Автоматизированный стенд для испытаний крыльчаток вентиляторов
AUTOMATED TEST BENCH FOR IMPELLERS OF FANS

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к стендам для испытаний крыльчаток вентиляторов, как центробежных, так и осевых.
Известен стенд для аэродинамических испытаний вентиляторов, оснащенный электроприводом [1]. Однако в конструкции стенда не предусмотрена возможность проведения испытаний крыльчаток.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является стенд для испытания приводных электродвигателей вентиляторов [2], содержащий электропривод с выходным валом, на котором установлено устройство для крепления крыльчатки, пульт управления и индикации, блок управления, к которому подключены электропривод, датчик угловой скорости вращения вала и датчик силы тока электродвигателя электропривода.
Недостатками данного стенда являются, при его применении для испытаний крыльчаток вентиляторов:
- отсутствие возможности испытаний крыльчаток в соответствии с техническими требованиями;
- отсутствие средств автоматизации и обеспечения достаточной безопасности;
- низкие эргономические характеристики;
- низкая унификация, так как для каждого типа испытываемых устройств необходима соответствующая оснастка.
Задачей изобретения является:
- повышение безопасности и автоматизация процесса испытания;
- повышение эргономических характеристик.
Указанная задача решается за счет того, что в автоматизированный стенд для испытаний крыльчаток вентиляторов, содержащий электропривод с выходным валом, на котором установлено устройство для крепления крыльчатки, пульт управления и индикации, блок управления, к которому подключены электропривод, датчик угловой скорости вращения вала и датчик силы тока электродвигателя электропривода, дополнительно введены компоненты, обеспечивающие повышение безопасности эксплуатации: выходной вал электропривода с устройством для крепления крыльчатки размещен в установленном в направляющих съемном цилиндрическом кожухе, оснащенном датчиком положения кожуха «установлен - снят», при этом кожух размещен в защитном шкафу, оснащенном датчиком положения дверцы шкафа «открыто - закрыто», и зафиксирован его закрытой дверцей, а датчики положения подключены к блоку управления.
Блок управления стендом выполнен на основе программируемого логического контроллера, а пульт управления и индикации, подключенный к блоку управления, выполнен на основе сенсорной индикаторной панели, в состав пульта управления и индикации дополнительно введены световые индикаторы отображения режимов работы стенда.
Также в состав стенда введено автоматизированное рабочее место оператора на базе персонального компьютера, подключенного к контроллеру стенда, с программным обеспечением для формирования баз данных с результатами испытаний, генерации и регистрации отчетов по результатам испытаний.
Введение закрывающего испытываемую крыльчатку съемного цилиндрического кожуха обеспечивает:
- защиту оператора и окружающего персонала в процессе проведения испытаний;
- возможность быстрой замены крыльчатки, так как кожух не закреплен, легко снимается, устанавливается и фиксируется;
- цилиндрическая форма кожуха позволяет создавать при испытаниях ламинарный поток воздуха, что значительно снижает вибрации и шум при высоких скоростях; обеспечивается соответствие условий испытаний условиям эксплуатации объекта, кроме того, ввиду снижения сопротивления воздушного потока уменьшается потребление электроэнергии.
Совокупность перечисленных факторов обеспечивает надежную защиту и улучшает эргономические характеристики.
Установка съемного цилиндрического кожуха в направляющие обеспечивает его быструю, надежную центровку при установке, что ускоряет процесс подготовки испытаний крыльчаток, упрощает конструкцию.
Введение датчика положения кожуха «установлен - снят» исключает возможность проведения испытаний при снятом кожухе, что обеспечивает безопасность процесса.
Установка съемного цилиндрического кожуха в дополнительном защитном шкафу с дверцей, оснащенной датчиком положения «открыто - закрыто», обеспечивает:
- более надежную, гарантированную защиту оператора и персонала в случае нештатных ситуаций, например, если оператор забыл поставить защитный кожух, а датчик положения кожуха «установлен - снят» аварийно заблокировался, при этом исключена возможность поражения персонала при проведении цикла испытаний;
- кроме того, при проведении каких-либо подготовительных или других операций при снятом кожухе обеспечена защита установленной крыльчатки от поломок при нештатных случайных ударах.
Введение фиксации (прижима) кожуха дверцей защитного шкафа без каких-либо дополнительных устройств и приспособлений, например зажимов, защелок и т.п., делает процесс более удобным, ускоряет его, а конструкция упрощается.
Подключение датчиков положения к блоку управления обеспечивает гарантированную защиту от несанкционированного запуска, который возможно осуществить только через сенсорную панель, подключенную к программируемому логическому контроллеру (ПЛК).
Введение блока управления на основе ПЛК обеспечивает интерактивное и программное управление электроприводом стенда и обмен данными с автоматизированным рабочим местом (АРМ) оператора.
Введение ПЛК обеспечивает выбор и отображение режимов работы стенда, управления процессом испытаний, обмен данными с АРМ оператора.
Введение пульта управления и индикации, выполненного на основе сенсорной индикаторной панели, подключенной к ПЛК, используется для программного формирования виртуального пульта управления стендом и в качестве устройства оперативной индикации хода процессов испытаний. Также обеспечивается взаимодействие с АРМ оператора и отображение результатов испытаний.
Введение световых индикаторов отображения режимов работы стенда обеспечивает дополнительный контроль этапов испытания.
Введение кнопок включения, выключения и аварийного останова (как пульта мануального управления) обеспечивает включение-выключение электропитания стенда, экстренное отключение электропривода.
Введение АРМ оператора обеспечивает прием, хранение реквизитов и результатов испытаний, генерацию и регистрацию отчетов по результатам испытаний, хранение и отображение инструктивных материалов.
Введение персонального компьютера, подключенного к ПЛК, обеспечивает интерактивное управление процессами приема, хранения реквизитов и результатов испытаний, генерацию отчетов, обмен данными с ПЛК.
Введение программного обеспечения для формирования баз данных с результатами испытаний, генерации и регистрации отчетов по результатам испытаний обеспечивает выбор и отображение режимов работы, управления, обмен данными с АРМ, а также интерактивное управление процессами.
Приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает достижение технического результата, обеспечивающего решение задачи изобретения.
Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем признакам данного изобретения.
Это говорит о новизне предложенного технического решения.
Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, так как может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением выпускаемых серийно комплектующих и, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг. 1 изображена структурная схема стенда, на фиг. 2 - компоновочная схема стенда (вид спереди), на фото 1 - внешний вид опытного образца стенда, на фото 2 - размещение узлов системы принудительного жидкостного охлаждения (ПЖО) электропривода в шкафу системы ПЖО (дверца открыта), на фото 3 - размещение системы управления (СУ) в шкафу СУ (дверца открыта), на фото 4 - защитный шкаф с открытой дверцей и установленной крыльчаткой, на фото 5 - крыльчатка закрыта съемным цилиндрическим кожухом (дверца защитного шкафа открыта), на фото 6 - крыльчатка после испытания на разрушение (цилиндрический защитный кожух снят).
Автоматизированный стенд для испытания крыльчаток вентиляторов содержит (фиг. 1): автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора 1, включающее в себя персональный компьютер 1.1 и принтер 1.2, датчик положения «установлен - снят» 2, датчик положения «открыто - закрыто» 3, датчик потока охлаждающей жидкости 4, панель мануального управления 5 с кнопкой включения 5.1, кнопкой выключения 5.2 и кнопкой аварийного останова 5.3, пульт управления и индикации на основе сенсорной панели 6, блок управления на основе программируемого логического контроллера (ПЛК) 7, частотный преобразователь 8, корпус 9 электропривода 10, выходной вал электропривода с устройством для крепежа 11 крыльчатки 12, съемный цилиндрический кожух 13, установленный в направляющих 14 и взаимосвязанный с датчиком положения «установлен - снят» 2, защитный шкаф 15 с дверцей 16, взаимосвязанной с датчиком ее положения «открыто - закрыто» 3 и снабженной запирающим устройством 17, систему принудительного жидкостного охлаждения 18 электропривода 10, с вмонтированным датчиком потока охлаждающей жидкости 4, панель световых индикаторов 19 отображения режимов состояния стенда: 19.1 - «проверка»; 19.2 - «исходное»; 19.3 - «испытание»; 19.4 - «разрушение». Электропитание стенда осуществлено от блока питания 20. Один из возможных вариантов компоновки стенда (фиг. 2) содержит металлический каркас 21 со столешницей 22, под которой закреплен корпус 9 с электроприводом 10 внутри, при этом вал электропривода 10 с устройством 11 для крепления крыльчатки 12 через отверстия в столешнице 22 и в дне защитного шкафа 15, расположен под съемным цилиндрическим кожухом 13, который установлен в направляющих 14 и зафиксирован (прижат) закрытой дверцей 16, снабженной запирающим устройством 17. Прижатие кожуха 13 может быть осуществлено или непосредственно дверцей 16, или через пружину, или через упругую прокладку и т.п. (не показано). Над столешницей 22 на задних выносных стойках 23 каркаса 21 в унифицированных шкафах 24, 25 с открывающимися вперед дверцами установлены: в шкафу 24 - узлы системы принудительного жидкостного охлаждения 18, подключенные по трубопроводам или шлангам (не показаны) к электроприводу 10, и панель световых индикаторов 19 - на дверце; в шкафу 25 - панель мануального управления 5 (на дверце); пульт управления и индикации 6 (на дверце); блок управления 7 (внутри шкафа - не показан); частотный преобразователь 8 (внутри шкафа - не показан); блок питания 20 (внутри шкафа - не показан). Персональный компьютер 1.1 (в планшетном исполнении) установлен на эргономичном шарнирном рычаге 26, закрепленном на стойке 23, с возможностью вращения вокруг ее оси.
Опытный образец стенда изготовлен для автоматизации процессов контрольных испытаний крыльчаток типа Т10207802 и G59053M центробежных вентиляторов, применяемых для комплектации тепловых систем автомобилей, выпускаемых ОАО «АВТОВАЗ» (фиг. 1, 2, фото 1-6).
Конструкция стенда, в основном, скомплектована из выпускаемых российской промышленностью покупных элементов с незначительными доработками. В качестве электропривода 10 использован общепромышленный нагрузочный шпиндель ЕТ80-2,5 kW с диапазоном скоростей вращения выходного вала 1000-24000 об/мин и биением на валу 0,00125 мм. В качестве каркаса 21 использован лабораторный стол с доработанной столешницей 22. Шкафы 9, 15, 19 и 25 - покупные с незначительными доработками. Система принудительного жидкостного охлаждения 18 (штатная, с нагрузочным шпинделем - электропривод 10), содержащая резервуар теплоносителя, вентилятор, помпу, радиатор (не показаны) и датчик потока охлаждающей жидкости 4. В качестве датчиков положения 2, 3 могут быть использованы различные конструктивные варианты: индуктивные, концевые выключатели, оптопары и т.п., поэтому их установка в конструкции на прилагаемых чертежах не показана. Направляющие 14 могут быть выполнены в виде внутренних или наружных колец, закрепленных на столешнице 22, или в виде различного рода ловителей, например штыревых.
Автоматизированный стенд для испытаний крыльчаток вентиляторов (фиг. 1, 2) работает следующим образом.
Объект испытаний - крыльчатка 12 - устанавливается на вал шпинделя (электропривода 10) и зажимается устройством для крепления 11. Съемный цилиндрический кожух 13 позиционируется по направляющим 14, прижимается ко дну защитного шкафа 15 дверцей 16, которая фиксируется запирающим устройством 17. После испытания выемка крыльчатки 12 производится в обратной последовательности. Управление стендом осуществляется с помощью специально разработанного комплекса средств программного обеспечения (СПО).
Основные функции пакета программ АРМ стенда:
- регистрация и авторизация пользователей;
- разделение прав доступа пользователей (управляющие функции доступны только администраторам);
- обмен данными с ПЛК стенда;
- вывод на экран текущего состояния стенда;
- регистрация и хранение результатов испытаний;
- управление базой данных;
- формирование, вывод на печать протоколов испытаний;
- программная поддержка процессов контроля и наладки СПО ПЛК (имитация источников сигналов и исполнительных устройств стенда).
Задание режимов объекта испытаний - крыльчатки - осуществляется с помощью экранных форм (окон), которые выводятся на экраны пульта управления и индикации 6 и (или) на экран персонального компьютера 1.1. На экранах последовательно отображаются: окно запроса номера пользователя, окно запроса пароля, главное окно администратора, главное окно пользователя, индикация состояний подсистем стенда, форма результатов испытаний и др.
Главное окно программы состоит из следующих элементов.
1. Экранная кнопка установления/разрыва соединения с ПЛК.
2. Надпись, указывающая тип авторизованного пользователя.
3. Вкладка состояния стенда (доступна для всех пользователей). Отображает текущие параметры стенда. Данные доступны, если соединение с ПЛК установлено.
4. Вкладка реквизитов испытания. Содержит реквизиты испытаний (тип испытуемого изделия, дополнительный комментарий) и инструменты для просмотра базы данных испытаний (администратору доступны экранные кнопки для управления).
5. Вкладка процессов имитации комплекса технических средств (КТС) стенда, доступна администраторам. Содержит инструменты для имитации состояния подсистем стенда. Функция доступна, если установлено соединение с ПЛК.
6. Вкладка реквизитов пользователи (доступна администраторам). Содержит инструменты для создания, удаления и редактирования реквизитов пользователей.
7. Вкладка объектов испытаний. Содержит перечень реквизитов объектов (доступна администраторам). Содержит инструменты для создания, удаления и редактирования перечня реквизитов объектов.
8. Окно сообщений. Отображает действия пользователя, регламентированные события, происходящие в процессе испытаний.
В процессе применения программных средств АРМ стенда пользователь перемещается по доступным вкладкам программы, выполняет необходимые действия в соответствии с решаемой задачей.
Если подключение АРМ к ПЛК установлено, процесс испытания завершен, АРМ автоматически
- принимает отчет ПЛК с результатами испытаний;
- сохраняет отчет с указанными настройками в базе данных;
- выводит соответствующую информацию в окне сообщений.
В правой части всех экранных форм размещена панель состояния, отображающая текущее состояние стенда:
- корпус модуля объекта (дверца корпуса открыта / закрыта);
- кожух объекта (установлен / снят);
- результат последнего испытания (сохранение / разрушение объекта);
- число оборотов ротора шпинделя;
- сила тока, потребляемого двигателем;
- текущий пользователь (реквизиты);
- режим подготовки к испытаниям, обслуживания стенда.
В верхней зоне левой части экранных форм, кроме начальной, размещено поле служебной информации, предназначенное для отображения наименования режима работы, состояния стенда, реквизитов пользователя или объекта испытаний.
В форме «Управление программами» размещены виртуальные кнопки выбора параметров испытаний, которые заносятся в память ПЛК как реквизиты стандартизованной программы испытаний. Программы идентифицируются по номеру, выполняются в режиме «Автомат».
В форме «Управление программами» обеспечивается задание реквизитов:
- «Выбор программы» - идентификационный номер программы испытаний;
- «Количество циклов» - количество повторно выполняемых испытаний;
- «Время между циклами» - интервал времени «покоя»;
- «Время цикла» - интервал времени стабилизации скорости ротора шпинделя;
- «Время разгона» - интервал времени разгона ротора до заданной скорости;
- «Скорость вращения» - заданная в программе скорости ротора шпинделя.
В форме «Выбор пользователя» с применением имени пользователя (шифр, табельный номер) и пароля производится авторизация исполнителя испытаний, выполняемых в задаваемом режиме работы стенда.
В форме «Режим испытания» производится выбор режима испытания из набора: «Автомат», «Цикл» и «Ручное», а также регистрируется тип объекта испытаний. Другие реквизиты, при необходимости, вводятся для формирования отчета при работе с АРМ оператора стенда.
В форме режима «Автомат» применяются виртуальные кнопки:
- «Выбор программы» - обращение к реквизитам испытаний, заданных в форме «Управление программами»;
- «Старт» - запуск процесса испытаний по выбранной программе;
- «Результаты» - отображение в форме, передача данных в базу ПЛК и в АРМ оператора стенда.
Все цифровые поля формы являются индикационными, отображают заданные программой параметры и ход процесса испытаний.
Порядок работ с применением СПО ПЛК
Начало работы, общая информация
В правой части меню панели оператора размещен блок состояния, состоящий из полей:
- «Пользователь» - цифровое поле из шести разрядов, содержащее имя текущего пользователя, по умолчанию указан пользователь «000000»;
- «Последнее испытание» - трехпозиционный индикатор результата последнего испытания с состояниями «неизвестно», «не разрушено» и «разрушено», по умолчанию показывается режим «неизвестно»;
- «Сила тока шпинделя, А» - сила тока, протекающего через шпиндель в текущий момент времени, отображается в амперах;
- «Скорость шпинделя, об/мин» - скорость вращения ротора шпинделя;
- кнопка «Дверь», открывающая / закрывающая замок на дверце корпуса модуля объекта испытаний; кнопка срабатывает на закрывание, если сработали датчики состояния дверцы (закрыто) и положения кожуха объекта (установлен);
- двухпозиционный индикатор состояния дверцы модуля объекта испытаний (открыто / закрыто);
- двухпозиционный индикатор «Кожух» (установлен / снят);
- виртуальная кнопка с фиксацией «Обслуживание», блокирующая работу электропривода, по принципу действия аналогична физической кнопке «Стоп»;
- в верхней части блока состояния размещено индикационное поле, на которое выводится служебная информация.
Для обеспечения безопасности испытание производится после срабатывания датчиков дверцы и кожуха, применения виртуальной кнопки «Дверь».
Кнопка «Обслуживание» применяется для остановки шпинделя, также обеспечивая безопасность, защиту от случайного запуска.
В экранных формах, кроме начального, расположены виртуальные кнопки возврата к окну «Главное меню», к предыдущей форме («Назад»). Данные кнопки деактивируются в ходе выполнения испытания.
При старте системы открывается форма «Начальное окно», инициализируется пользователь «000000», обнуляются все устанавливаемые параметры. Для начала работы со стендом необходимо применить кнопку «Начать работу», перейти к окну «Главное меню».
В окне главного меню осуществляется переход к окнам, в которых реализованы основные функции стенда. Кнопки «Управление программами» и «Реквизиты пользователей» доступны пользователю «000000».
Реквизиты пользователей
В экранной форме выполняется установка реквизитов пользователей:
- имя, состоящее из шести цифр;
- пароль, состоящий из шести цифр;
- разрешенные угловые скорости, в диапазоне от 1000 до 15000 (пять цифр);
- права на применение режимов испытаний задаются виртуальными кнопками: «Ручное», «Цикл», «Автомат» (активация кнопки - разрешено).
Системой зарезервированы пользователи:
- 999999 с паролем ХХХХХ - пользователь является администратором;
- 999998 - пользователь является служебным скрытым;
- 000000 - реквизит загружается при старте системы.
Управление программами
В экранной форме выполняется установка параметров программ режима испытаний «Автомат». Для формирования реквизитов необходимо выбрать редактируемую программу (номер), задать количество циклов испытания, время одного цикла, интервал между циклами, время разгона ротора шпинделя и скорость вращения ротора шпинделя.
При нажатии кнопки «Сохранить» происходит запись параметров программы испытаний в память ПЛК.
Выбор пользователя
В окне программы производится смена текущего пользователя путем задания комбинации: имя-пароль, активации кнопки «Ввод». Если комбинация отсутствует в базе данных, смен пользователя не происходит.
История испытаний
В окне панели представлена история последних пяти испытаний. Каждое испытание идентифицируется датой, которая отображается справа от кнопок выбора испытания. Формат цифрового поля: год-месяц-число-час-минута, например: 1411201038, где 14 - год, 11 - месяц, 20 - число, 10 - час, 38 - минута.
В каждый момент времени одна из кнопок выбора испытания активирована. Испытание, выбранное этой кнопкой, является выделенным и загруженным в память, его результат можно просмотреть, нажав на кнопку «Просмотр».
Диагностика
В окне панели производится тестирование подсистем стенда. При этом отображаются параметры:
- «Сила тока» - сила тока, протекающего через шпиндель;
- «Напряжение шпинделя» - напряжение на двигателе шпинделя;
- «Охлаждение» - индикация наличия потока охлаждающей жидкости;
- «Помпа охлаждения» - кнопка включения помпы охлаждения шпинделя;
- «Инвертор» - индикатор функционирования частотного преобразователя электропривода;
- «Имитатор» - функция заменяет данные, поступающие с входов и выходов подсистем стенда на данные, принимаемые из АРМ оператора стенда, что позволяет выполнять тестирование программной части ПЛК;
- «АРМ» - индикация подключения АРМ к локальной сети стенда;
- «Тревога» - проверка работоспособности физической кнопки «Стоп»;
- «Старт» тестового режима - запуск тестового режима на скорости 3000 об/мин используется для контроля показаний датчиков.
Испытание
В экранной форме производится выбор режима испытания и задание типа крыльчатки - объекта испытаний. Тип крыльчатки задается в шестизначном поле и является информационным значением. По умолчанию выбран тип 000000.
Затем пользователь осуществляет переход к окну, в котором режимы испытаний («Автомат», «Цикл», «Ручное»).
Ручное
В окне панели обеспечивается проведение испытания в режиме ручного управления, осуществляются: разгон, стабилизация скорости вращения ротора шпинделя и торможение.
Перед выполнением испытания необходимо задать длительность интервала стабилизации скорости (время цикла), время разгона и скорость шпинделя.
Во время испытания происходит обратный отсчет и индикация оставшегося времени испытания. Возможно досрочное завершение испытания.
После завершения испытания есть возможность начать новое или открыть результаты последнего испытания, нажав на кнопку «Результаты».
Цикл
В окне панели обеспечивается проведение испытания в режиме «Цикл».
Испытание состоит из нескольких циклов (от 1 до 5) равной длительности, заданной параметром «Время цикла», циклы разделены интервалами, заданными параметрами «Время между циклами».
В рамках каждого цикла происходит разгон за время, заданное параметром «Время разгона», до скорости, заданной параметром «Скорость», стабилизация числа оборотов на данной скорости до конца цикла, торможение ротора и выдержка интервала между циклами.
Во время испытания происходит обратный отсчет и индикация оставшегося времени испытания. Возможно досрочное завершение испытания.
После завершения испытания есть возможность начать новое или открыть результаты последнего испытания, нажав на кнопку «Результаты».
Автомат
В данной форме отображается процесс испытаний в режиме «Автомат».
Выполняются программы, предварительно заданные Администратором в окне «Управление программами». Режим аналогичен режиму «Цикл» с фиксированными параметрами.
После завершения испытания есть возможность приступить к новому испытанию или открыть результаты последнего испытания, нажав на кнопку «Результаты».
Результаты испытаний
В форме отображаются результаты испытания.
Переход к форме также выполняется в окне «История испытания» путем выделения одного из последних пяти испытаний. По умолчанию, выделено последнее выполненное испытание.
В результаты испытания входят:
- режим испытания;
- время цикла;
- время между циклами;
- количество циклов;
- время разгона;
- угловая скорость;
- тип крыльчатки;
- момент разрушения.
Скорость разрушения указывается в поле из шести цифр, см. таблицу.
В случае отсутствия разрушения поле имеет значение 000000.
Источники информации
1. А.с. СССР №384038, М. кл. G01М 9/00, F04D 25/04, «Стенд для аэродинамических испытаний вентиляторов», опубл. 23.05.1973, бюл. №24 (аналог).
2. А.с. СССР №779842, М. кл. G01M 15/00, «Стенд для испытаний приводных электродвигателей вентиляторов», опубл. 15.11.1980, бюл. №42 (прототип).