齒輪泵自動化測控平臺的開發及試驗研究

鄭躍鵬

(1.山西天地煤機裝備有限公司，山西太原 030006；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西太原 030006)

0 前言

齒輪泵是液壓機床、工程機械等設備的核心動力元件[1]，其工作性能的好壞直接影響液壓系統能否平穩、正常、安全地運行。因此，對齒輪泵進行性能檢測，是評估其產品性能和質量的重要手段。齒輪泵在產品壽命周期內一般會經歷研發制造、磨損試驗、出廠檢驗、工作服役、磨損退役等階段。

目前，關于齒輪泵測試已經做了很多研究，如聶躍躍等[2]基于B/S網絡架構，設計了內嚙合齒輪泵遠程監控自動測試系統；王霞[3]用PID閉環控制理論設計液壓轉向齒輪泵綜合性能試驗臺，實現了齒輪泵流量、壓力及油液污染的檢測；陳天夫[4]基于虛擬儀器技術，提出了一種壓力與流量的軟測量方法；喻峰等人[5]利用比例控制技術和信號自動采集系統，設計了齒輪泵性能試驗臺。

本文作者圍繞新開發齒輪泵性能評估的檢測流程，搭建自動化加載試驗測控平臺。以遼寧省某家企業生產的齒輪泵為研究對象，以JB/T 7041.2—2020《液壓泵 第2部分：齒輪泵》行業標準為依據[6]，結合企業出廠性能檢測的工藝流程，開發外嚙合齒輪泵的自動化測控平臺。該自動化測控平臺利用西門子公司生產的PLC200Smart進行信號采集、傳輸和控制，利用組態王虛擬技術實現人機界面的操作控制及數據顯示[7]，充分發揮組態王內置采集數據模塊、適應性強、開放性好、開發周期短等優點，對齒輪進行加載性能試驗。

1 自動化測控平臺的總體設計

文中以JB/T 7041.2—2020《液壓泵 第2部分：齒輪泵》行業標準為依據，兼顧企業出廠性能檢測工藝流程，開發了外嚙合齒輪泵的自動化測控平臺。該自動化測控平臺具有齒輪泵工況模擬及性能檢測功能，總體設計方案如圖1所示。

圖1 自動化測控平臺方案

該自動化測控平臺由液壓系統、操作試驗臺、測試系統和電控系統四部分組成。液壓系統是齒輪泵性能測試的基礎，主要由變頻電機、單向閥、溢流閥、節流閥等液壓元件組成。操作試驗臺具有固定齒輪泵、臨時儲存液壓油等功能。測控系統主要包括上位機控制系統、數據采集模塊、A/D信號轉換模塊及各種傳感器等，完成齒輪泵性能測試時壓力、流量、轉速、輸入扭矩、溫度等傳感器信號的采集、處理、保存等功能。電控系統主要完成變頻電機的啟停、電磁換向閥、氣動蝶閥等液壓閥的控制。性能測試設備如圖2所示。

2 液壓系統

測控系統的液壓系統如圖3所示，該系統主要包括齒輪泵加載測控系統(圖3中右側為雙份回路，企業備用一份液壓回路)、油箱加熱系統和試驗臺倒油泵系統。其工作原理和特點如下：

圖3 加載試驗臺液壓系統

(1)液壓系統以132 kW的變頻電機為動力源帶動外嚙合齒輪泵轉動，為了便于測試啟動，防止齒輪泵吸空，液壓油箱設置為0.2 MPa的備壓。

(2)齒輪泵進行加載性能試驗時，液壓油在壓差的作用下，從油箱經過吸油過濾器后由齒輪泵進油口進入泵體，從齒輪泵出油口流出后，經過單向閥，通過溢流閥控制加載壓力、節流閥控制壓力的加載速度、三位四通電磁閥切換回路，經過回油過濾器流入油箱。

(3)由于試驗臺頻繁切換齒輪泵，會導致大量的液壓油灑落在試驗平臺上，當液壓油存儲到一定量時，開啟倒油泵電機，存儲到臨時油箱中的液壓油通過吸油過濾器、單向閥、回油過濾器返回油箱。

3 測控系統

測控系統是自動化測控平臺的核心部分，主要由硬件系統和軟件系統組成，具有各種工藝的儲存、調用功能，是加載試驗實現自動化、無人化的關鍵。

3.1 測控系統硬件

測控系統硬件由測試系統的各種傳感器、交換機、PLC控制模塊、A/D信號轉換模塊、工業控制機等元器件組成。

外嚙合齒輪泵性能測試過程中，根據齒輪泵試驗的需要及圖1可知，試驗需要的傳感器類型有壓力傳感器、流量傳感器、轉速傳感器、溫度傳感器以及扭矩傳感器(其內存編程地址如表1所示)。由于現場原有的電機自帶轉速和扭矩傳感器，因此無需外購安裝。同時為了保證試驗的精度，防止工業現場振動、電磁的干擾，模擬信號統一采用4～20 mA的電信號。流量和溫度傳感器直接采購4～20 mA輸出的標準電信號，壓力傳感器的信號通過壓力變送器轉換成4～20 mA的標準電信號[8]。然后將傳感器、電磁閥、受控設備的控制信號、模擬信號接入PLC的輸入和輸出模塊上，再由以太網經過交換機與工業控制機連接，實現工業控制機對液壓系統的控制。同時考慮到齒輪泵在加載試驗時，齒輪泵受到的軸向和徑向壓力的不平衡急劇上升，會產生較大的振動與噪聲，為了防止齒輪泵試驗時噪聲和振動對模擬信號傳輸的干擾，PLC與傳感器之間的通信線都采用屏蔽線，其示意如圖4所示。

表1 傳感器的種類及地址分配

圖4 PLC200Smart和屏蔽線示意

3.2 測控系統軟件

測控系統軟件由PLC可編程控制程序和組態王工業控制程序兩部分構成。

3.2.1 PLC控制系統

PLC可編程控制程序是電控系統控制核心部分，依靠西門子公司開發的STEP 7軟件完成各種工況下的電機、電液閥控制以及流量和溫度的測量。以齒輪泵沖擊加載為例，點擊試驗開始時，自動測控系統可以根據模擬信號對加載條件實現精確控制，同時可以根據狀態標志量實現對傳感器采集數據的臨時記錄或者存儲。以空載情況下的狀態2程序段為例(如圖5所示)，當狀態標志等于2時進入延時程序，將上位機中設置好的延時時間1賦值給保壓時間，利用保壓程序進行延時保壓。當保壓時間結束后，進入轉速比較子程序，在轉速達到要求之后再次進入延時程序(保壓程序)。當上位機將存儲標志VB53置1時，將流量傳感器VD382中此時刷新的測量值賦給VD582。當上位機存儲數據完畢后，由上位機將存儲標志VB53置0，此時保壓程序結束，狀態標志被賦值為3，進入下一個程序段。

圖5 自動測控系統的部分PLC控制程序段

3.2.2 PC端控制系統設計

組態王通過其內置開發的PLC、板卡等數千種品牌產品的驅動程序，實現了數據高效、快速地交換。組態王驅動系統如圖6所示。

圖6 組態王驅動系統

在設置數據采集信號時，以壓力設置為例，將壓力數據選擇為I/O實數，寄存地址為VD386，數據類型為bit，采集頻率為200 ms/次(如圖7所示)，在STEP 7與組態王上位機中對相同的數據分配固定的內存地址，保證了組態王與PLC之間數據傳輸的精度與速度。

圖7 變量建立示意

為了簡化操作難度，提高操作效率，在組態王工業控制程序設置加載試驗工藝的儲存(參數設置如圖8所示)、測試數據的存儲，以及數據的實時監測、故障報警(參數設置如圖9所示)等功能。

圖8 加載試驗工藝的儲存

圖9 故障報警參數設置

4 加載性能試驗

以JB/T 7041.2—2020《液壓泵 第2部分：齒輪泵》行業標準為依據，兼顧企業出廠性能檢測工藝流程。齒輪泵的出廠性能測試主要包括沖擊加載試驗、連續負載試驗、定速分級試驗等部分。

4.1 試驗方法

該試驗以CBFZ-F32ALHX的齒輪泵為研究對象，試驗開始時，首先通過調用加熱程序提高液壓油的溫度(圖10)，同時啟動測控程序，增加齒輪泵與液壓油之間的摩擦消耗，快速提高液壓油的溫度。當溫度達到設定溫度時，加熱程序自動結束。

圖10 加熱界面控制界面

4.2 試驗流程

試驗開始時，選取一種測試試驗，點擊參數讀取按鈕，輸入需要進行試驗的齒輪泵型號，調出齒輪加載試驗的初始壓力、額定壓力、加載速度等試驗參數(如圖8所示，參數也可以手動輸入)。然后點擊試驗準備按鈕，開啟油路，選擇變頻電機正反轉，點擊確定按鈕，電機啟動。電機啟動后，當電機的轉速誤差小于1%時，齒輪泵進入空載狀態下，空載時間為5 s?？蛰d時間結束時，上位機發出存儲信號，流量傳感器將刷新的流量數據傳遞給上位機中特定的內存變量，當內存變量臨時存儲完成后，上位機清除存儲信號。溢流閥按照設置好的1 MPa/s的加載速度逐步將壓力提高至初始壓力值，保壓10 s。溢流閥按照加載的壓力和沖擊次數達到額定壓力值，再次保壓10 s后進入超載壓力條件，在超載壓力情況下保持5 s，卸載到20 MPa，保壓10 s。上位機發出存儲信號，流量傳感器將刷新的流量數據傳遞給上位機中特定的內存變量，當內存變量臨時存儲完成后，上位機清除存儲信號。齒輪泵進入卸載程序。當齒輪輸出端流量壓力小于0.2 MPa，電機停止轉動。

4.3 測試結果

試驗結束時，點擊確定按鈕，數據結果存儲至數表內，繪制沖擊壓力波曲線、試驗轉速、空載流量、負載扭矩等數據如圖11所示。其測試結果為：排量32.22 mL/r，空載流量48.32 L/min，負載流量45.52 L/min，容積效率94.20%，總效率92.42%。其測定排量與齒輪泵設計時排量32 mL/r的信息基本一致，一定程度上驗證了齒輪泵加載試驗臺的精確性。

圖11 性能測試結果

5 結論

文中將PLC、組態王虛擬技術與液壓技術、傳感器監測技術、計算機控制技術融為一體，開發了齒輪泵加載試驗測控平臺，該平臺能夠對齒輪泵展開各種工況下的模擬試驗。采用齒輪泵進行自動加載試驗，結果表明：該測控平臺能夠精確、穩定地工作，開發的測控系統能夠存儲、查詢、打印監測報表，實現了設備出廠檢驗的自動化評測。