礦用多功能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)礦山機(jī)械中的液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥和液壓缸等產(chǎn)品的檢驗(yàn)需要，研制了礦用多功能試驗(yàn)臺(tái)。本文介紹了試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)組成及其工作原理，并根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同，確定了合理的信息采集與控制方案，并應(yīng)用LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)的虛擬測(cè)試系統(tǒng)，提高了試驗(yàn)的可操作性和檢測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：多功能試驗(yàn)臺(tái)；工控機(jī)；PLC控制；LabWindows/CVI

煤礦機(jī)械根據(jù)其功能，大致分為煤礦的開(kāi)采、支護(hù)和運(yùn)輸設(shè)備三大類(lèi)。液壓系統(tǒng)作為煤礦機(jī)械的主要傳動(dòng)系統(tǒng)，其系統(tǒng)性能取決于液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥和液壓缸等液壓元件的質(zhì)量，將直接影響礦山機(jī)械的使用性能。而傳統(tǒng)的礦用液壓試驗(yàn)平臺(tái)，檢測(cè)手段落后，不能精確檢測(cè)液壓元件的性能，并且功能單一，致使試驗(yàn)設(shè)備資源的不能充分利用。為了完善液壓元件檢測(cè)手段，提高試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)適用范圍，項(xiàng)目組嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定的液壓元件的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，參考機(jī)電液一體化技術(shù)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)和PLC控制理論，研制了礦用多功能試驗(yàn)臺(tái)，為液壓產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，對(duì)煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1.試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)

本試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)，由液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)液壓系統(tǒng)和液壓閥缸試驗(yàn)液壓系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，整體實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓泵、液壓馬達(dá)、多路換向閥、壓力控制閥、流量控制閥、液壓缸等液壓元件的試驗(yàn)。

1.1.液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)液壓系統(tǒng)

圖1 液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)液壓系統(tǒng)

1、16、24、25、32、33、34、35、36-截止閥；2、37-真空表；3、38、51-電動(dòng)機(jī)；4、39、52-聯(lián)軸器；5-雙聯(lián)葉片泵；6、7、41、54-精濾油器；8、9-電磁卸荷閥；10、11、44-單向閥；12-低壓比例溢流閥；13-整流閥組；14、15、42、48、57-壓力表； 17、45、55-高壓比例溢流閥；18、26、49-流量計(jì)；19、27、50-流量傳感器；20-冷卻器；21-液位計(jì)；22、29、31-溫度傳感器；23-電加熱器； 28、30、43、47、56-壓力傳感器；40-比例變量泵； 46、58-電磁換向閥；53-定量泵

液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)大體由補(bǔ)油系統(tǒng)、可變壓力供油系統(tǒng)、液壓泵和馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)組成，可以完成對(duì)液壓泵和液壓馬達(dá)的效率、超速、噪聲等試驗(yàn)。

補(bǔ)油系統(tǒng)，采用進(jìn)口雙聯(lián)葉片泵5作為補(bǔ)油泵，由電磁比例溢流閥12控制補(bǔ)油壓力，并在雙聯(lián)葉片泵的出油口設(shè)有兩個(gè)電磁卸荷閥8和9，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或共同完成補(bǔ)油任務(wù)。可變壓力供油系統(tǒng)，通過(guò)電磁比例溢流閥55調(diào)節(jié)定量泵53輸出的油液，由K口為負(fù)載敏感型被試泵提供壓力可變的控制油液。

液壓泵和馬達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)共用一套液壓加載系統(tǒng)，該加載系統(tǒng)通過(guò)電磁比例溢流閥17來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)回路的無(wú)級(jí)加載。液壓泵試驗(yàn)選用1臺(tái)160KW的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被試泵不同轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)；被試泵的油路連接方式為A、B油口與A1、B1油口連接，對(duì)于自吸泵由泵的進(jìn)油口與H油口連接，出油口與G油口連接，構(gòu)成一個(gè)自吸泵加載回路。液壓馬達(dá)試驗(yàn)，由比例變量泵40作為壓力油源，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同排量馬達(dá)的試驗(yàn)；被試馬達(dá)根據(jù)扭矩不同，設(shè)計(jì)了兩套試驗(yàn)臺(tái)架，將圖1中C1（C2）、D1（D2）油口與C、D油口連接，E1（E2）、F1（F2）油口與E、F油口連接，即可進(jìn)行液壓馬達(dá)的試驗(yàn)。

被試液壓泵和馬達(dá)的加載系統(tǒng)中比例溢流閥長(zhǎng)時(shí)間需要高壓溢流加載，油液的壓力能轉(zhuǎn)換為熱能使油溫升高，油溫過(guò)熱會(huì)影響系統(tǒng)效率，降低試驗(yàn)精度。因此，在加載系統(tǒng)的回油路設(shè)計(jì)了冷卻裝置20，該設(shè)備能自動(dòng)檢測(cè)冷水溫度判斷油溫自動(dòng)進(jìn)行油溫調(diào)節(jié)。

1.2.液壓閥缸試驗(yàn)液壓系統(tǒng)

圖2 液壓閥缸試驗(yàn)液壓系統(tǒng)

1，5，19，23-過(guò)濾器； 2，20-電動(dòng)機(jī)；3，21--聯(lián)軸器；4-比例變量泵；6，13-電磁比例溢流閥；7-壓力傳感器； 8-壓力表；9、26-截止閥； 10、25-電磁換向閥； 11-液壓鎖；12-單向節(jié)流閥；14-流量計(jì)；15-流量傳感器；16-電加熱器；17-溫度傳感器；18-液位計(jì)；24-溢流閥；27-流量計(jì)；28-流量傳感器

液壓閥缸試驗(yàn)液壓系統(tǒng)如圖2所示，液壓閥缸試驗(yàn)臺(tái)主要由主測(cè)試回路系統(tǒng)和油液控制回路系統(tǒng)組成。主回路測(cè)試系統(tǒng)主泵為單向比例變量泵4，電磁比例溢流閥6控制變量泵輸出油液壓力，回油管路中的電磁比例溢流閥13可以在測(cè)試中起到背壓作用，通過(guò)遠(yuǎn)程控制可以實(shí)現(xiàn)加載和卸荷。油液控制回路由定量泵22作為油源，為液動(dòng)閥或先導(dǎo)閥等提供控制油液。圖2中A、B、C、D、K口均設(shè)在試驗(yàn)臺(tái)面板上， 方便實(shí)驗(yàn)操作，可對(duì)多路換向閥、溢流閥、流量閥和液壓缸等進(jìn)行試驗(yàn)。

2.信號(hào)采集與控制系統(tǒng)

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)采用自動(dòng)采集、處理與控制的方法進(jìn)行。信號(hào)采集與控制系統(tǒng)主要完成測(cè)試系統(tǒng)壓力、溫度、流量、噪聲、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等信號(hào)的采集與顯示，輸出換向閥、電比例閥、電動(dòng)球閥等控制信號(hào)，完成對(duì)換向閥換向、比例閥調(diào)壓和電動(dòng)球閥開(kāi)度調(diào)節(jié)，通過(guò)變頻電機(jī)的啟停及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)調(diào)零電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，此外還實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的照明與風(fēng)扇控制等。

2.1.信號(hào)流研究

試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)流分為兩種，分別是模擬量信號(hào)流和數(shù)字量信號(hào)流，兩種信號(hào)共同組成了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于所有信號(hào)的采集及控制。

試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)采集的模擬量信號(hào)主要有油壓、油溫、主軸轉(zhuǎn)速和主軸轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)球閥開(kāi)度反饋等信號(hào)。對(duì)于被試件出入口油壓，流量及油箱油溫等信號(hào)，采用4～20mA電流信號(hào)，并采用二次儀表與信號(hào)采集口串接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的同步顯示與采集。而主軸轉(zhuǎn)速和主軸轉(zhuǎn)矩等信號(hào)，選用JW3型扭矩儀實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，并通過(guò)扭矩儀上RS232接口實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的通訊。為了提高采集信號(hào)的實(shí)時(shí)性和可靠性，本試驗(yàn)臺(tái)選用了研華板卡PCI1713對(duì)信號(hào)進(jìn)行直接采集，模擬量控制信號(hào)設(shè)計(jì)用PLC模擬量輸出模塊進(jìn)行輸出。

試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)字流信號(hào)均采用PLC數(shù)字量輸入輸出模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC數(shù)字量輸入模塊需要采集的數(shù)字量信號(hào)主要有所有電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，急停按鈕狀態(tài)，過(guò)濾器堵塞狀態(tài)等。PLC模塊將采集到的數(shù)字量信號(hào)通過(guò)通訊模塊將信號(hào)送達(dá)工控機(jī)，工控機(jī)將控制指令送達(dá)PLC模擬量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和電磁閥自動(dòng)啟停以及故障報(bào)警等。

2.2. 控制系統(tǒng)研究

美國(guó)NI公司的LabWindows/CVI，其功能強(qiáng)大在于它提供了豐富的函數(shù)庫(kù)，可以利用這些庫(kù)函數(shù)除實(shí)現(xiàn)常規(guī)的程序設(shè)計(jì)，以及更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本測(cè)試系統(tǒng)采用LabWindows/CVI 2009，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，人機(jī)界面友好的圖形化測(cè)控系統(tǒng)。軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，運(yùn)用了多線(xiàn)程技術(shù)，代碼執(zhí)行效率高，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化試驗(yàn)程序控制。

本試驗(yàn)臺(tái)被試液壓元件主要用于采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)及液壓支架燈等礦山設(shè)備中，測(cè)試其相應(yīng)的應(yīng)用性能是很有必要的，根據(jù)不同液壓元件測(cè)試性能要求，搭建了被試液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥和液壓缸的試驗(yàn)界面。下圖為液壓泵測(cè)試界面。

液壓泵測(cè)試試驗(yàn)界面

3.試驗(yàn)臺(tái)使用

下文以液壓軸向柱塞泵泵為例， 介紹下被試泵的性能參數(shù)及效率分析。

圖4 測(cè)試軟件程序框圖

本試驗(yàn)臺(tái)采用LabWindows/CVI交互式編程方法，針對(duì)礦用液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸和液壓閥等液壓元件試驗(yàn)要求，搭建了相對(duì)應(yīng)的虛擬儀器操作面板，用戶(hù)可以通過(guò)面板上的按鈕、開(kāi)關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)操作，并通過(guò)顯示窗口方便的觀(guān)察實(shí)時(shí)檢測(cè)的結(jié)果以及操作系統(tǒng)的工作情況。

4. 結(jié)論

本多功能試驗(yàn)臺(tái)對(duì)液壓泵馬達(dá)試驗(yàn)臺(tái)和液壓閥缸試驗(yàn)臺(tái)集成控制，并采用比例溢流閥調(diào)壓，變頻調(diào)速，比例變量泵供液，提高了試驗(yàn)臺(tái)的適用范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥和液壓缸等多種系列產(chǎn)品的試驗(yàn)。測(cè)控系統(tǒng)以高精度的測(cè)控元件和儀器儀表為基礎(chǔ)，運(yùn)用虛擬開(kāi)發(fā)技術(shù)，提高了試驗(yàn)的精度，并能運(yùn)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建多種試驗(yàn)操作面板，用戶(hù)可以方便的進(jìn)行自動(dòng)試驗(yàn)和手動(dòng)試驗(yàn)。本試驗(yàn)臺(tái)的研制，為礦用液壓產(chǎn)品提供了科學(xué)的質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

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