径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统的设计

郭山国，张华瑾，武秋俊，张长军，马俊，张林，方加根

(1.河北机电职业技术学院机械工程系，河北邢台 054000；2.浙江思纳克热流道科技有限公司，浙江绍兴 312300)

0 前言

液压泵是整个液压系统的核心元件之一，其性能对液压系统的性能有重要影响，因此研制新型液压泵并对它进行精确的性能测试至关重要。某公司仍采用在传统液压泵试验台上用仪表加人工手动操作的测试方法对液压泵进行性能测试，人为因素影响较大，测试效率和测试精度都较低。该公司研发了新型径向柱塞变量液压泵，对该新型液压泵性能测试方法进行深入研究，提出一种先进可靠的性能测试方法，对提高该新型径向柱塞变量泵性能非常必要。本文作者基于机、电、液、仪一体化计算机自动控制的思想，开发径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统。采用以工控机为基础的硬件平台，多通道PCI总线数据采集与控制卡为数据采集与控制的硬件系统构架，并增加了压力等传感器及其二次仪表。利用Visual Basic可视化编程工具，结合动态链接库有关技术，编制相配套的应用软件。开发的液压泵CAT试验台用于该公司新型径向柱塞变量泵型式试验，也可用于已定型的液压泵产品的出厂试验。

1 液压泵CAT试验台液压系统回路设计

液压系统回路的功能在一定程度上取决于各液压元件的组合连接方式，所以液压泵CAT试验台液压系统回路是一个需要精心考虑和认真设计的重要环节。根据液压泵型式试验标准并参照新编《液压工程手册》等资料所提供的试验回路以及所研制液压泵的结构和变量型式来确定液压系统的回路，所设计的液压系统如图1所示。液压系统整体采用插装阀，元件13、15是由2个插装元件组成的三通换向插装阀；元件14、16是由1个插装元件组成的用作压力控制的电液比例节流阀；元件17是由1个插装元件组成的用作流量控制的节流阀；元件8是由1个插装元件和先导型比例电磁溢流阀构成的插装电液比例溢流阀。

图1 液压系统原理

由工控机自动控制变频器，变频器调节变频电动机7，以得到变频电动机的不同转速；通过工控机控制调节插装电液比例溢流阀8的阀口开度，从而实现液压泵不同的最大压力。除此以外，还有两条液压测试回路：一条是中间的13、14、18、19液压回路，另一条是上边的12、15、16、17液压回路。前者用来进行液压泵的静态试验——除冲击试验以外所有试验性能的测试，后者用来进行液压泵的动态试验——冲击试验性能的测试。由计算机控制电液比例节流阀14和16阀口的开度，从而实现自动加载且得到液压泵静态试验和动态试验时的不同工作压力。

系统回路中安装有转矩转速、温度、压力、流量等传感器，用于测控系统采集相应的信号。进口压力和出口压力分别由压力传感器2、11采集，转矩和转速由转矩转速传感器6采集，系统的油温由冷却器22和加热器控制，被试泵的进口油温和出口油温分别由温度传感器1、10采集，被试泵的泄漏流量由流量传感器3采集，流量由椭圆齿轮流量计18采集。所有测试试验完成之后，即可利用径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统的分析处理软件分析相关试验数据，显示并打印测试分析结果。

2 液压泵CAT试验台测试系统硬件设计

径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统主要包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统主要是由工业控制计算机、多功能数据采集与控制卡、流量传感器、压力传感器、温度传感器、转矩转速传感器及相应的二次仪表等组成。径向柱塞变量泵CAT试验台系统测控系统的结构框图如图2所示，数据采集与处理部分结构框图如图3所示。

图2 测控系统结构框图

图3 测控系统数据采集部分结构框图

整个液压泵CAT试验台测控系统装置主要包括两大部分：一部分是液压系统数据参数的自动采集装置，该部分是在原人工试验台基础上增加了1个流量传感器、2个温度传感器和2个压力传感器及其相应的二次仪表数显装置，并继续使用原试验台的1个转矩转速传感器及其二次仪表转矩转速仪和1个流量计及其二次仪表，以实现计算机对相关数据参数的自动采集；另外一部分是计算机控制系统装置，该部分主要包括工控机和多功能数据采集与控制卡等，实现的功能主要有两个：一是将压力传感器、流量传感器、温度传感器和转矩转速仪等的信号进行电平转换和波形整形，之后输出给多功能数据采集卡，用于测量其相应的参数；二是变频器和比例放大器分别接收计算机的转速、负载等控制信号，控制变频电动机和比例阀进行液压泵的自动调速和加载。

硬件系统的核心部分是工控主机和多功能数据采集与控制卡，数据的采集、保存、分析和处理等核心功能都在这2个部分实现。该测试系统选用某公司研制生产的PCI-1710等4块PCI总线数据采集与控制卡。PCI-1710是一款基于PCI总线的多功能数据采集卡，该采集卡外观如图4所示，其先进的电路设计使得该款数据采集卡具有更多的功能和更高的质量。

图4 PCI-1710多功能数据采集卡外形

径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统所要测试的变量一般是如压力、流量、温度等非电物理量，这就需要用传感器将这些非电信号转换成相应的电信号，然后再通过数据采集卡以及计算机接口送到计算机才能进行数据处理。传感器影响测试系统的测试精度，应根据需要测试的物理量选择对应的传感器。该径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统所选用的传感器如表1所示。

表1 主要传感器型号

3 液压泵CAT试验台测试系统软件设计

软件系统从某种意义上来讲决定着测试系统的功能和操作的便利性。该径向柱塞变量泵CAT试验台测试系统采用使用广泛、功能强大、简单方便的可视化编程工具VB进行软件的开发。现在，很多数据采集卡厂为了用户的便利，会及时开发出采集卡在VB编程语言下的免费驱动程序。这样把复杂的硬件编程细节都隐藏起来，为用户提供一个便于应用和理解的接口，使得数据采集与控制卡使用更为简单和方便，也使得数据采集和控制工作更加容易。

系统软件是试验台系统的重要组成部分。软件采用模块化结构设计和层次化菜单设计，结合可视化界面技术，主要模块包括系统管理、技术参数、试验项目、数据管理及帮助等。该试验台测试系统的主界面如图5所示。

图5 测试系统主界面

试验项目模块是系统测试软件的核心，其主要功能是选择对应测试试验项目，完成试验项目工况的建立，以进行试验测试数据的采集和分析处理等相关内容。根据国家标准和该公司标准以及该新型径向柱塞变量泵的特点，该新型径向柱塞变量泵性能的测试项目主要有9个，具体试验项目见图5，单击需要测试的试验项目后弹出对应试验项目子界面。由于最大排量验证试验、自吸试验等程序结构较为简单，文中只给出试验过程相对比较复杂的效率试验和冲击试验的程序结构，分别如图6、图7所示。以效率试验为例，给出其测试试验结果如图8所示，可知：该系统达到了预期的效果，满足测试要求。

图6 效率试验程序结构框图

图7 冲击试验程序结构框图

图8 效率试验项目界面

4 结束语

为对某新型液压泵进行准确的性能测试，提高测试效率和自动化水平，本文作者设计了液压泵CAT型式试验台测试系统，开发了液压泵CAT测试系统。经过实际使用，该试验台测试功能和精度等都达到了预期效果，说明该试验台测试系统的设计思路和设计方法是合理的、可行的。该系统具有一定的通用性，也可以对已定型的径向柱塞液压泵产品进行出厂试验。该系统自动化程度高，提供了菜单帮助，且操作便利，为该公司赢得了更大的市场竞争力。