆 在 2170 s时 , 就达到其终点行程 2100m , 见图 6 ( a) ,并持续一段很短的时间 , 此时系统压力急剧升高 , 在2175 s时 , 最高压力可达 3219m pa, 见图 5 ( a) 。当活 塞杆开始返回 , 系统的压力又急剧下降 , 形成极大的液压冲击 。而当换向时间缩短 (提高摆动回路的响应速度 ) , 换向时间为 0138 s时 , 泵送缸中的活塞杆 在 2150 s时 , 此时活塞杆最大行程 1198m (没有到达 其终点位置 ) 就开始返回 , 见图 6 ( b ) , 系统的压力 波动较平缓 , 不产生极大的压力冲击 , 见图 5 ( b) 。( 3 ) 根据以上 ( 1 ) 、 ( 2 ) 的仿真结果分析可知 , 对于确定的输入流量 , 当换向时间不同时 , 系统的液 压冲击是完全不同的 。要提高系统的泵送频率 , 其换向时间要相应缩短 , 才可防止系统产生极大的液压冲击 。换向时间与活塞杆的运动时间不相匹配是引起系 统液压冲击的根本原因 。( 4 ) 图 7 ( a) 为蓄能器的设定压力为 16m pa, 设 定容量为 10l 时 , 分配回路进回油路压差稳定的时间为 0140 s。图 7 ( b)为蓄能器的设定压力为 16m pa, 设定容 量 为 16l 时 , 其 进 回 油 路 压 差 稳 定 的 时 间 为0126 s, 即通过提高蓄能器的公称容量可以有效改善 分配回路的响应特性 , 从而缩短换向时间 。由仿真结果表明 , 造成液压系统极大的压力波动(臂架剧烈振动 ) 和混凝土飞溅现象的根本原因 , 是 分配回路的响应时间 (固定值 ) 和活塞的运动时间(变化值 ) 不相匹配 。改进的方法有两种 : 其一提高分配回路的响应速度 , 可通过提高蓄能器的公称容积 的方法来缩短摆动缸的切换时间或改善换向阀 12 的中位机能来减小换向时的液压冲击 。这种方法可以防止系统产生极大的压力峰值 , 但不能消除混凝土飞溅 现象 。其二通过传感器检测活塞的速度 , 再利用逻辑电路或控制器的方法 , 来提前或延迟启动触发信号 ,使分配回路的响应时间和活塞的运动时间相匹配 , 从 而防止混凝土飞溅和系统产生极大的液压冲击现象 。2 结论根据以上液控换向过程及液压冲击分析 , 造成系 统极大的液压冲击和混凝土飞溅现象的根本原因是由 于从产生触发信号到主油路换向 , 要经过一定的 延时 , 其时间的长短基本上是固定的 (由分配系统中各组成元件的动特性决定 ) , 但是活塞从产生触发信 号到运动到行程终点的时间是变化的 , 它与系统的泵送频率 (活塞运动的速度 ) 有关 , 泵送频率高则其 时间短 , 泵送频率低则时间长 。由于分配回路的响应时间 (固定值 ) 和活塞的运动时间 (变化值 ) 不相匹配 , 从而在高频泵送时产生液压冲击 , 在低频泵送 时发生混凝土飞溅现象 。参考文献【1】赵志缙 , 赵帆 1 混 凝 土 泵 送 施 工 技 术 m 1 北 京 :中国建筑工业出版社 , 19981101【2】彭南越 1关于混凝土输送泵的若干问题研究 j 1建 设机械技术与管理 , 1999 ( 3 ) 1(上接第 72 页 )a c tivex自动化服务功能 。本测试系统的软件即利用a c itvex协议实现在 vb 调用 ma tlab 功能来实现其 混合编 程 , 充 分 利 用 了 ma tlab 强 大 的 数 值 分 析 、曲线拟合和图形显示能力以及 vb 优良的人机交互优势 ,共