基于PC的齒輪泵實驗臺設(shè)計

任磊，黃克英，賀治飛

(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西西安，710068)

0 前言

齒輪泵作為液壓系統(tǒng)常用的動力裝置廣泛的應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域，其外特性對于齒輪泵的選用具有重要的意義。齒輪泵的外特性雖然可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，但計算得到的結(jié)果往往和實際還是有偏差，因此利用實驗臺測量齒輪泵實際特性具有重要的意義。

傳統(tǒng)齒輪泵性能實驗臺自動程度低、操作困難。隨著計算機(jī)測控技術(shù)的發(fā)展，利用計算機(jī)進(jìn)行測量、控制的技術(shù)已經(jīng)變得非常成熟。本文針對傳統(tǒng)實驗臺存在的問題，利用計算機(jī)測控技術(shù)設(shè)計了一臺自動化程度高、操作簡單的齒輪泵實驗臺。

1 管路設(shè)計

實驗臺設(shè)計首先需要進(jìn)行液壓管路的設(shè)計，在進(jìn)行管路系統(tǒng)設(shè)計之前首先給出設(shè)計指標(biāo)，液壓管路系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：

油泵進(jìn)口壓力：0.02MPa；

油泵進(jìn)口油溫：-10℃～60℃；

油泵出口壓力：0MPa～12MPa；

油泵出口流量：O.01kg/s～0.195kg/s。

根據(jù)試驗條件，選用開式實驗臺[1]。燃油從油箱流出，經(jīng)過粗油濾、進(jìn)油閥到齒輪泵的進(jìn)口，因為需要測量齒輪泵進(jìn)口的壓力，所以在進(jìn)油閥和齒輪泵進(jìn)口之間安裝壓力變送器1測量齒輪泵的進(jìn)口壓力。齒輪泵由變頻器控制的異步電機(jī)驅(qū)動，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過變頻器進(jìn)行控制。在齒輪泵出口處安裝壓力變送器2，測量泵的出口壓力。在壓力變送器2后設(shè)置溢流閥和手動節(jié)流閥1，其出口直接通向油箱。當(dāng)管路壓力大于20MPa時，溢流閥開啟，為管路提供過載保護(hù)。然后燃油經(jīng)過精油濾至齒輪泵出口的壓力調(diào)節(jié)閥，壓力調(diào)節(jié)閥可以選擇手動調(diào)節(jié)或自動調(diào)節(jié)。手動調(diào)節(jié)方案：關(guān)閉截止閥，通過改變手動節(jié)流閥2的開度調(diào)節(jié)壓力。自動調(diào)節(jié)方案：關(guān)閉手動節(jié)流閥2，打開截止閥，通過電腦端上位機(jī)軟件來調(diào)節(jié)電動節(jié)流閥的開度調(diào)節(jié)壓力。在壓力調(diào)節(jié)裝置之后的主油路中安裝體積流量計，用來測量實驗過程中整個管路的流量，然后燃油將通過回油濾回到油箱。在整個管路系統(tǒng)的最低位設(shè)置放油閥，在需要時可以將管路的液壓油通過此閥排出。整個實驗臺管路設(shè)計中主要設(shè)備的選用表1所示，液壓油路圖如圖1所示。

圖1 燃油泵特性實驗臺油路圖

表1 液壓設(shè)備選型

2 硬件電路設(shè)計

齒輪泵采用異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，異步電機(jī)選擇晟昌SVM-75，其部分參數(shù)為：最高轉(zhuǎn)速為18000r/min、功率5.5KW，選用OPD EXP V系列變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在配置好變頻器的參數(shù)后需要通過一個開關(guān)量來控制變頻器的啟動與停止，可選用研華PCI-1730U數(shù)字IO板卡實現(xiàn)對電機(jī)的啟停的控制。

為了控制實驗臺齒輪泵出口的開度本文采用了華德液壓生產(chǎn)的2RFE10二通比例調(diào)速閥，該閥配有VT5004BS20型控制器可以控制比例調(diào)速閥開度并輸出位置信號。由于VT5004BS20型控制器需要單獨(dú)的供電模塊進(jìn)行供電，所以圖2中電源1僅為該控制器供電。為了使用計算機(jī)控制閥的開度并獲取位置信號，需要進(jìn)行模擬信號的輸出和模擬信號的輸入，因此選用研華PCI-1721模擬輸入板卡和PCI-1713模擬輸入板卡。

實驗臺中的溫度、壓力、溫度等物理量使用上潤公司的160×80系列智能儀表進(jìn)行處理與顯示，該儀表不但可以進(jìn)行實時顯示還可以利用MODBUS協(xié)議組網(wǎng)通訊。由于實驗臺使用的智能儀表、變頻器使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)，為了能和工控機(jī)的RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊選擇研華ADAM4520模塊進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)換。

為了放置信號采集卡、電磁閥控制器等模塊，設(shè)計了一個信號調(diào)理箱將上述模塊放入其中。對于采集卡中沒有用到的通道引入到調(diào)理箱面板上，方便以后擴(kuò)展。整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件連接圖

3 軟件設(shè)計

上位機(jī)測控軟件采用Labwindows/cvi進(jìn)行開發(fā)[3]，軟件需要實現(xiàn)的功能包含：讀取儀表組數(shù)據(jù)并顯示，控制電磁閥，控制電機(jī)啟停，運(yùn)行中數(shù)據(jù)存儲。為了實現(xiàn)這些功能前面板使用到的部分控件及控件的屬性如下表2所示。電動節(jié)流閥在初始化之后需處于全開狀態(tài)，所以將Dial控件的初值設(shè)定為100，代表開度為100%。

表2 前面板控件屬性

在設(shè)計好前面板后，點擊Code->Generate->All Code即可生成代碼。在生成的代碼中已經(jīng)包含了main函數(shù)和各回調(diào)函數(shù)，在main函數(shù)DisplayPanel語句之后還需要進(jìn)行初始。初始化過程首先停止了計時器，接著配置串口號、數(shù)據(jù)位等參數(shù)，然后調(diào)用研華庫函數(shù)DRV_DeviceOpen來打開設(shè)備，最后設(shè)置各板卡通道、增益等參數(shù)。

初始化結(jié)束后系統(tǒng)等待開始按鍵按下，開始按鍵按下后首先獲取Dial控件值將閥門設(shè)置到最大位置，完成后創(chuàng)建存儲文件，最后將系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位置一、打開系統(tǒng)運(yùn)行指示燈、啟動定時器計時。

在啟動了定時器后，系統(tǒng)開始在定時器的節(jié)拍的控制下周期的觸發(fā)定時器回調(diào)函數(shù)。定時回調(diào)函數(shù)中首先檢獲取控制閥開度的dail控件的值，然后利用這個值去設(shè)置閥的開度。閥開度反饋除以最大值并乘以一百折算到和dail控件同一范圍內(nèi)，方便后期的處理與計算。

4 總結(jié)

該測試系統(tǒng)使用LabWindows／CVI作為軟件開發(fā)環(huán)境，使用工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、比例流量閥控制器等作為硬件，詳細(xì)進(jìn)行了管路設(shè)計、電氣硬件設(shè)計、以及上位軟件設(shè)計。該系統(tǒng)自動化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定，降低了操作人員的操作難度。