固液兩相流泵性能參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)

潘 越，于明明

（河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

固液兩相流泵性能參數(shù)影響實(shí)驗(yàn)

潘 越，于明明

（河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，固液兩相流泵是運(yùn)用普遍的流體機(jī)械。泵的性能參數(shù)影響泵的效率與使用壽命，基于此，研究固液兩相流的介質(zhì)特性和泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)泵性能參數(shù)的影響，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的硬件、軟件系統(tǒng)、試驗(yàn)管路、關(guān)鍵儀器儀表的選擇進(jìn)行了設(shè)計(jì)搭建。利用由LabVIEW與PLC組成的固液兩相流泵性能參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，完成固液兩相流泵性能參數(shù)影響因素的判定。

固液兩相流泵；測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；LabVIEW；監(jiān)控系統(tǒng)；泵性能參數(shù)

0 引言

固液兩相流泵是普遍用于工業(yè)生產(chǎn)部門的流體機(jī)械，在水利、煤炭、礦山、化工、電力、建材、土建、冶金等行業(yè)都發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)期以來，固液兩相流泵的設(shè)計(jì)大多是按清水介質(zhì)的輸送設(shè)計(jì)的，對(duì)固液兩相流特性的研究基本停留在傳統(tǒng)的理論分析和計(jì)算機(jī)模擬層面上。但由于復(fù)雜的固液兩相流運(yùn)動(dòng)，不能確切模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，就會(huì)致使計(jì)算機(jī)的模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況有所差距[1-2]，使得固液兩相流泵存在磨損嚴(yán)重、效率低、壽命短、可靠性差等問題。因此，根據(jù)固液兩相流的運(yùn)輸特性和測(cè)試系統(tǒng)的主要技術(shù)要求，初步設(shè)計(jì)了一套固液兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用來研究對(duì)固液兩相流泵性能參數(shù)的影響。

1 測(cè)試性能參數(shù)

固液兩相流泵工作性能參數(shù)主要包括工作轉(zhuǎn)速n、揚(yáng)程H、軸功率N、效率η與流量Q。通過修改固液兩相流的參數(shù)與泵結(jié)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)可方便、快速地判斷出影響固液兩相流泵性能參數(shù)的因素。本固液兩相流泵性能測(cè)試系統(tǒng)性能參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)包括：進(jìn)出口壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、揚(yáng)程、軸功率和效率等，其中進(jìn)出口壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩為測(cè)量數(shù)據(jù)；揚(yáng)程、軸功率、效率由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到[3-4]。

2 性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)方案

硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成了一個(gè)完整的泵性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)成敗的重要因素，其硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括試驗(yàn)管路的設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)和布局的設(shè)計(jì)，儀器儀表的選型等[5]。軟件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，泵性能試驗(yàn)的軟件開發(fā)要實(shí)現(xiàn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、對(duì)管道的控制、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、顯示、儲(chǔ)存、公式計(jì)算，然后對(duì)結(jié)果采用擬合算法擬合繪制曲線、生成報(bào)表等操作功能。如圖1所示為技術(shù)路線圖。

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要是解決數(shù)據(jù)采集與工控機(jī)的連接問題。硬件系統(tǒng)的主要功能是通過傳感器、二次儀表及工控機(jī)外圍接口實(shí)現(xiàn)對(duì)各測(cè)試參數(shù)的采集、處理[5]。硬件系統(tǒng)主要分為兩部分：一部分主要負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)所需的各種參數(shù)信號(hào)，將傳感器測(cè)量的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；另一部分則負(fù)責(zé)將采集到的電信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成工控機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并將其送入工控機(jī)中進(jìn)一步處理和分析[5]。

2.2 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用LabVIEW監(jiān)控軟件，PLC數(shù)據(jù)采集、控制軟件，通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)傳輸連接。LabVIEW監(jiān)控界面將PLC采集的泵測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示，同時(shí)，PLC采集的數(shù)據(jù)經(jīng)程序判定對(duì)泵測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成固液兩相流泵的性能參數(shù)測(cè)試。軟件系統(tǒng)具有管路控制、數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)值顯示及其性能曲線顯示、結(jié)果保存、生成試驗(yàn)報(bào)表等功能。

3 固液兩相流泵測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 固液兩相流泵試驗(yàn)管路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)管路是系統(tǒng)的主要部分，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是基于固液兩相流泵的工作特點(diǎn)，選擇合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器儀表、管道及其附件，實(shí)現(xiàn)測(cè)試方法的合理性，安全性，通用性，可以適用于不同種類泵，并兼顧經(jīng)濟(jì)美觀[6]。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

與普通的清水介質(zhì)性能試驗(yàn)相比，輸送固液兩相流介質(zhì)的試驗(yàn)在試驗(yàn)系統(tǒng)搭建和試驗(yàn)過程中都存在較多的困難，包括固液兩相流流量的測(cè)量、固液兩相流的密度測(cè)量、固液兩相的攪拌與密度的穩(wěn)定等方面[7]。由于輸送固液兩相流，是以對(duì)試驗(yàn)裝置有特殊要求，在對(duì)比開式與閉式實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，開式試驗(yàn)裝置具有方便維護(hù)和操作的特點(diǎn)，更符合固液兩相流的裝置要求。因此在參考了清水介質(zhì)開式測(cè)試設(shè)備的基礎(chǔ)上，本文重新設(shè)計(jì)搭建了固液兩相流泵試驗(yàn)裝置，如圖2中所示的系統(tǒng)管路圖。

圖2 固液兩相流泵試驗(yàn)系統(tǒng)管路裝置

3.2 性能參數(shù)測(cè)量的儀器儀表

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的性能要求，關(guān)鍵儀器的選型如表1。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分采用PLC控制器與LabVIEW軟件。上位機(jī)利用LabVIEW軟件組成上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)，下位機(jī)以PLC控制器為核心組成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)，由上位工控機(jī)LabVIEW發(fā)出測(cè)試開始指令，由PLC完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與試驗(yàn)管路相關(guān)變量的控制。PLC能夠可靠地采集各種測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試過程中通過控制程序的判斷，可以安全的處理出現(xiàn)的異常情況，同時(shí)PLC將采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給工控機(jī)[8]。LabVIEW與PLC通過OPC的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的連接讀取，將測(cè)量的數(shù)據(jù)由LabVIEW進(jìn)行二次處理，通過數(shù)字運(yùn)算處理分析、曲線擬合、數(shù)值顯示及其性能曲線顯示、生成報(bào)表等操作，完成固液兩相流泵性能參數(shù)影響因素的判定，如圖3所示。

表1 關(guān)鍵儀器的選型

4 對(duì)性能參數(shù)的影響

4.1 介質(zhì)濃度影響

隨著在單位體積內(nèi)同種介質(zhì)的添加，介質(zhì)的濃度與密度的增加，對(duì)泵性能參數(shù)具有顯著的影響。當(dāng)輸送顆粒濃度增加時(shí)，揚(yáng)程在小流量時(shí)下降較小，在大流量時(shí)下降幅度較大。濃度越高，泵的揚(yáng)程就會(huì)越低，同時(shí)隨著濃度的增加，泵的最大流量逐漸減小，為達(dá)到所需的揚(yáng)程，功率就會(huì)增加，效率降低。小顆粒時(shí)揚(yáng)程受初始的固相濃度影響不大，但是大顆粒時(shí)，泵的揚(yáng)程隨著初始固相濃度增大而下降，并且下降速度快。

圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4.2 顆粒的影響

與輸送清水時(shí)比較，當(dāng)顆粒直徑增加時(shí)，揚(yáng)程在小流量時(shí)下降較小，在大流量時(shí)下降幅度較大，但是最大流量點(diǎn)的變化不大；隨著顆粒直徑增大，最高效率點(diǎn)下降且向小流量方向偏移，泵的穩(wěn)定高效區(qū)縮小。在輸送固液混合物時(shí)，直徑越大，進(jìn)口壓力越低，越容易發(fā)生汽蝕，如圖4所示。

圖4 介質(zhì)濃度、顆粒對(duì)性能參數(shù)的影響

5 結(jié)語

根據(jù)固液兩相流的運(yùn)輸特性和測(cè)試系統(tǒng)的主要技術(shù)要求，本文建立了基于固液兩相流的輸送、LabVIEW監(jiān)控軟件、PLC數(shù)據(jù)采集的固液兩相流泵性能參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)。通過使用此系統(tǒng)修改輸送的介質(zhì)濃度與溫度等條件，可方便、快速地判斷出對(duì)固液兩相流泵性能參數(shù)的影響。借助Lab?VIEW和PLC軟件系統(tǒng)，使測(cè)試系統(tǒng)安全、快速的完成對(duì)數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制，同時(shí)高效地完成數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)結(jié)果判定。

［1］劉宜，喬金宇.固液兩相流綜合試驗(yàn)臺(tái)管路設(shè)計(jì)［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，2（24）：98-100.

［2］項(xiàng)佳梁，李昳，唐華.固液兩相離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性研究［J］.機(jī)電工程，2014（6）：702-706.

［3］席賽.礦井主排水泵性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.焦作：河南理工大學(xué)，2012.

［4］王建春，周知進(jìn)，胡斌梁.油泵限壓閥閥芯對(duì)流量穩(wěn)定性的影響［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2013（4）：92-94.

［5］肖周勇.基于LabVIEW水泵性能測(cè)試系統(tǒng)的研究［D］.長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

［6］李路，張跟超，陳占清.渣漿泵性能檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，2（25）：18-21.

［7］何偉強(qiáng).固液泵的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2010.

［8］張明軍，張國亮，解詩軍，等.基于LabVIEW與PLC的泵組試驗(yàn)臺(tái)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013，3（26）：21-22.

Performance Parameters Test Experiment Solid Liquid Two Phase Flow Pump

PAN Yue，YU Ming-ming
（School of Electrical and Mechanical Engineering of Hebei University of Engineering，Handan056038，China）

In the field of industrial production，solid liquid two phase flow pump is the most commonly used fluid machinery.Pump performance parameters affect the efficiency and service life of the pump.Based on the influence of dielectric properties of solid liquid two phase flow and pump structure parameters on pump performance parameters，the thesis designs the test system of hardware and software，test line，the key instrument of choice.Using the test system of solid liquid two phase flow pump performance parameters composed of LabVIEW and PLC，that complete determination to solid-liquid two-phase pump performance parameters influencing factors.

solid liquid two phase flow pump；test experiment system；LabVIEW；monitoring system；pump performance parameters

TH137.51

：A

：1009－9492(2014)11－0045－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.012

潘 越，男，1972年生，黑龍江雙鴨山人，博士后，副教授。研究領(lǐng)域：大型設(shè)備的故障診斷和煤礦機(jī)電。

(編輯：阮 毅)

2014－07－02