基于MCGS的撓度測量系統

曾 真 * 趙子傲 柳文博 嚴藝飛

（武漢工程大學 機電工程學院）

0 引 言

在攪拌釜設計計算過程中，通常需要對攪拌軸的強度、扭轉變形、臨界轉速等參數進行計算和相應的校核，但是在實際生產過程中依然會出現攪拌軸斷裂等現象。導致這種問題的原因包括軸的強度不足和材料選擇不當等，但是主要原因是攪拌軸在轉動過程中發生共振產生激振力，使攪拌軸彎曲應力的脈動幅值達到平均值的400%。經研究發現，當攪拌軸的轉速接近臨界轉速時，激振力成倍放大，為了防止攪拌軸發生共振從而被破壞，測量得到攪拌軸的臨界轉速，并使其運行時遠離臨界轉速，可以極大降低攪拌軸產生破壞的概率[1]。使用MCGS 測量系統測量最大撓度值，可以找到攪拌軸的臨界轉速，進而避免共振，降低其發生破壞的概率，延長攪拌軸使用壽命。

1 攪拌軸撓度測量系統優勢及組成

1.1 MCGS撓度測量系統的優勢

撓度通常是指梁或桿件在受彎曲作用下發生的最大位移量[2]。撓度的傳統測量方法為手動測量，采用百分表或者位移計等儀器進行直接測量[3]。該方法的優點是設備相對簡單，并且可以同時進行多點檢測，得到各測點的位移值及其撓度數值[4]。但是這種測量方法也存在很多缺點和不足，比如拆裝工作量大，耗時長，測量精度低，并且不能應用于測量快速旋轉的攪拌軸撓度[5]。

本文中介紹的MCGS 測量系統與傳統的測量方法相比，優勢主要在于傳感器的選擇，該MCGS 測量系統選用的是KD9000 系列電渦流傳感器，它是根據法拉第電磁感應原理來設計的，通過測量傳感器探頭端面與被測物體之間相對位置，并且將機械位移或振動幅度轉換成電信號輸出的裝置，進而得到攪拌軸的撓度[6]。其優點是頻響寬，體積小，安裝和拆卸方便，精度較高，并且能持續高效、穩定地工作，可以測量旋轉機械等轉動體的動態情況，這是因為在測量的過程中探頭不需要與被測件接觸，而且探頭可在多種復雜介質中工作[7]。

1.2 撓度測量系統結構

攪拌軸撓度測試系統裝置系統主要由5 個部分組成，分別為上位機控制系統、數據采集儀、前置處理器、電渦流傳感器和激發電源，如圖1 所示。

圖1 攪拌軸撓度測量系統

該測量系統中的計算機軟件選用工業生產中應用廣泛的MCGS 工控組態軟件[8]，其優點是可以實時測量，界面簡單，操作難度較小，且可以持續穩定運行。數據采集儀是以多功能數據采集卡USB2010 為驅動創建的，并通過USB 接口與電腦相連[9]，將模擬量信號轉換成計算機可以識別的數字量信號，用戶可以清楚地觀察到測量數據的實時變化情況，并且計算機可以自動繪制實時數據曲線，完成對參數的計算和數據分析工作。該測量系統能夠方便、快捷地將電渦流傳感器中變化的電壓信號通過數據采集儀轉換成數字量信號，記錄在MCGS 組態軟件的數據庫中，并且可以根據用戶需要將相應數據輸出為Excel文件。

2 MCGS測量系統制作步驟

首先應安裝MCGS 組態軟件，同時安裝與之配套的安裝阿爾泰USB2010 驅動程序。然后進入MCGS組態環境中新建工程，按以下步驟于設置各個組態，設置完成后運行軟件并觀察結果。

2.1 設定實時數據庫組態

在MCGS 撓度測量系統設置中，首先應完成實時數據組態設計，這也是該系統的基礎。在設置實時數據庫組態時，應先在實時數據庫窗口內新增數據對象，設置撓度數據對象和相應歷史組對象，在對象名稱中輸入“撓度”，初始值為0，小數位數為3 位，定義對象類型為數值型，存盤屬性設置為“定時存盤”，按照同樣的方法完成對歷史組對象的設置，設置完成后的結果如圖2 所示。

圖2 實時數據組態

2.2 設定用戶界面組態

然后在MCGS 撓度測量系統中完成對用戶界面的設置。用戶界面是整個撓度測量系統的有效載體，用戶界面設置的好壞直接影響觀測者能否清晰地觀察整個MCGS 測量系統的運行情況。在用戶界面窗口中，首先單擊“新建窗口”按鈕，完成對窗口的命名工作，雙擊該窗口進入動畫組態界面，對交互界面進行繪制，在MCGS 自帶的工具箱內選擇相應的元件來對整個撓度測量系統的所需數據進行顯示畫面組態。輸入文字為“實時數據”，在“實時數據”下方插入1 行2 列的自由表格，并在其中1 個表格中輸入文字“撓度”，使另外1 個表格與“實時數據”庫組態中的“撓度”相連接，在用戶界面中就可以清晰地觀察到攪拌軸撓度的變化情況，在工具欄中插入實時曲線，就可以更直觀地看到撓度的變化情況。在實時數據曲線屬性中設置X 主劃線，X 次劃線，Y 主劃線和Y 次劃線的數目及顏色，在畫筆屬性中把曲線1 和實時數據庫組態中的撓度相關顏色改為紅色，這樣可以更清晰地觀察撓度的實時變化情況。添加歷史表格，就可以觀察到之前測量的撓度值并且能夠和現在測量得到的撓度值進行對比。添加按鈕，在按鈕的基本屬性設置中，修改按鈕標題為“刪除歷史記錄”，這樣可以清除歷史數據庫，使得每次存盤的數據都是當前的數據，使分析更加簡便，設置完成后的界面如圖3 所示。

圖3 用戶界面

2.3 設定設備組態

設備組態是MCGS 撓度測量系統的核心，也是其與外部設備連接的通道，設備組態的設計好壞直接影響到系統是否可以準確接收數據，設置設備組態的關鍵在于采集板卡中USB2010 的安裝及使用。在設備窗口界面中雙擊“設備管理”按鈕，選擇采集板卡中的阿爾泰USB2010 作為驅動程序，通過對設備進行調試，發現其中數據變化最明顯的通道，并把該通道設置為輸出通道。在實際模擬中發現，當數據發生改變時，通道4 數據變化最為明顯，所以把通道4設置為撓度輸出通道。

2.4 運行策略組態

運行策略組態是MCGS 撓度測量系統的關鍵，其設計方案直接關系到數據的保存和分析，因此可以對監控系統將要運行的流程予以控制[10]。通過插入運行策略行可以使系統執行某項操作。對運行策略組態進行設置時，應在“循環策略塊”下面的“策略組態窗口”中設置一定的時間進行循環運行，添加1 條策略行并將工具箱中的Excel報表輸出構件添加到該策略行上，在Excel 報表設置中選擇數據保存的Excel 工作表。

3 測試注意事項和結果分析

3.1 測試注意事項

在實際測試前，應該先觀察設備是否正確連接，確保設備正常運行，觀察金屬探頭和被測軸之間的位置，并調整金屬探頭和被測軸之間的距離，一般為0.4～1 mm，如果距離小于0.4 mm，測軸和金屬探頭會碰撞造成系統誤差，如果距離大于1 mm，就會超過MCGS 系統的測量范圍，使測量結果不準確。

3.2 測試結果和分析

為了測試MCGS 測量系統的穩定性和精確性，同時測量攪拌軸的撓度，本次實驗測量以水為溶液的反應釜攪拌軸在20～380 r/min 條件下的撓度，圖4所示為150 r/min 時空轉攪拌軸撓度的測量結果，圖5 所示為20 r/min 時攪拌軸撓度的測量結果，圖6 為380 r/min 時攪拌軸撓度測量結果。對結果進行分析可知，攪拌軸較速為20～380 r/min 時其撓度相對較小，較速為150 r/min 左右時，其撓度出現峰值，震動頻率陡然上升。通過重復多次測量， 150 r/min 為攪拌軸的臨界轉速，通過理論計算可以得到，其臨界轉速為149.4 r/min，與實驗結果一致。

圖4 150 r/min攪拌軸撓度測量

圖5 20 r/min攪拌軸撓度的測量

圖6 380 r/min攪拌軸撓度測量

4 結論

基于MCGS 撓度測量系統的應用并對其穩定性進行探究，采用電渦流傳感器開發的MCGS 撓度測量系統可以清晰觀測到攪拌軸的瞬時撓度值，通過觀察實時曲線和歷史數據可以分析撓度的變化情況，數據測量結果反映良好，Excel 報表輸出正常，并分析了在反應釜中介質為清水時攪拌軸的撓度變化情況，從而分析出攪拌軸的臨界轉速為 150 r/min，而且實驗值和理論計算值相差不大，也進一步說明了MCGS測量系統準確性高，穩定性好，可以進行推廣和使用。