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(jī)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(dǎo)彈和飛機(jī)等的加速度環(huán)境模擬和氣動(dòng)力與離心力自動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（以下簡稱協(xié)調(diào)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(dòng)力復(fù)合環(huán)境。通過試件內(nèi)的傳感器獲得上述環(huán)境作用下的響應(yīng)，對(duì)試件的結(jié)構(gòu)或性能的環(huán)境適應(yīng)性做出評(píng)價(jià)。

近年來，該離心機(jī)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(dǎo)致的筒體旋轉(zhuǎn)困難，離心機(jī)臂架測試電纜及信號(hào)集流環(huán)部分損壞等，已嚴(yán)重地影響機(jī)器的正常使用。

針對(duì)存在的問題對(duì)拖動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在保持原有能力的基礎(chǔ)上，增加了光纖通訊和液壓旋轉(zhuǎn)接頭系統(tǒng)，增加了向離心機(jī)輸送液壓油的能力。

1 實(shí)施技術(shù)路線

本次改造重點(diǎn)針對(duì)拖動(dòng)控制系統(tǒng)，將PLC、數(shù)字直流調(diào)速器等技術(shù)引入系統(tǒng)中，將PLC、數(shù)字直流調(diào)速器、測量系統(tǒng)和協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。增加了光纖通訊和液壓旋轉(zhuǎn)接頭等措施，擴(kuò)展了本離心機(jī)的能力。對(duì)離心機(jī)主體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其潤滑系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)和整流變壓器將不做大的改動(dòng)，可適當(dāng)做局部改動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The system net structure

1.1 拖動(dòng)控制系統(tǒng)

LJ-2型離心機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 Z560-1直流電動(dòng)機(jī)，額定功率900 kW，額定電樞電流1 455 A，額定轉(zhuǎn)速1 000 rpm，電樞電壓660 V，勵(lì)磁電流8.83 A。

以ABB公司的DCS800四象限數(shù)字直流調(diào)速器取代 SSD590單象限直流調(diào)速器，輸出額定電流1500 A，電壓690 V；DCF803勵(lì)磁模塊最大輸出電流 35 A；DCS800對(duì)應(yīng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的給定和反饋數(shù)量為20 000 r/min，比原SSD590的轉(zhuǎn)速提高了 20倍。離心機(jī)轉(zhuǎn)速給定由主控計(jì)算機(jī)或 HMI通過以太網(wǎng)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(zhuǎn)換模擬電路，轉(zhuǎn)速給定精度大大提高，工業(yè)以太網(wǎng)具有很高的可靠性。轉(zhuǎn)速反饋取自于與直流電動(dòng)機(jī)同軸的長線驅(qū)動(dòng)型編碼器，分辨率為2 048。

PLC根據(jù)主控計(jì)算機(jī)或觸摸屏指令完成潤滑系統(tǒng)、直流電機(jī)風(fēng)機(jī)、交流斷路器、直流調(diào)速器和離心機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)速器自動(dòng)完成；取代了以前多個(gè)操作臺(tái)和大量的繼電器，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

PLC為Rockwell 公司的SLC500/05型號(hào)，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(yàn)參數(shù)設(shè)置、輔助設(shè)備控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和離心機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫于一體。顯示離心加速度、切向加速度、離心機(jī)轉(zhuǎn)速、離心機(jī) 3個(gè)支撐軸承溫度、直流電動(dòng)機(jī)的溫度和其他運(yùn)行主要參數(shù)，顯示離心加速度、離心機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)電流-時(shí)間曲線，查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)?？梢愿鶕?jù)不同試驗(yàn)要求，設(shè)置離心機(jī)轉(zhuǎn)速的上升/下降斜率。具有隨時(shí)保持當(dāng)時(shí)離心加速度和隨時(shí)快速停機(jī)的功能。

在不影響離心機(jī)運(yùn)行的情況下，可以由主控計(jì)算機(jī)切換到HMI控制。

直流電動(dòng)機(jī)電樞電感只有 0.217 mH，為了提高直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(dòng)，確保低速時(shí)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(jī)電樞的絕緣降低，在實(shí)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(yīng)控制技術(shù)。改造后的實(shí)際運(yùn)行表明低速時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性很好，證明了自適應(yīng)控制技術(shù)的有效性。

1.2 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)保留離心機(jī)主體、直流電動(dòng)機(jī)與離心機(jī)主軸之間的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等不做改動(dòng)，并保留減速箱和離心機(jī)主軸承的潤滑系統(tǒng)不動(dòng)。為了向離心機(jī)輸送液壓油，需要對(duì)某些結(jié)構(gòu)做改動(dòng)；為了實(shí)現(xiàn)光纖通訊，也需要對(duì)某些局部做改動(dòng)。

圖 2為試件在離心機(jī)上的安裝示意圖。軸套固定在臂架上，耳軸與筒體根據(jù)試驗(yàn)要求旋轉(zhuǎn)使試件轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)。

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

耳軸與軸套表面損傷是導(dǎo)致筒體轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)偏差為-0.20 mm；下止口最大正偏差0.39 mm，最大負(fù)偏差為-0.06 mm，顯然發(fā)生了變形。通過對(duì)筒體上止口最高點(diǎn)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(shè)計(jì)改裝了位于離心機(jī)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(zhuǎn)接頭、信號(hào)集流環(huán)、功率集流環(huán)和光纖旋轉(zhuǎn)接頭等。空心軸內(nèi)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(jī)上旋轉(zhuǎn)中的油管、電纜和光纜分別通過液壓旋轉(zhuǎn)接頭、集流環(huán)和光纖旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)與地面靜止的油管、電纜和光纜連接。

增加了向離心機(jī)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(duì)離心機(jī)中試件的位移和應(yīng)變等進(jìn)行測量。

為了提高數(shù)據(jù)采樣率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，以及將來在離心機(jī)上開展振動(dòng)試驗(yàn)研究的需求，增加了雙通道多模光纖旋轉(zhuǎn)接頭、光纜和交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)上儀器與地面計(jì)算機(jī)的光纖通訊，帶寬100 MHz。

更換臂架內(nèi)測試電纜、靠近筒體處的傳感器接插件和離心機(jī)軸附近的儀器接插件。臂架內(nèi)測試電纜由 400根擴(kuò)容到 520根，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)測量應(yīng)變（三相片）測點(diǎn) 60個(gè)和位移測點(diǎn) 40個(gè)的測量。

信號(hào)集流環(huán)由 32個(gè)通道擴(kuò)大到50個(gè)，并增加 20個(gè)通道的功率集流環(huán)，其中 10個(gè)通道容量為10 A、380 V，另10個(gè)通道容量30 A、380 V，為大容量用電設(shè)備的離心試驗(yàn)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(hào)和功率集流環(huán)小巧、全封閉、免維護(hù)。

1.4 氣動(dòng)力與離心力自動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

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

2 驗(yàn)收

2.1 離心機(jī)運(yùn)行指標(biāo)

在筒體上安裝兩個(gè)總質(zhì)量888 kg的圓板，以開展離心機(jī)的運(yùn)行調(diào)試驗(yàn)收試驗(yàn)。檢定數(shù)據(jù)如表1所示，加速度時(shí)間曲線見圖3。

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

圖3 200 g加速度-時(shí)間曲線Fig.3 The curve of 200 g acceleration-time

表1中，最后一級(jí)（即設(shè)定加速度為200.389g）保載480 s，其他各級(jí)保載120 s。圖3中還有0.50g一級(jí)也保載120 s，由于與200.39g相差太大，圖中看不出這一級(jí)。在降到約165g時(shí)，點(diǎn)擊“快速停機(jī)”后加速度下降更快了。由圖3可見，離心機(jī)從靜止到200.39g只需要1 040 s（除去保載時(shí)間）。為了抑制超調(diào)，只是在接近設(shè)定加速度時(shí)才逐漸放慢轉(zhuǎn)速斜率，超調(diào)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(gè)錐法蘭（兩個(gè)法蘭的總質(zhì)量1 440 kg），在法蘭內(nèi)再安裝固定質(zhì)量為2 100 kg的試件，筒體上的安裝總重量達(dá)3 540 kg。再進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，其檢定數(shù)據(jù)見表2。

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

2.2 向離心機(jī)提供輸送液壓油

將離心機(jī)的液壓旋轉(zhuǎn)進(jìn)油接頭與油源3路輸出油管連接，3個(gè)液壓旋轉(zhuǎn)回油接頭分別接壓力表；將筒體處的3路進(jìn)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(tái)油泵，將壓力調(diào)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(jī)運(yùn)行到30g和油源溫度升高到51℃時(shí)，離心機(jī)停機(jī)。

繼續(xù)開啟冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和3臺(tái)油泵，完全開啟各回油通道，離心機(jī)運(yùn)行到100g；油源溫度控制在41.2℃，油溫正常；液壓旋轉(zhuǎn)接頭工作正常；此時(shí)油源3個(gè)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(shí)壓力損耗小。

3 結(jié)束語

拖動(dòng)控制系統(tǒng)采用了基于網(wǎng)絡(luò)的PLC技術(shù)，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(dòng)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(diào)速系統(tǒng)，對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的離心機(jī)實(shí)現(xiàn)了加速度快速上升和下降，加速度超調(diào)量和穩(wěn)定度都得到了大大提高。同時(shí)加速度范圍由2～150g擴(kuò)展到0.5～200g。

增加了信號(hào)集流環(huán)和功率集流環(huán)的通道數(shù)，提高了應(yīng)變和位移測量點(diǎn)數(shù)。

采用了光纖通訊技術(shù)，提高了通訊帶寬和靜態(tài)測量采集速率。增加了向?yàn)殡x心機(jī)上試件輸送液壓油的能力，這為在離心機(jī)上開展離心力與集中力復(fù)合研究以及振動(dòng)離心復(fù)合研究提供了平臺(tái)。機(jī)械輔助傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

總之，2號(hào)離心機(jī)改造達(dá)到了預(yù)期目的，提高了離心試驗(yàn)的能力和水平，并為復(fù)合試驗(yàn)研究的開展提供了平臺(tái)。

（References）

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

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