一種新型磁翻板液位計綜合試驗臺的研制及設計解析

 

0 前言

磁翻板液位計是飛行器潤滑油系統的重要組成部件，主要用于發動機軸承和傳動齒輪部分潤滑油的輸送與回收，其質量好壞直接關系到飛行器的飛行安全，為測試滑油液位計的裝機前性能，特研發本試驗臺。本試驗臺是磁翻板液位計裝機前校驗、性能測試和故障診斷不可缺少的地面設備，具有高精度、高溫、高轉速、高真空度等特點，能滿足多個型號磁翻板液位計的磨合運轉試驗、密封試驗、地面性能試驗、調壓活門試驗、高空性能試驗等多個項目的測試要求，是一個滑油液位計綜合性能測試平臺。

 

1 設計要求與難點分析

1.1 設計要求

磁翻板液位計具有重量輕、結構緊湊、一軸多級、耐高溫、高轉速、真空環境下工作等特點，根據被試液位計的試驗需求，確定磁翻板液位計綜合試驗臺主要技術指標為:①輸出軸轉速調節范圍:0 ～18000 r/min;控制精度±20 r/min;②供油溫度≤200℃，控制精度 ±2℃;③被試液位計進油口壓力調節范圍 － 95 ～ 100 kPa，控制精度±1 kPa;④被試液位計出油口壓力調節范圍 0 ～ 1． 6 MPa;⑤被試液位計供油管路 9 條、回油管路 4 條，每路設計流量≤120 L/min;⑥試驗介質為航空潤滑油 HP-8B。

 

1.2 難點分析

(1) 高溫液壓系統的可靠運行。試驗臺要求供油溫度zui高 200℃，在此溫度下液壓系統的可靠運行、密封、信號采集、保溫隔熱、溫度控制、元器件選擇都成為技術難點。設計時選用耐高溫的液壓元器件，密封件使用氟橡膠或者石墨，局部的散熱結構及軟件的溫度補償算法，有效消除了高溫對電氣元件及信號采集的影響，試驗臺液壓系統的油箱、管路都使用硅酸鹽材料隔熱處理，減少熱量散失。

(2) 高真空度的壓力精調。被試液位計進油口壓力要求 －95 ～ 100 kPa，控制精度 ± 1 kPa，真空度高且控制精度高;液壓系統所有的元器件采用耐真空結構，使用液環式的真空液位計產生真空，設計精調與粗調的兩級調壓結構實現高真空度下的壓力精調，真空液壓系統能夠模擬飛行器在高空環境下液位計的工作狀態。

(3) 高轉速輸出與控制。試壓臺要求zui高輸出轉速 18000 r/min，控制精度 ±20 r/min;采用電機驅動齒輪箱增速，設計同軸工裝，實現被試液位計在 18000 r/min轉速下穩定運行，齒輪箱設計有強制潤滑散熱系統，可以長時間可靠運行;PLC 采集編碼器反饋的信號，使用變頻器控制驅動電機的轉速，實現輸出軸轉速精確調節。

 

2 試驗臺工作原理與結構組成

2.1 工作原理

滑油液位計綜合試驗臺液壓原理如圖 1 所示，當電機驅動齒輪箱 1 工作時，齒輪箱 1 輸出一個高轉速與一個低轉速，上位機設定所需要的轉速，PLC 通過變頻器控制電機轉速，被試液位計可以根據轉速要求選擇安裝于高速軸或者低速軸上;使用快換軟管將被試液位計進油口與試驗臺 9 條供油管路接通，被試液位計的出口與試驗臺 4條出油管接通;主油箱與計量油箱通有壓縮空氣，真空液位計 3 開啟可以在油箱內產生真空，通過氣動調節閥 11可以調整被試液位計的進油口壓力與出油口壓力;PLC 控制電加熱器 5 的啟停，實現油溫的控制;被試液位計工作時，齒輪箱輸入軸上的轉速傳感器、進出油管路上的溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器可時時反饋被試液位計的工作狀態，根據試驗大綱要求在上位機設定試驗參數，完成滑油液位計所需的試驗。

 

2.2 結構組成與功能

本試驗臺機械與液壓部分主要由驅動裝置，供油系統，輔助循環系統，信號采集系統組成。驅動裝置主要由變頻電機、齒輪增速箱組成。電機選用功率11 kW 的2 級變頻電機50 Hz 時，輸出轉速3000 r/min;齒輪增速箱采用圓柱斜齒輪傳動，單輸入雙輸出結構，齒輪箱具備正、反轉功能，通過控制電機旋轉方向可以實現正反轉;頻率 50 Hz 時，兩個輸出端轉速分別是 7500 r/min、15000 r/min，變頻器 60 Hz 時，高速輸出端轉速可達到 18000r/min，被試液位計沒有極低轉速的需求，所以設定變頻器頻率調節范圍 5 ～65 Hz，防止齒輪箱超過額定轉速。齒輪精度等級不低于 5 級(GB10095-88)，各軸承處裝有溫度傳感器實時監控軸承溫度，軸承超溫時能夠自動報警并泄荷停機。

供油系統主要由主油箱、計量油箱、真空液位計、調壓過濾器、氣動切換閥、管路、壓力表、等組成。主油箱與計量油箱按照真空容器設計為圓柱形結構，封閉形式，接通調壓后的壓縮空氣與真空液位計;計量油箱經過標定，通過氣動切換閥選擇油路，實現被試液位計某一油路流量的計量，使用計量油箱測試流量直觀、可靠，同時計量油箱可以作為流量計校準的工具。

輔助循環系統主要由循環液位計、加熱器、水冷式散熱器、吸油過濾器、管路過濾器、回油過濾器、漏油收集油箱組成;循環液位計使用流量 40 L/min 的耐高溫齒輪液位計，可以滿足zui高溫度 200℃工作要求;被試液位計供油溫度要求控制在 ±2℃范圍內，利用計算機采用 PID 過程控制，將現場送來的溫度信號進行運算，通過 PLC 控制加熱器與散熱器的工作啟停，使油溫精確地穩定在設定值上。三級過濾保證供油精度達到 GJB420A 中的 7 級;試驗結束后，拆卸被試液位計所流出的潤滑油被漏油收集油箱收集并經過循環液位計輸送，油液經過過濾后回到主油箱，泄漏的潤滑油反復利用，有效減少了試驗過程中潤滑油的消耗。

信號采集系統主要由溫度變送器、編碼器、壓力傳感器、流量計等組成，溫度變送器測量油箱、被試液位計進油口、出油口的溫度，編碼器測量齒輪箱輸入軸轉速，壓力變送器測量被試液位計進油口、出油口的壓力，安裝時與被試液位計在同一水平高度，消除了高差所帶來的誤差，流量計測量被試液位計各個油路的流量，選用螺桿式流量計，此種流量計對被測介質的溫度、粘度不敏感，有效消除了試驗過程中潤滑油溫度變化、粘度變化所帶來的計量誤差，計量精度高。

 

3 控制系統的設計

電控系統由控制臺及現場配電控制柜二大部分構成。

為使檢測系統安全、可靠、穩定的運行，電控系統采用成熟、xianjin的工業以太網、PLC、工控機等技術;在元器件選型上，主要器件全部選用優質品牌產品;同時，在系統設計、系統配置、等各環節上，采取隔離、屏蔽、接地、數字傳輸等技術以提高系統的抗干擾能力。控制臺由不間斷電源、濾波器、顯示器、工控機服務器、視頻監控系統、打印機、PLC、直流電源及操作開關元件等組成，工控機完成人機交互功能，完成數據存儲、顯示、查詢及打印等功能，PLC 通過 PＲOFINET 網絡實現對上位工控機的通訊。

現場配電控制柜由電源開關、分路斷路器、變頻器、繼電器、接觸器、隔離變壓器、直流電源、ET200 子站模塊等構成。ET200 子站通過 PＲOFINET 網絡與PLC 連接。

作為控制核心 PLC 采用zui新的西門子 S7-1500 系列 CPU 模塊，并擴展二個數字量 DI/DQ 模塊用于控制臺本地信號的采集與控制，并通過 PＲOFINET 遠程控制 ET200 子站。各子站根據要求配置了 DI、DQ、AQ、AI 及計數模塊，用于對壓力、溫度及流量信號采集轉換，檢測各液位開關、發訊器及電機、加熱器的電源及工作狀態、并實現對各電機、加熱器及各種閥的控制。上位機軟件使用 LabVIEW 開發，在試驗過程中可以顯示試驗的進程、采集的數據、試驗時間、試驗曲線和液壓原理圖中各元件的通電狀態。可收集、存貯、顯示、查詢和打印整個試驗期間所有收集的數據及報警信息，并可以按日期時間進行查看。智能監控診斷故障并通過蜂鳴器和報警燈提示報警，以判斷故障的部位和報警的原因。系統設定界面負責設置系統的全局參數，包括傳感器參數設定、系統功能參數設定、密碼管理。傳感器參數設定用于設定傳感器的修正參數，由于傳感器的性能老化、外界環境的干擾等因素，使得傳感器的輸入輸出的函數關系發生了變化，會使擬合直線發生變化，因此，在使用一段時間后應該視具體情況加以修正。

 

4 結束語

本試驗臺可以滿足多個種類、多個型號滑油液位計的綜合試驗，目前已經順利通過了驗收，各項性能指標均達到了設計要求，系統工作穩定可靠、測試精度高、智能化程度高、人機界面友好。試驗臺設計過程中將傳統的液壓、氣動技術結合在一起，并充分運用了上位機、觸摸屏與人的交互功能，大大提高了自動化程度與數據處理能力，而且 PLC 的應用使整個系統更加安全可靠。本試驗臺的成功研制既為磁翻板液位計提供了可靠的測試平臺，也為類似試驗器的設計提供了參考與借鑒。