航發(fā)高速軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李丁成， 李 輝， 戚社苗， 侯碧輝2,3， 郭 亮2,3， 劉 恒

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049； 2.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；3.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸滾動(dòng)軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命、可靠性有重要影響。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的使用條件更加苛刻，其壽命和可靠性問(wèn)題受到極大的重視[1]。因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承在出廠(chǎng)之前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)檢驗(yàn)。高速航發(fā)軸承試驗(yàn)機(jī)是為了模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承在高溫、高速、重載等復(fù)雜惡劣工況下的工作狀態(tài)設(shè)計(jì)的，測(cè)控系統(tǒng)作為高速航發(fā)軸承試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)、加載、數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

本研究的試驗(yàn)機(jī)分為大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)臺(tái)和小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)臺(tái)，其中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為50000 r/min，極限轉(zhuǎn)速達(dá)70000 r/min，轉(zhuǎn)速誤差不超過(guò)±0.5%F.S，可對(duì)徑向和軸向進(jìn)行0～20 kN可變加載，加載誤差波動(dòng)不超過(guò)±1%F.S，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)2 s，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)具有較高的要求。關(guān)于試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，梅宏斌[2]給出了基于Turbo C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的高速鐵路車(chē)輛軸承試驗(yàn)機(jī)微機(jī)監(jiān)控和診斷系統(tǒng)；賈衛(wèi)，等[3]基于LabVIEW和PLC設(shè)計(jì)了風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，其通過(guò)PID控制和程序間的循環(huán)嵌套實(shí)現(xiàn)了不同工況之間的自動(dòng)切換；陸旻[4]基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了等速萬(wàn)向節(jié)總成性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，采用了模塊化編程，開(kāi)發(fā)效率較高，維護(hù)簡(jiǎn)單。

為了保證本試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，測(cè)控系統(tǒng)采用較為成熟的軟硬件技術(shù)，硬件以NI工控機(jī)和測(cè)控終端計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，對(duì)PLC、變頻器組成的下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度控制；以NI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；以L(fǎng)abVIEW軟件作為上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)基于C/S(Client/Sever)模式的遠(yuǎn)程測(cè)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)測(cè)控、數(shù)據(jù)管理等功能。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)機(jī)物理結(jié)構(gòu)

本高速軸承試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過(guò)程如下：試驗(yàn)軸承接受電機(jī)(圖1中未給出)及增速箱傳來(lái)的動(dòng)力，達(dá)到試驗(yàn)所要求的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)動(dòng)之前，軸向加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向預(yù)載荷，轉(zhuǎn)動(dòng)后，根據(jù)試驗(yàn)要求徑向加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)軸承施加徑向載荷。根據(jù)企業(yè)方所提供的載荷譜，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速、軸向加載力、徑向加載力以及試驗(yàn)軸承供油溫度，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中主要監(jiān)測(cè)設(shè)備軸承軸瓦溫度、試驗(yàn)軸承外圈溫度和回油溫度、振動(dòng)信號(hào)的變化，記錄并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 高速軸承試驗(yàn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控需求與測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控需求

本試驗(yàn)機(jī)主要用于模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的高速、高溫及重載工況，在此類(lèi)工況下進(jìn)行性能試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。各子系統(tǒng)的測(cè)控需求如表1所示。

1.2.2 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

航發(fā)高速軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)、PXI數(shù)據(jù)采集卡、PXI高性能通信卡、信號(hào)調(diào)理電路、傳感器、PLC、變頻器等組成，如圖2所示。

表1 試驗(yàn)機(jī)子系統(tǒng)及測(cè)控需求

圖2 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

由于測(cè)控終端計(jì)算機(jī)距離現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)機(jī)大約50 m，一般數(shù)據(jù)采集卡到傳感器距離不應(yīng)超過(guò)10 m，且RS485通信速率與通信距離負(fù)相關(guān)[5]。因此，測(cè)控系統(tǒng)采用“現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)+控制室終端計(jì)算機(jī)”方案。

傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，由PXI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，經(jīng)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端計(jì)算機(jī)，通過(guò)LabVIEW處理、顯示并保存，并根據(jù)實(shí)時(shí)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。

PLC、變頻器與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)之間采用RS485通信協(xié)議，通過(guò)PXI高性能通信卡進(jìn)行連接。監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)通信，進(jìn)而向其發(fā)布命令。

1.3 軟件總體構(gòu)架

根據(jù)測(cè)控需求，軟件架構(gòu)采用C/S(Client/Server)模式遠(yuǎn)程測(cè)控方式。以測(cè)控終端為Client，NI工控機(jī)(Industrial Personal Computer，IPC)為Server。測(cè)控終端軟件提供用戶(hù)控制界面，通過(guò)Modbus TCP協(xié)議向IPC發(fā)布命令，并通過(guò)TCP/UDP協(xié)議接受IPC的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和顯示，根據(jù)分析結(jié)果做出預(yù)警，在試驗(yàn)信息異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警并做出響應(yīng)動(dòng)作。IPC的作用是中轉(zhuǎn)和執(zhí)行，一方面接收來(lái)自終端的命令，通過(guò)串口通信將命令發(fā)送至執(zhí)行設(shè)備；另一方面，執(zhí)行設(shè)備的響應(yīng)結(jié)果再返回至IPC，IPC再將執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)碼發(fā)送給測(cè)控終端計(jì)算機(jī)。

1.4 試驗(yàn)主程序界面

本測(cè)控系統(tǒng)的主界面以圖表和數(shù)值兩種形式顯示潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度、振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移、載荷、壓力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)顯示載荷譜執(zhí)行狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以方便試驗(yàn)人員觀(guān)察。由于被監(jiān)測(cè)參數(shù)較多，需要對(duì)界面進(jìn)行合理布置，將重要參數(shù)顯示在當(dāng)前界面，以便試驗(yàn)人員觀(guān)察；將次重要的被監(jiān)測(cè)參數(shù)放置選項(xiàng)卡控件內(nèi)，如子單元監(jiān)測(cè)、單元系統(tǒng)報(bào)警信息及停機(jī)流程，工作人員可以根據(jù)需要進(jìn)行查看。測(cè)控系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)主界面

2 程序功能實(shí)現(xiàn)

本試驗(yàn)機(jī)測(cè)控程序的主體功能是測(cè)控終端與NI工控機(jī)通信、串口通信、試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和報(bào)警及停機(jī)功能。

2.1 測(cè)控終端與工控機(jī)之間的通信

2.1.1 命令流通信

測(cè)控終端與現(xiàn)場(chǎng)IPC之間的距離為50 m左右，二者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。根據(jù)通信內(nèi)容的不同分別采用不同的通信協(xié)議。其中，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的命令控制通過(guò)Modbus TCP協(xié)議，該程序框圖如圖4所示。

圖4 Modbus TCP協(xié)議程序框圖

通過(guò)此子VI，測(cè)控終端向IPC工控機(jī)發(fā)布命令，命令內(nèi)容包括要控制對(duì)象的單元ID、寄存器起始地址和寄存器的值。潤(rùn)滑系統(tǒng)的啟停、供油溫度和壓力的設(shè)置、加載系統(tǒng)啟停和壓力的設(shè)置等命令均通過(guò)此VI發(fā)布。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟停和參數(shù)設(shè)置命令發(fā)布VI和此VI相似，唯一的不同是，此VI設(shè)定寄存器值為多個(gè)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟停和參數(shù)設(shè)置VI設(shè)定的寄存器的值為單個(gè)。

2.1.2 數(shù)據(jù)流通信

試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)控的參數(shù)有溫度、壓力等慢變信號(hào)以及主軸位移、加速度、聲發(fā)射等快變信號(hào)。因?yàn)槁冃盘?hào)數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，數(shù)據(jù)傳輸可采用TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸可靠[6]，TCP數(shù)據(jù)傳輸程序控制框圖如圖5所示。通過(guò)設(shè)定TCP連接的參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)和數(shù)據(jù)類(lèi)型，將數(shù)據(jù)從IPC傳輸?shù)綔y(cè)控終端。

圖5 慢變信號(hào)命讀取令及響應(yīng)程序框圖

快變信號(hào)數(shù)據(jù)量龐大，TCP/IP協(xié)議的傳輸速度已不能夠滿(mǎn)足需要，故采用傳輸速度更快的UDP協(xié)議[7]，UDP協(xié)議可能會(huì)存在丟包的情況，但丟包率很小，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。UDP數(shù)據(jù)傳輸程序控制框圖與慢變信號(hào)類(lèi)似，通過(guò)設(shè)定UDP連接的參數(shù)、讀取的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)類(lèi)型，將數(shù)據(jù)從IPC傳輸?shù)綔y(cè)控終端。

2.2 串口通信

本測(cè)控系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)單元、增速箱單元和液壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)各自的控制器(變頻器與PLC)直接測(cè)控，工控機(jī)通過(guò)NI PXI-8431/4高性能通信卡與子單元的控制器連接，向控制器發(fā)布命令實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的控制。驅(qū)動(dòng)單元、增速箱單元和液壓?jiǎn)卧目刂破鞣謩e在不同的通信協(xié)議下工作，因此將3個(gè)單元的控制器分別連接在RS485通信卡上的3個(gè)端口，組成串口通信網(wǎng)絡(luò)，并在LabVIEW中分別編程實(shí)現(xiàn)。串口通信的程序控制具體流程如下：

① 應(yīng)用配置串口VI設(shè)定通信端口、波特率、終止符、奇偶檢驗(yàn)等；

② 應(yīng)用清空I/O緩沖區(qū)VI清空接收緩沖區(qū)、傳輸緩沖區(qū)；

③ 應(yīng)用VISA寫(xiě)入VI發(fā)送請(qǐng)求；

④ 應(yīng)用VISA讀取VI讀取響應(yīng)幀，根據(jù)控制代碼判定通信是否正常；

⑤ 應(yīng)用關(guān)閉VI結(jié)束通信。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

軸承試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)參數(shù)，如溫度、壓力、主軸振動(dòng)位移、加速度等會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須按照要求存儲(chǔ)。根據(jù)本測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)管理流(TDMS)文件格式存儲(chǔ)。TDMS格式文件具有高速、易存取、占用磁盤(pán)空間小的優(yōu)點(diǎn)，存儲(chǔ)速度能達(dá)到600 MB/s[8]，能夠通過(guò)LabVIEW、C、Matlab編程語(yǔ)言讀取，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理程序開(kāi)發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)

試驗(yàn)中存在較多需要被頻繁調(diào)用和存儲(chǔ)的試驗(yàn)信息參數(shù)，例如設(shè)定試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行的載荷譜、試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)人員等基本試驗(yàn)信息、測(cè)試對(duì)象報(bào)警參數(shù)等，為了管理規(guī)范化，同時(shí)便于信息記錄和查詢(xún)，使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。本測(cè)試系統(tǒng)采用Microsoft SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，其優(yōu)點(diǎn)為支持的數(shù)據(jù)量大，查詢(xún)速度快，占用資源少，非常適合用于存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)量。開(kāi)發(fā)時(shí)通過(guò)LabSQL工具包，結(jié)合SQL命令語(yǔ)句訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，訪(fǎng)問(wèn)流程程序框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)流程程序框圖

2.5 報(bào)警及緊急停機(jī)

為了保證試驗(yàn)機(jī)的安全運(yùn)行，需要選擇某些被測(cè)物理量對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行超限保護(hù)，試驗(yàn)中比較重要的保護(hù)性參數(shù)為設(shè)備軸承回油溫度、主軸振動(dòng)位移等。設(shè)置兩級(jí)報(bào)警級(jí)別，當(dāng)?shù)谝患?jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)，試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行，但產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢查；當(dāng)?shù)诙?jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報(bào)警的同時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)流程，并將報(bào)警信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。該模塊提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)意外情況的能力，并可在意外發(fā)生后查詢(xún)異常信息內(nèi)容，便于故障的排除。

3 測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)的流程是：① 將試驗(yàn)軸承安裝在試驗(yàn)機(jī)上，安裝形式如圖1所示；② 通過(guò)監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)界面，錄入試驗(yàn)日期、軸承型號(hào)、試驗(yàn)人員等基本信息，設(shè)定初始工況，設(shè)定要執(zhí)行的載荷譜；③ 進(jìn)入子單元自檢與啟動(dòng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)打開(kāi)；④ 子單元加載完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)主界面如圖2所示，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)加載載荷譜，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速、軸向及徑向加載、試驗(yàn)軸承供油溫度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；⑤ 如果產(chǎn)生故障，會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警，根據(jù)故障類(lèi)型選擇是否啟動(dòng)自動(dòng)停機(jī)流程；⑥ 載荷譜運(yùn)行完畢后，自動(dòng)進(jìn)入停機(jī)流程，依次關(guān)閉各個(gè)子單元。

試驗(yàn)完畢后，可以通過(guò)子單元?dú)v史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面，對(duì)溫度、加載力、軸承振動(dòng)位移、加速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)。歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面部分結(jié)果如圖7所示。

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)部分界面

圖7(a)為軸向加載力的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出，加載響應(yīng)穩(wěn)定。圖7(b)為轉(zhuǎn)速設(shè)定在12000 r/min下的振動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)采集及其頻譜分析，可以看出，振動(dòng)信號(hào)采集比較穩(wěn)定，基頻與倍頻比較明顯，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以L(fǎng)abVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，完成了試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)和控制的一系列要求，本測(cè)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

① 實(shí)現(xiàn)了測(cè)控終端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)機(jī)的遠(yuǎn)程測(cè)控，對(duì)測(cè)試人員的安全保障更高；

② 具有載荷譜執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能，各項(xiàng)功能均采用模塊化設(shè)計(jì)，使得測(cè)控軟件具有易維護(hù)、效率高的優(yōu)點(diǎn)；

③ 采用TDMS文件形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，文件占用空間小，可讀性高，可直接用Microsoft Excel進(jìn)行讀取。

根據(jù)試驗(yàn)機(jī)性能指標(biāo)要求，已進(jìn)行了試驗(yàn)機(jī)空載和帶載運(yùn)行，按照載荷譜要求對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，試驗(yàn)機(jī)在各種工況下運(yùn)行正常，測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，控制準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能可靠，對(duì)類(lèi)似試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒意義。