Разработка программного обеспечения стенда для контроля технического состояния объемных гидроприводов

В настоящее время в различных отраслях экономики Российской Федерации активно развивается процесс цифровизации. Данный процесс не обошел стороной сельское хозяйство. Министерством сельского хозяйства РФ в рамках реализации национальной платформы «Цифровое сельское хозяйство» было обозначено, что одной из приоритетных задач является цифровое трансформирование сельскохозяйственной отрасли за счет внедрения новых цифровых, информационных, телекоммуникационных технологий и средств, обеспечивающих технологический прорыв за счет увеличения урожайности, производительности труда и других показателей.

Увеличение производительности труда в сельскохозяйственной отрасли невозможно без современной энергонасыщенной, высокопроизводительной техники, в конструктивное исполнение которой входят цифровые средства диагностирования, а именно бортовая компьютерная система, реализованная с помощью электронного блока управления (ЭБУ). Основной функцией ЭБУ является контролирование параметров работы различных систем, сообщение о неисправностях и плановом техническом обслуживании. В научных работах исследователи отмечают сложность контроля технического состояния гидроагрегатов привода ходовой части (объемного гидропривода) системой ЭБУ в процессе эксплуатации техники [1–3]. 502

Это связано, прежде всего, с большим количеством диагностируемых параметров, различной конструкцией систем управления, защиты и контроля, невозможностью определения наиболее значимых параметров диагностирования (объемного КПД и выходного крутящего момента). Достоверно контролировать техническое состояние объемных гидроприводов и делать заключение об их работоспособности возможно только с помощью современных стационарных средств диагностирования (гидравлических стендов), имеющих в своем составе персональный компьютер со специализированным программным обеспечением (ПО) [4; 5].

Существующие и применяемые сегодня средства диагностирования в условиях ремонтных предприятий и сервисных центров не имеют в своем составе специализированного программного обеспечения и лишены возможности подключения к персональному компьютеру, что сказывается на качестве и достоверности диагностики.

Поэтому актуальным научным направлением является разработка стационарного средства диагностирования со специализированным программным обеспечением для контроля технического состояния отечественных и зарубежных объемных гидроприводов в условиях ремонтных предприятий и сервисных центров [6–8].

Цель исследования – описать функциональные возможности нового

Процессы и машины агроинженерных систем специализированного ПО гидравлического стенда для контроля технического состояния отечественных и зарубежных объемных гидроприводов в условиях ремонтных предприятий и сервисных центров, а также реализовать стендовые испытания для подтверждения достоверности диагностирования объемных гидроприводов с использованием гидравлического стенда и ПО.

В статье содержатся не опубликованные ранее материалы, полученные в результате диссертационного исследования [1].

Обзор литературы

Отечественное и зарубежное оборудование, в составе которого имеется специализированное программное обеспечение с различным набором функциональных возможностей, используется для контроля технического состояния бывших в эксплуатации и отремонтированных объемных гидроприводов в условиях ремонтных предприятий и сервисных центров. Внастоящее времясерийно выпускается следующее оборудование: стенд СДГ-И компании ООО «Гидроспецстенд» (г. Москва) [9]; испытательный стенд компании ООО «ГидроСпецПрибор» (г. Омск) [10]; испытательный гидравлический стенд «Ярстройрезерв» (г. Ярославль) [11]; портативный гидротестер MYHT производства Jinan Highland Hydraulic Pump Co. (Китай) [12]; гидротестер серии CT 300R-SR-B-B-6 компании Webtec (Великобритания) [13].

Производственная компания ООО «Гидроспецстенд» выпускает стенды серии СДГ-И, в составе которых имеется ПО, позволяющее собирать и обрабатывать информацию с датчиков в режиме реального времени. В качестве достоинств программного обеспечения отмечается возможность регистрации таких параметров диагностирования объемного гидропривода, как давление в гидравлических линиях, подача/рас-ход и температура рабочей жидкости в режиме реального времени, а также хранение и обработка измерительной информации. Среди недостатков ПО ограниченные диапазоны и количество исследуемых параметров диагностирования объемного гидропривода, низкая точность и достоверность результатов (погрешность измерения 3 %), невозможность контролировать наиболее важные параметры диагностирования (фактический крутящий момент гидромотора и объемный КПД испытуемого объемного гидропривода)1 [3].

ООО «ГидроСпецПрибор» производит испытательные стенды, в которых в качестве измерительной аппаратуры используются гидротестеры ГТ-600М, имеющие специализированное ПО и возможность подключения к персональному компьютеру [14; 15]. Достоинства гидротестера и ПО – простота пользовательского интерфейса, низкая стоимость, возможность регистрации в процессе испытаний подачи/расхода рабочей жидкости, давления, объемного КПД. Недостатки - невозможно контролировать температуру рабочей жидкости с помощью ПО и сохранять отчеты об испытаниях объемного гидропривода, гидротестер сложно монтировать в линию объемного гидропривода, нельзя определить фактический крутящий момент, развиваемый гидромотором [16].

В испытательном стенде компании «Ярстройрезерв» используется ПО, разработанное компанией Jinan Highland Hydraulic Pump Co. ПО позволяет собирать и обрабатывать измерительную информацию со всех датчиков стенда в режиме реального времени и отображает ее в виде графических зависимостей (давление-время, объемный КПД - давление, давление, по-дача/расход-время, давление-подача/ расход) [2; 17; 18]. У ПО есть следующие недостатки: необходимо наличие сложных и дорогостоящих электронных компонентов для реализации связи программы с датчиками стенда, невозможно контролировать и выводить на график такие параметры диагностирования, как фактический крутящий момент гидромотора, частота вращения гидронасоса/гидромотора и температура рабочей жидкости. Измерительная база данных об испытанных объемных гидроприводах отсутствует. Следует отметить и такой недостаток, как отсутствие русскоязычного пользовательского интерфейса, что затрудняет использование данного ПО на территории Российской Федерации [19; 20].

Компания Jinan Highland Hydraulic Pump Co. серийно выпускает портативные гидротестеры для контроля технического состояния объемных гидроприводов марки MYHT, которые могут применяться в составе испытательных стендов. Гидротестеры имеют специализированное программное обеспечение с возможностью подключения к персональному компьютеру. ПО гидротестеров имеет следующие достоинства: программа обеспечивает контроль подачи/расхода и температуры рабочей жидкости, развиваемого давления испытуемого объемного гидропривода и рассчитывает величины объемного КПД объемного гидропривода [21]. Среди недостатков большая погрешность измерения (2,5 %); сложность монтажа в магистраль гидравлической системы объемного гидропривода; невозможно контролировать и выводить на график фактический крутящий момент

Том 31, № 4. 2021 гидромотора испытуемого объемного гидропривода, частоты вращения гидро-насоса/гидромотора; нельзя сохранять результаты проведенных испытаний; отсутствует русскоязычный пользовательский интерфейс.

Гидротестер компании Webtec предназначен для проверки работоспособности объемных гидроприводов и оснащен портативным считывающим устройством с возможностью подключения к персональному компьютеру. Для реализации связи портативного считывающего устройства и персонального компьютера компания разработала ПО HPMComm версии 7.1. Основные достоинства - регистрация давления в линиях объемного гидропривода, подачи/ расхода и температуры рабочей жидкости в режиме реального времени с построением графических зависимостей; высокая точность измерения обозначенных параметров диагностирования (погрешность не более 1 %); возможность анализа полученных измерительных результатов [13; 22]. Однако отмечены следующие минусы: высокая стоимость гидротестера и портативного считывающего устройства; невозможно контролировать частоту вращения гидронасоса/гидромотора и определять фактический крутящий момент гидромотора испытуемого объемного гидропривода; базы данных испытанных гидроагрегатов отсутствуют; нельзя получить объемный КПД гидропривода в целом; нет русскоязычного пользовательского интерфейса [23].

Анализ научно-технической литературы и информационных материалов заводов-изготовителей позволил установить, что существующее в настоящее время программное обеспечение не позволяет оценить все характеристики объемного гидропривода, а ряд программ имеют достаточно большую погрешность измерения (от 2,5 до 3,0 %), что не соответствует требованиям

ГОСТа 171082 [1; 3; 4]. У зарубежного ПО высокая стоимость, ограниченные функциональные возможности и отсутствует русскоязычный пользовательский интерфейс.

Опираясь на опыт исследователей, описанный выше, сотрудники кафедры технического сервиса машин МГУ им. Н. П. Огарёва спроектировали новый гидравлический стенд, позволяющий контролировать техническое состояние гидроагрегатов в соответствии с методическими рекомендациями отечественных и зарубежных заводов-изготовителей [1]. Авторский коллектив ставит перед собой актуальную задачу разработать собственное программное обеспечение для нового гидравлического стенда, чтобы повысить точность и достоверность оценки параметров диагностирования.

Материалы и методы

Специализированное ПО применяется при диагностировании объемных гидроприводов на гидравлическом стенде и позволяет реализовать сбор, обработку и сохранение данных с датчиков в процессе испытания (датчики частоты вращения ISB A2A-31P-4-LZ, подачи/расхода CT-300R-SR-B-B-6, дав-ления/температуры SR-PTT-600-05-0C). ПО рассчитывает и выводит значения КПД и крутящего момента испытуемого объемного гидропривода, проводит внелабораторный анализ процесса испытаний в графическом, текстовом и видеоформатах, а также тарировку датчиков, хранит результаты испытаний в электронной библиотеке программы [24; 25].

ПО работает под управлением операционной системы Microsoft Windows 7 x86 (32-bit) и устанавливается на персональном компьютере, расположенном в блоке обработки данных гидравлического стенда, который представлен на рисунке 1.

Блок обработки данных гидравлического стенда включает в себя многофункциональную плату сбора данных National Instruments USB-6251 4 , обеспечивающую обработку, преобразование и передачу выходных измерительных сигналов с датчиков стенда в персональный компьютер 5 с последующим выводом измерительной информации в окно визуализации 2 . Коннектор-ный блок National Instruments SCB-68 6 обеспечивает согласование, питание и передачу измерительных сигналов с датчиков стенда в плату сбора данных USB-6251. Связь датчиков стенда с блоком обработки данных осуществляется с помощью кабеля связи через специализированный разъем 7 .

Специализированное ПО разработано в среде National Instruments LabVIEW 2012 на графическом языке программирования G. Оно имеет модульную структуру и состоит из основной программы, программ вне-лабораторного анализа полученных данных и настройки портов передачи измерительных данных.

ПО можно инсталлировать на любой персональный компьютер, не входящий в состав гидравлического стенда. Однако в данном случае функции, связанные с измерениями параметров диагностирования испытуемых объемных гидроприводов, будут недоступны.

Результаты исследования

Авторский коллектив разработал новое специализированное программное обеспечение для гидравлического стенда [1]. Оно способно контролировать все параметры диагностирования отечественных и зарубежных объемных гидроприводов, регламентированные заводами-изготовителями [4–8].

Р и с. 1. Блок обработки данных гидравлического стенда: 1 – терминал;

2 – окно визуализации; 3 – антивандальная клавиатура; 4 – многофункциональная плата сбора данных National Instruments USB-6251; 5 – персональный компьютер; 6 – коннекторный блок National Instruments SCB-68; 7 – разъем для подключения кабеля связи

F i g. 1. Data processing unit of hydraulic bench: 1 – terminal; 2 – visualization window;

3 – vandal-proof keyboard; 4 – National Instruments USB-6251 multifunctional data collection board;

5 – personal computer; 6 – National Instruments SCB-68 connector block;

7 – connector for communication cable

Разработанное ПО обеспечивает

– сбор, обработку и анализ значений параметров диагностирования испытуемых объемных гидроприводов в режиме реального времени;

– расчет и вывод измерительной информации;

– сохранение всех результатов испытаний в базу данных;

– сохранение экспериментальных данных в файл с дискретностью не реже 10 записей в 1 секунду в формате, совместимом с Microsoft Office Excel;

– проведение внелабораторного анализа зарегистрированных данных процесса испытаний;

– сохранение графиков функций, отображающих историю измерения переменных процесса испытаний в файле графического формата (.jpg, .bmp или др.);

– масштабирование полученных в результате испытаний графиков функций;

– выбор определенного набора параметров диагностирования для визуализации на экране;

– тарировку датчиков гидравлического стенда;

– сохранение отчета об испытаниях в формате, совместимом с Microsoft Office Word;

– хранение данных испытуемых гидроагрегатов с возможностью ввода паспортных значений.

Главное окно разработанного ПО представлено на рисунке 2. Окно позволяет управлять измерительным процессом, записывать результаты испытания объемных гидроприводов и обрабатывать их.

Блок 1 состоит из пяти стрелочных индикаторов и предназначен для отображения текущих значений параметров процесса испытания объемных гидроприводов. На индикаторах одновременно отображаются четыре измеряемые физические величины и две расчетные. Измеряемые величины: давление в линии нагнетания P _НАГ, МПа; объемная подача гидронасоса и расход гидромотора Q НАГ / Q расх , л/мин; давление в линии управления P _упр, МПа.

Расчетные величины: выходной крутящий момент M , Н∙м; коэффициент полезного действия КПД, %. Также на стрелочном индикаторе возможно отображение одного из трех видов КПД, а именно: объемный КПД гидронасоса, объемный КПД гидромотора и общий КПД объемного гидропривода в целом.

Блок цифровых индикаторов 2 состоит из шести цифровых индикаторов и предназначен для отображения текущих значений параметров процесса испытания. На индикаторах одновременно отображаются следующие измеряемые величины: частота вращения гидромотора N _ГМ, об/мин; частота вращения гидронасоса N _ГН, об/мин; температура рабочей жидкости в линии нагнетания 1 объемного гидропривода T _ЛН1, ºС; температура рабочей жидкости линии нагнетания 2 объемного гидропривода T _ЛН2, ºС;

Р и с. 2. Главная лицевая панель специализированного программного обеспечения:

1 – блок стрелочных индикаторов; 2 – блок цифровых индикаторов; 3 – графический индикатор, отображающий временные диаграммы измерительных параметров диагностирования испытуемых гидроагрегатов; 4 – информационный блок; 5 – блок управляющих кнопок

F i g. 2. The main front panel of specialized software: 1 – block of pointer-type indicators;

2 – block of digital indicators; 3 – graphical indicator for displaying time charts of measuring parameters of diagnosing the tested hydraulic units; 4 – information block; 5 – control button block

Processes and machines of agroengineering systems                                           507

ETS)

температура рабочей жидкости в линиях нагружающего устройства T _ЛНагр, ºС; расход в линии нагружающего устройства Q ЛНагр , л/мин.

Графический индикатор 3 отображает временные диаграммы измерительных параметров, состоит из основного поля временных диаграмм, набора шкал для измеряемых физических величин и блока выбора отображаемых измеряемых величин и цветовой настройки отображаемых кривых. Набор шкал состоит из давления, температуры, по-дачи/расхода, частоты вращения, крутящего момента и КПД.

Информационный блок 4 предназначен для отображения информации о типе испытуемого гидроагрегата. Строка испытуемого гидроагрегата заполняется автоматически после выбора объекта испытания (диагностирования) в библиотеке программы.

Блок управляющих кнопок 5 задает параметры испытания и отображения данных, управляет процессом испытания и сохраняет измерительную информацию. Кнопка сохранения изображения главного окна позволяет сохранить изображение главного окна в виде файла формата .png.

Основным блоком, позволяющим управлять ходом испытаний объемных гидроприводов, является блок управляющих кнопок, который содержит три раскрывающихся списка «Тип

Том 31, № 4. 2021

измерения», «Нагнетание» и «КПД». Данные списки в раскрытом виде представлены на рисунке 3.

Список «Тип измерения» (рис. 3a) позволяет задавать необходимый режим испытания объемного гидропривода (режим определения КПД или максимального давления P max ). Список «Нагнетание» (рис. 3b) позволяет установить гидравлическую линию, которая будет являться нагнетающей. Выбор данного параметра не оказывает влияния на работу стенда, однако важен для обработки измерительной информации. Список «КПД» (рис. 3c) позволяет выбрать вид КПД отображаемого на стрелочном индикаторе «КПД» блока стрелочных индикаторов. Доступны три вида КПД: «Об. ГН» – объемный КПД гидронасоса; «Об. ГМ» - объемный КПД гидромотора; «Общий» - общий КПД гидропривода.

Для анализа измерительной информации и генерации отчета после проведения испытаний с объемными гидроприводами в разработанном специализированном программном обеспечении имеется модуль «Анализ». Данный модуль предназначен для обработки записанной во время испытания измерительной информации, а также для генерации отчета и экспорта изображений (зависимостей параметров диагностирования от времени).

• а)                                        b)                           с)

Р и с. 3. Раскрывающиеся списки настроек для выбора режима диагностирования испытуемых объемных гидроприводов: а) тип измерения; b) линия нагнетания; с) КПД диагностируемого гидроагрегата

F i g. 3. Drop-down lists of settings for selecting the diagnostic mode of the tested volumetric hydraulic drives: a) measurement type; b) pressure line; c) efficiency of the diagnosed hydraulic unit

Лицевая панель модуля «Анализ» (рис. 4) состоит из следующих блоков:

– строка оператора, проводившего стендовые испытания объемного гидропривода;

– список измерений, отображающий все записанные измерения, находящиеся в хранилище измерительной информации;

– комментарий к испытанию (вводится оператором при необходимости);

– основная область осциллограмм предназначена для отображения записанной в процессе испытания измерительной информации с датчиков гидравлического стенда;

– блок параметров испытуемого объемного гидропривода, который отображает паспортные значения параметров диагностирования испытуемого объемного гидропривода в виде таблиц;

– блок управляющих кнопок и индикаторов содержит управляющие кнопки, предназначенные для сохранения измерительной информации и генерации отчета испытания объемного гидропривода. Также в данный блок встроены вспомогательные индикаторы.

На разработанное специализированное программное обеспечение получен охранный документ Российской Федерации о защите результата интеллектуальной деятельности в виде свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019614369.

Для подтверждения достоверности диагностирования объемных гидроприводов на гидравлическом стенде со специализированным программным обеспечением была реализована серия стендовых испытаний. В качестве объекта исследований использовали отечественный объемный гидропривод ГСТ-90 ООО «СалаватГидравлика», применяемый как привод ходовой части в конструкциях зерно- и кормоуборочных комбайнов в количестве девяти новых комплектов. Стендовые испытания проводились в соответствии с методическими рекомендациями завода-изготовителя

Р и с. 4. Лицевая панель модуля «Анализ» разработанного специализированного программного обеспечения

F i g. 4. The front panel of the module “Analysis” of the developed specialized software

ООО «СалаватГидравлика» [4]. В качестве рабочей жидкости применялось гидравлическое масло МГЕ-46В (OILRIGHT), соответствующее требованиям ГОСТа 17479.33.

На рисунке 5 представлено окно специализированного ПО, которое отображает процесс стендовых испытаний с новым объемным гидроприводом ГСТ-90 в режиме реального времени.

По результатам проведенных испытаний специализированным програм-

Том 31, № 4. 2021 мным обеспечением формируется отчет о техническом состоянии испытуемого объемного гидропривода ГСТ-90. В таблице представлен файл отчета, содержащий фактические значения параметров диагностирования, полученные в режиме реального времени. Файл отчета базируется на усовершенствованной методике, основные положения которой были изложены ранее [1].

На основании полученных результатов делается заключение о пригодности

Р и с. 5. Окно специализированного программного обеспечения, показывающее процесс проведения стендовых испытаний с новым объемным гидроприводом ГСТ-90: 1 – давление в линии нагнетания 2; 2 – давление в линии гидравлического нагружающего устройства для линии нагнетания 1; 3 – температура рабочей жидкости в линиях испытуемого объемного гидропривода;

• 4 – рабочее давление в линии нагнетания 1; 5 – подача гидронасоса в линии нагнетания 1;

• 6    – развиваемый гидромотором крутящий момент для линии нагнетания 1; 7 – давление в линии нагнетания 1; 8 – давление в линии гидравлического нагружающего устройства для линии нагнетания 2; 9 – рабочее давление в линии нагнетания 2; 10 – подача гидронасоса в линии нагнетания 2; 11 – развиваемый гидромотором крутящий момент для линии нагнетания 2

F i g. 5. Window of specialized software showing the process of conducting bench tests with the new GST-90 volumetric hydraulic drive: 1 – pressure in the pressure line 2; 2 – pressure in the line of the hydraulic loading device for the pressure line 1; 3 – temperature of the working fluid in the lines of the tested volumetric hydraulic drive; 4 – working pressure in pressure line 1; 5 – hydraulic pump supply in pressure line 1; 6 – developed torque by the hydraulic motor for pressure line 1; 7 – pressure in the pressure line 1; 8 – pressure in the line of the hydraulic loading device for the pressure line 2;

• 9    – working pressure in pressure line 2; 10 – hydraulic pump supply in pressure line 2; 11 – developed torque by the hydraulic motor for pressure line 2

испытуемого объемного гидропривода к дальнейшей эксплуатации. Для этого используется специализированный индикатор, который находится внизу файла отчета (табл.). Если испытуемый объемный гидропривод работоспособен, то индикатор имеет зеленый цвет. Если испытуемый объемный гидропривод неработоспособен (падение величины объемного КПД более 20 %), то индикатор имеет красный цвет.

Из таблицы видно, что в ходе проведения испытаний на гидравлическом стенде с использованием разработанного ПО было сформировано заключение о работоспособности испытуемого ГСТ-90 и определены все параметры его диагностирования с погрешностью измерений, не превышающей 1 %. Полученные результаты (табл.) не противоречат требованиям завода-изготовителя и соответствуют ГОСТу4.

Т а б л и ц а T a b l e

Отчет о результатах стендовых испытаний нового объемного гидропривода ГСТ-90 Report on the test results of the new GST-90 volumetric hydraulic drive

Параметр диагностирования / Parameter of the diagnostics	Паспортное значение / Passport value	Фактическое значение / Actual value
		Линия нагнетания 1 / Pressure line 1	Линия нагнетания 2 / Pressure line 2
1	2	3	4
Измеряемый / Measured Частота вращения вала гидронасоса, об/мин / Rotational rate of the hydraulic pump shaft, rpm Частота вращения вала	1 500	1 502	1 501
гидромотора, об/мин / Rotational rate of the hydraulic motor	1 450 ± 50	1 485	1 479
shaft, rpm Давление в линии нагнетания, МПа / Pressure in pressure line, MPa	27,00	27,10	27,20
Подача гидронасоса, л/мин / Hydraulic pump supply, l/min	126,82	126,91	126,87
Расход через гидромотор, л/мин / Flow rate through the hydraulic motor, l/min	126,82	126,89	126,83
Давление в линии управления, МПа / Pressure in control line, MPa	1,40	1,41	1,41
Температура рабочей жидкости в линиях объемного гидропривода, ºС / Temperature of the working fluid in the lines of volumetric hydraulic drive, ºС	50 ± 5	49,6	51,7
Расчетный / Calculated
Объемный КПД гидронасоса / Volumetric efficiency of the hydraulic	0,950	0,953	0,953
pump
4 ГОСТ 17108-86.

	Окончание таблицы / End of table
1                               2	3                     4
Объемный КПД гидромотора / Volumetric efficiency of the hydraulic      0,950 motor Общий КПД объемного гидропривода /                         0900 Common efficiency of the volumetric         , hydraulic drive Развиваемый крутящий               326000 момент, Н∙м / Developed torque, N∙m         ,	0,951                 0,950 0,906                 0,905 324,320              323,670

Заключение о работоспособности объемного гидропривода: ГОДЕН / Statement on the operability of the volumetric hydraulic drive: USABLE

Обсуждение и заключение

Таким образом, разработанное специализированное программное обеспечение для гидравлического стенда позволяет в условиях ремонтных предприятий и сервисных центров с высокой точностью определять (контролировать) все параметры технического состояния отечественных и зарубежных объемных гидроприводов в соответствии с методическими рекомендация- ми заводов-изготовителей и достоверно определять причину потери работоспособности.

Дальнейшее развитие гидравлического стенда со специализированным программным обеспечением видится в проведении экспериментальных исследований по прогнозированию остаточного ресурса испытуемых объемных гидроприводов по параметрам диагностирования.

Поступила 21.07.2021; одобрена после рецензирования 26.08.2021; принята к публикации 30.09.2021

Об авторах :

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

514                                        Процессы и машины агроинженерных систем

Submitted 21.07.2021; approved after reviewing 26.08.2021; accepted for publication 30.09.2021

All authors have read and approved the final manuscript.