陳 洪，鄧志剛，莊 志，牛寶良，黎啟勝

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

0 引言

LJ-2型離心機在1997年由中國工程物理研究院總體工程研究所研制，其有效半徑7 m，最大使用加速度150 g，最大載荷3 500 kg，用于航天器、導彈和飛機等的加速度環(huán)境模擬和氣動力與離心力自動協(xié)調控制系統(tǒng)（以下簡稱協(xié)調加載系統(tǒng)）一起使用還可以模擬航天器受到的加速度和氣動力復合環(huán)境。通過試件內的傳感器獲得上述環(huán)境作用下的響應，對試件的結構或性能的環(huán)境適應性做出評價。

近年來，該離心機存在電子元器件老化和故障增加；包括因上下錐法蘭與筒體安裝問題所導致的筒體旋轉困難，離心機臂架測試電纜及信號集流環(huán)部分損壞等，已嚴重地影響機器的正常使用。

針對存在的問題對拖動控制系統(tǒng)進行了改造，在保持原有能力的基礎上，增加了光纖通訊和液壓旋轉接頭系統(tǒng)，增加了向離心機輸送液壓油的能力。

1 實施技術路線

本次改造重點針對拖動控制系統(tǒng)，將PLC、數(shù)字直流調速器等技術引入系統(tǒng)中，將PLC、數(shù)字直流調速器、測量系統(tǒng)和協(xié)調加載系統(tǒng)組成網絡，網絡結構如圖1所示。增加了光纖通訊和液壓旋轉接頭等措施，擴展了本離心機的能力。對離心機主體、機械傳動系統(tǒng)及其潤滑系統(tǒng)、直流電動機和整流變壓器將不做大的改動，可適當做局部改動。

圖1 系統(tǒng)網絡結構Fig.1 The system net structure

1.1 拖動控制系統(tǒng)

LJ-2型離心機主驅動電機為 Z560-1直流電動機，額定功率900 kW，額定電樞電流1 455 A，額定轉速1 000 rpm，電樞電壓660 V，勵磁電流8.83 A。

以ABB公司的DCS800四象限數(shù)字直流調速器取代 SSD590單象限直流調速器，輸出額定電流1500 A，電壓690 V；DCF803勵磁模塊最大輸出電流 35 A；DCS800對應電機額定轉速的給定和反饋數(shù)量為20 000 r/min，比原SSD590的轉速提高了 20倍。離心機轉速給定由主控計算機或 HMI通過以太網發(fā)送到PLC，PLC再通過DeviceNet傳遞給 DCS800，取代了以前的數(shù)字/頻率和頻率/電壓轉換模擬電路，轉速給定精度大大提高，工業(yè)以太網具有很高的可靠性。轉速反饋取自于與直流電動機同軸的長線驅動型編碼器，分辨率為2 048。

PLC根據主控計算機或觸摸屏指令完成潤滑系統(tǒng)、直流電機風機、交流斷路器、直流調速器和離心機轉速等的控制，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷以及處理均由 PLC和數(shù)字直流調速器自動完成；取代了以前多個操作臺和大量的繼電器，提高了系統(tǒng)的自動化程度。

PLC為Rockwell 公司的SLC500/05型號，配置如下。

1）CPU：1747-L551C；

2）數(shù)字量輸入模塊：1746-IB16，2塊；

3）數(shù)字量輸出模塊：1746-OW16，1塊；

4）溫度測量模塊：1746-NR4，1塊；

5）DeviceNet掃描模塊：1746-SDN，1塊。

采用 Delphi7.0軟件自主開發(fā)了主控程序、PLC程序和HMI程序。主控程序集離心試驗參數(shù)設置、輔助設備控制、設備狀態(tài)監(jiān)測和離心機運行數(shù)據庫于一體。顯示離心加速度、切向加速度、離心機轉速、離心機 3個支撐軸承溫度、直流電動機的溫度和其他運行主要參數(shù)，顯示離心加速度、離心機轉速和電動機電流-時間曲線，查看設備運行狀態(tài)?？梢愿鶕煌囼炓?，設置離心機轉速的上升/下降斜率。具有隨時保持當時離心加速度和隨時快速停機的功能。

在不影響離心機運行的情況下，可以由主控計算機切換到HMI控制。

直流電動機電樞電感只有 0.217 mH，為了提高直流電動機的轉速穩(wěn)定性，按電力變流理論在電樞回路中增加了干式平波電抗器（電感 3.3 mH）以限制整流輸出的脈動，確保低速時輸出電流連續(xù)。但又考慮到干式平波電抗器易受環(huán)境濕度影響而使電機電樞的絕緣降低，在實際改造中沒有采用平波電抗器，而是在電流上環(huán)采用了自適應控制技術。改造后的實際運行表明低速時轉速穩(wěn)定性很好，證明了自適應控制技術的有效性。

1.2 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)保留離心機主體、直流電動機與離心機主軸之間的機械傳動系統(tǒng)等不做改動，并保留減速箱和離心機主軸承的潤滑系統(tǒng)不動。為了向離心機輸送液壓油，需要對某些結構做改動；為了實現(xiàn)光纖通訊，也需要對某些局部做改動。

圖 2為試件在離心機上的安裝示意圖。軸套固定在臂架上，耳軸與筒體根據試驗要求旋轉使試件轉向與臂架水平線成某一角度α后鎖緊軸套，軸套抱住錐形耳軸與筒體，將試件固定在離心機上。由于軸套與耳軸依靠摩擦力固定，筒體可以繞臂架中心線作360°旋轉。

圖2 安裝示意圖Fig.2 Test item installation diagram

耳軸與軸套表面損傷是導致筒體轉動不暢的原因。測量得到筒體的上止口最大正偏差為0.35 mm，最大負偏差為-0.20 mm；下止口最大正偏差0.39 mm，最大負偏差為-0.06 mm，顯然發(fā)生了變形。通過對筒體上止口最高點切削0.35 mm，下止口切削 0.39 mm的處理，解決了上、下錐法蘭與筒體安裝困難的問題。

此外，設計改裝了位于離心機臂架中心部位以上的輔助系統(tǒng)，主要包括底座、儀器支架、空心軸、液壓旋轉接頭、信號集流環(huán)、功率集流環(huán)和光纖旋轉接頭等?？招妮S內徑由80 mm增大到120 mm，以滿足增加了的油管和電纜空間要求。儀器支架由以前的下大、上小的兩層圓形板，改為上下一樣面積的更大的正方形板，安裝的儀器更多，安裝更方便。離心機上旋轉中的油管、電纜和光纜分別通過液壓旋轉接頭、集流環(huán)和光纖旋轉接頭轉接實現(xiàn)與地面靜止的油管、電纜和光纜連接。

增加了向離心機及試件輸送液壓油的油源輸送系統(tǒng)。油源具有 3路輸出（1路的流量為100 L/min，2路的流量為 20 L/min）和一路回油，額定壓力21 MPa。

1.3 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)指對離心機中試件的位移和應變等進行測量。

為了提高數(shù)據采樣率和數(shù)據傳輸?shù)目垢蓴_能力，以及將來在離心機上開展振動試驗研究的需求，增加了雙通道多模光纖旋轉接頭、光纜和交換機，實現(xiàn)了離心機上儀器與地面計算機的光纖通訊，帶寬100 MHz。

更換臂架內測試電纜、靠近筒體處的傳感器接插件和離心機軸附近的儀器接插件。臂架內測試電纜由 400根擴容到 520根，可以同時實現(xiàn)測量應變（三相片）測點 60個和位移測點 40個的測量。

信號集流環(huán)由 32個通道擴大到50個，并增加 20個通道的功率集流環(huán)，其中 10個通道容量為10 A、380 V，另10個通道容量30 A、380 V，為大容量用電設備的離心試驗提供了條件。以金屬集流環(huán)取代碳刷接觸集流環(huán)，使信號和功率集流環(huán)小巧、全封閉、免維護。

1.4 氣動力與離心力自動協(xié)調控制系統(tǒng)

保留該系統(tǒng)，但離心加速度由以太網通過PLC獲得，更換并重新鋪設了位于離心機上的氣管。

2 驗收

2.1 離心機運行指標

在筒體上安裝兩個總質量888 kg的圓板，以開展離心機的運行調試驗收試驗。檢定數(shù)據如表1所示，加速度時間曲線見圖3。

表1 轉速檢定數(shù)據Table 1 Rotation speed data of verification test

圖3 200 g加速度-時間曲線Fig.3 The curve of 200 g acceleration-time

表1中，最后一級（即設定加速度為200.389g）保載480 s，其他各級保載120 s。圖3中還有0.50g一級也保載120 s，由于與200.39g相差太大，圖中看不出這一級。在降到約165g時，點擊“快速停機”后加速度下降更快了。由圖3可見，離心機從靜止到200.39g只需要1 040 s（除去保載時間）。為了抑制超調，只是在接近設定加速度時才逐漸放慢轉速斜率，超調量不到0.28g，加速度控制精度也大大提高。

在筒體上、下端各安裝了一個錐法蘭（兩個法蘭的總質量1 440 kg），在法蘭內再安裝固定質量為2 100 kg的試件，筒體上的安裝總重量達3 540 kg。再進行驗收試驗，其檢定數(shù)據見表2。

表2 加速度檢定數(shù)據Table 2 Acceleration data of verification

2.2 向離心機提供輸送液壓油

將離心機的液壓旋轉進油接頭與油源3路輸出油管連接，3個液壓旋轉回油接頭分別接壓力表；將筒體處的3路進油和回油接頭通過油管連接。開啟冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和3臺油泵，將壓力調節(jié)至21 MPa。要求液壓選裝接頭和管路能承受21 MPa壓力。離心機運行到30g和油源溫度升高到51℃時，離心機停機。

繼續(xù)開啟冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和3臺油泵，完全開啟各回油通道，離心機運行到100g；油源溫度控制在41.2℃，油溫正常；液壓旋轉接頭工作正常；此時油源3個通道的壓力分別顯示為2.0 MPa、5.4 MPa和5.4 MPa，表明完全開啟的油路通道在通過大流量時壓力損耗小。

3 結束語

拖動控制系統(tǒng)采用了基于網絡的PLC技術，使系統(tǒng)得到了極大簡化，也提高了系統(tǒng)的可靠性和自動化程度。

采用了數(shù)字給定、編碼器反饋和四象限的全數(shù)字直流調速系統(tǒng)，對大轉動慣量的離心機實現(xiàn)了加速度快速上升和下降，加速度超調量和穩(wěn)定度都得到了大大提高。同時加速度范圍由2～150g擴展到0.5～200g。

增加了信號集流環(huán)和功率集流環(huán)的通道數(shù)，提高了應變和位移測量點數(shù)。

采用了光纖通訊技術，提高了通訊帶寬和靜態(tài)測量采集速率。增加了向為離心機上試件輸送液壓油的能力，這為在離心機上開展離心力與集中力復合研究以及振動離心復合研究提供了平臺。機械輔助傳動系統(tǒng)運行正常。

總之，2號離心機改造達到了預期目的，提高了離心試驗的能力和水平，并為復合試驗研究的開展提供了平臺。

（References）

[1]ABB.DCS800固件手冊[G], 3ABD00018961版本 C,2006

[2]Allen-Bradley.SLC500 and Micrologix1000指令參考手冊[G], 2000