減速器試驗中某動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)的應(yīng)用

文/姚智 胡斌 黃安 周巍巍

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 引言

減速器是直升機(jī)傳動系統(tǒng)的核心組成部件，作為三大關(guān)鍵動部件之一，其在研制、驗證、檢驗過程中涉及到的新構(gòu)型、新材料、新工藝的運用，大多都需要得到傳動臺架試驗（核心試驗科目）以及其它相應(yīng)試驗科目的驗證。應(yīng)用研究一種能夠?qū)崟r采集、準(zhǔn)確快速分析各類傳動試驗科目所需數(shù)據(jù)的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)顯得尤為必要。

本文即依據(jù)傳動系統(tǒng)試驗的關(guān)注要點，展示了一種能夠適應(yīng)多種試驗工況，且具備應(yīng)變、振動、溫度、壓力、扭矩、電流等類型信號采集分析能力的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。通過評估試驗數(shù)據(jù)，判斷其實用性。

2 技術(shù)背景

2.1 傳動系統(tǒng)

直升機(jī)傳動系統(tǒng)由兩大主要部分組成，即：減速器和傳動軸。如圖1所示，與常規(guī)機(jī)型的構(gòu)型（一般只配有主減速器、尾減速器）不同，噸位較大機(jī)型還配有中減速器。另一方面，傳動軸主要指的是對應(yīng)減速器所配屬的動力軸及尾傳動軸。

減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改良提升空間大，是傳動系統(tǒng)研究中所關(guān)注的重點。其中，主減速器結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜多變，一般為1～4級傳動結(jié)構(gòu)，所需監(jiān)測的試驗參數(shù)也最多。以某2級傳動結(jié)構(gòu)主減速器為例，其傳動齒輪結(jié)構(gòu)大致如圖2所示。與之相比，中、尾減速器較為簡單，僅為1級螺旋錐齒輪傳動結(jié)構(gòu)，多采用飛濺潤滑，熱量經(jīng)由機(jī)匣散出，可起到減速和換向的作用。

而傳動軸結(jié)構(gòu)相較簡單，多由金屬或復(fù)合材料薄壁管組成，主要用于連接各部件并傳遞功率。

總體而言，傳動系統(tǒng)將直升機(jī)的旋翼、發(fā)動機(jī)以及機(jī)身平臺緊密的聯(lián)系在一起，有序的分配和傳遞動部件載荷，從而實現(xiàn)了直升機(jī)最基本的功能。因此，傳動系統(tǒng)（尤指主減速器）性能的優(yōu)劣對直升機(jī)整體性能的影響重大。

2.2 通用型傳動臺

通用型傳動試驗臺，是一種能夠開展不同類型減速器功能、性能試驗的試驗裝置。其不僅能準(zhǔn)確模擬減速器裝機(jī)狀態(tài)下的功率、轉(zhuǎn)速、外部載荷（含槳轂中心載荷），而且能依照循環(huán)試車表精確控制試驗狀態(tài)。除主要的臺架試驗科目外，該型傳動試驗臺還可完成齒輪印痕調(diào)整、超功率、疲勞、溫度場、潤滑系統(tǒng)、耐久性、干運轉(zhuǎn)等試驗科目，是直升機(jī)減速器研制、驗證、檢驗過程中最為重要，也是最為復(fù)雜的試驗裝置。借助該通用型傳動試驗臺的強大功能，能較大幅度地提高減速器試驗的試驗效率，同時還能顯著地提升小噸位級直升機(jī)傳動系統(tǒng)的綜合試驗?zāi)芰Α?/p>

它的主要組成是：

（1）電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，含驅(qū)動電機(jī)、整流單元、逆變單元等；

（2）加載系統(tǒng)，含輸出軸加載、軸向加載、主減加載、尾減加載系統(tǒng)等；

（3）自動化測控系統(tǒng)，含控制單元、PLC、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等；

（4）輔助系統(tǒng)，含塔架、底板、液壓缸、風(fēng)機(jī)等。

圖1：傳動系統(tǒng)簡圖

圖2：減速器傳動齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

其中，本文所關(guān)注的傳動試驗臺臺體測控系統(tǒng)，是一套集數(shù)據(jù)采集（不含試驗件參數(shù)數(shù)據(jù)采集）和功率、載荷、轉(zhuǎn)速等控制功能于一體的自動化測控系統(tǒng)，其電氣組成參照圖3。

該傳動試驗臺通用性較強，只需對部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造就能裝配、運轉(zhuǎn)不同構(gòu)型的試驗件。以某雙發(fā)驅(qū)動結(jié)構(gòu)主減速器分扭均載試驗為例，其臺架整體（不含試驗件）的測控線路組成如圖4所示。由于各試驗科目的試驗?zāi)康暮完P(guān)注點各不相同，因此，除試驗臺運轉(zhuǎn)所必須關(guān)注的試驗臺臺體參數(shù)外，其余參數(shù)（主要指試驗件參數(shù)）數(shù)據(jù)均由另一套通用型測試系統(tǒng)靈活采集補充。至此，鑒于各試驗件、試驗科目的測試參數(shù)類型多樣且數(shù)量繁多，應(yīng)用研究一套多功能、多通道的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（DH5923N）就顯得十分必要。

2.3 小結(jié)

綜上，傳動系統(tǒng)試驗是直升機(jī)研制過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，其實質(zhì)是減速器試驗。此外，傳動試驗臺的測試系統(tǒng)由兩個互為補充的子系統(tǒng)組成，即：

（1）自動化測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；

（2）DH5923N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。

其中，后者是傳動試驗臺測試分析的主要組成系統(tǒng)，也是本文的應(yīng)用研究對象。

3 DH5923N測試分析系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

如圖5所示，系統(tǒng)主要由3臺34通道的DH5923N數(shù)據(jù)采集器組成，其中：①、②號采集器均由2通道轉(zhuǎn)速信號數(shù)據(jù)采集模塊和32通道模擬信號數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；③號采集器則由2通道信號源模塊和32通道模擬信號數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。此外，該系統(tǒng)還配備了上位機(jī)、HUB、同步時鐘盒（內(nèi)置于采集器機(jī)箱）、適調(diào)器、傳感器、各類電源線及數(shù)據(jù)線等。

系統(tǒng)運行時，用戶通過上位機(jī)的動態(tài)信號測試分析軟件對DH5923N數(shù)據(jù)采集器的各個測試通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集。指令發(fā)出后，進(jìn)入同步時鐘，先收到的同步時鐘會向其它兩臺數(shù)據(jù)采集器的同步時鐘傳遞指令，以確保采集同步進(jìn)行，其同步時間達(dá)到10ns量級，同時，各采集器通過HUB連接，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由以太網(wǎng)統(tǒng)一傳輸至上位機(jī)內(nèi)，從而確保了測試數(shù)據(jù)的同步性和完整性。

因為該系統(tǒng)的功能非常強大，僅一套系統(tǒng)，就可完成應(yīng)力應(yīng)變、振動（加速度、速度、位移）、沖擊、溫度（各類熱電偶、鉑電阻）、壓力、流量、力、扭矩、電壓、電流等物理信號的實時采集和事后分析，同時，數(shù)據(jù)采集軟件監(jiān)控界面還可自由組合配置以同時監(jiān)測多類型信號。所以，DH5923N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)是一套通用型的測試分析系統(tǒng)，可適應(yīng)傳動試驗臺各類試驗的數(shù)據(jù)采集需求。

3.2 系統(tǒng)特性

（1）高度集成：硬件模塊化設(shè)計，單模塊配備32個模擬信號通道；

（2）高度實時：實時采集、實時儲存、實時顯示、實時分析等；

（3）多通道并行、連續(xù)、同步高速采樣，同步時間達(dá)10ns量級，單通道采樣率可達(dá)51.2kHz；

（4）先進(jìn)的DDS數(shù)字頻率合成技術(shù)，同時，采用DMA傳送方式實時傳輸數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚?、穩(wěn)定、無漏碼；

（5）配套各類程控的信號適調(diào)器，自動識別通道；

（6）具備長時間高速采集記錄（海量存貯）及分析各類信號的功能；

（7）單通道16bit獨立A/D，可消除通道間串?dāng)_的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；

（8）連接脈沖/頻率輸出型傳感器或計數(shù)器，可作轉(zhuǎn)速、脈沖計數(shù)或頻率測量；

（9）信號源各通道輸出互不相關(guān)，可輸出多種信號，包括：正弦、半正弦、正弦掃頻、隨機(jī)、偽隨機(jī)、猝發(fā)隨機(jī)、方波等，并可與多種試驗儀器搭配使用。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 測試系統(tǒng)組成

試驗臺測試部分由兩個互為補充的子系統(tǒng)組成，即：

（1）自動化測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；

（2）DH5923N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。

前者直接采集各類減速器試驗均需關(guān)注的試驗臺臺體參數(shù)（含增速箱、加載機(jī)構(gòu)等相關(guān)測試參數(shù)，如驅(qū)動或加載轉(zhuǎn)速、扭矩等），此部分測試需求相對固定，其余測試參數(shù)（主要指試驗件參數(shù)，尤指主減速器參數(shù)）均根據(jù)各個試驗的具體要求由后者靈活采集。系統(tǒng)運行時，PLC將測控系統(tǒng)HBM采集到的扭矩、轉(zhuǎn)速、壓力等信號數(shù)值，通過電壓的形式傳輸至DH5923N測試系統(tǒng)，經(jīng)其采集并匯同其他測試信號一并發(fā)送至上位機(jī)動態(tài)信號測試分析軟件處理。其系統(tǒng)組成如圖6所示。

試驗過程中，在上位機(jī)進(jìn)行采集、存儲及顯示的同時，可將測試數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)實時發(fā)送至局域網(wǎng)內(nèi)裝有監(jiān)控軟件（具有時域波形顯示，平均值顯示，動態(tài)值超限顯示，F(xiàn)FT圖譜實時顯示等基本功能）的其它計算機(jī)，以達(dá)到多端實時監(jiān)控或遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

4.2 某減速器試驗中的應(yīng)用

4.2.1 試驗概述

圖3：自動化測控系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

圖4：臺架線路組成圖

以測試參數(shù)要求較為全面的某雙功率輸入型減速器分扭均載試驗為例，該試驗主要考核各階段功率譜和單、雙驅(qū)動形式下，主減速器構(gòu)型呈對稱結(jié)構(gòu)的各級傳動軸均載狀況。試驗要求測量：

（1）試驗件內(nèi)的各級傳動軸載荷（因其與扭矩呈正向線性關(guān)系，故采用應(yīng)變型橋式傳感器測得扭矩后再行換算）；

（2）其它多處結(jié)構(gòu)的振動；

（3）各電機(jī)功率輸入、輸出處，軸承轉(zhuǎn)速、扭矩；

（4）主減滑油溫度、壓力、流量等參數(shù)。試驗后，通過評價試驗數(shù)據(jù)，判斷該測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確及可靠程度。

4.2.2 測試系統(tǒng)安裝

受試驗臺前期設(shè)計、中期改造及試驗經(jīng)費等因素的影響，在該試驗中，大部分模擬信號均未進(jìn)行前端放大調(diào)理，故因信號衰減及干擾，其傳輸距離受限。

系統(tǒng)安裝時：

（1）將非旋轉(zhuǎn)件上的各類接觸式及非接觸式傳感器經(jīng)工裝、支架固定；

（2）將旋轉(zhuǎn)件上的傳感器及滑環(huán)按相關(guān)規(guī)范固定并將兩者按規(guī)范線序連接；

（3）將兩個子系統(tǒng)中，除傳感器及其附屬電源、信號線之外的其它部分，參照圖5、圖6連接并安裝至距臺架不遠(yuǎn)處的測試柜內(nèi)。

系統(tǒng)調(diào)試成功后，試驗需要的全部模擬、數(shù)字信號數(shù)據(jù)均經(jīng)DH5923N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集，通過以太網(wǎng)傳輸至測控間計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測與分析。

圖5：DH5923N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)

圖6：測試系統(tǒng)組成圖

圖7：振動信號頻譜分析

4.2.3 試驗狀態(tài)及判據(jù)

該試驗主要包括以下幾個運轉(zhuǎn)狀態(tài)：

（1）雙發(fā)最大功率狀態(tài)；

（2）雙發(fā)連續(xù)功率狀態(tài)；

（3）單發(fā)應(yīng)急功率狀態(tài)；

（4）超轉(zhuǎn)狀態(tài)。

試驗時，實時監(jiān)測各個試驗狀態(tài)下，相關(guān)測點的扭矩、振動、溫度、壓力等參量的時域或頻域波形。試驗后，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。最后，結(jié)合有限元分析，對分扭傳動系統(tǒng)多個運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行評價。其主要的評價指標(biāo)是：

（1）傳動軸的功率分布和傳遞效率；

（2）分扭傳動系統(tǒng)的載荷分配特性；

（3）各結(jié)構(gòu)點相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的振動有效值。

以上指標(biāo)的計算方式分別是：

（1）依據(jù)功率P與轉(zhuǎn)速n、扭矩T的換算關(guān)系：P =9549nT，即可計算出各傳動軸功率，通過計算統(tǒng)計可得各級傳動軸的功率分布和傳遞效率；

（2）采用主減速器分扭傳動系統(tǒng)左、右分支雙聯(lián)軸上的功率P1、P2來定義分扭傳動系統(tǒng)的均載系數(shù)α1、α2，其換算公式為：

α1=2P1/(P1+P2)，α2=2P2/(P1+P2)；

（3）如圖7所示，利用采集軟件中的頻譜分析功能，判斷各個試驗狀態(tài)下的頻域振動值是否合理。

4.2.4 試驗結(jié)論

盡管試驗現(xiàn)場工況較為惡劣，存在多種干擾，如：

（1）各類驅(qū)動、加載電機(jī)強電的電磁干擾；

（2）變頻器的高頻脈沖干擾；

（3）潤滑油路污漬侵蝕線纜帶來的信號干擾；

（4）試驗件長期運轉(zhuǎn)的溫度干擾；

（5）旋轉(zhuǎn)軸系對電波的反射干擾等。

但是經(jīng)測試系統(tǒng)軟、硬件濾波、屏蔽、隔離、共模抑制等技術(shù)處理后，測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各類信號均無誤碼且能被正常采集，同時，波形和數(shù)值都基本正確。結(jié)合有限元理論分析后，試驗數(shù)據(jù)符合預(yù)期，表明該套測試系統(tǒng)能夠滿足傳動試驗臺及分扭傳動試驗參數(shù)監(jiān)測分析的要求。

5 結(jié)束語

實踐證明，以DH5923N數(shù)據(jù)采集器為核心的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)是一套符合技術(shù)要求的通用型測試系統(tǒng)。其不僅能同時測量、分析多類型信號，還可以在復(fù)雜工況的減速器試驗現(xiàn)場發(fā)揮優(yōu)良性能，今后可在條件允許的范圍內(nèi)作進(jìn)一步試驗驗證。此外，如何將該系統(tǒng)與臺架自動化測控系統(tǒng)進(jìn)一步融合將是下一階段應(yīng)用研究的重點。