孫冬梅 陳 捷 黃筱調(diào)

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院1，江蘇 南京 210009;南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2，江蘇 南京 210009)

0 引言

大型工程機(jī)械中，由于轉(zhuǎn)盤軸承體積龐大和安裝位置不易折裝等原因，致使其維修的難度非常大，而且轉(zhuǎn)盤軸承一旦發(fā)生故障，將影響機(jī)械系統(tǒng)的工作性能，甚至造成停機(jī)。國(guó)內(nèi)外許多研究者從磨損累積、裂紋形成與展成等角度對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承作了大量研究［1－4］，然而這些研究結(jié)論大多基于大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。特殊應(yīng)用場(chǎng)合是否適用還有待試驗(yàn)的驗(yàn)證。同時(shí)，企業(yè)必須在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上經(jīng)過大量試驗(yàn)，獲取產(chǎn)品綜合性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析和參數(shù)修正，從而建立軸承設(shè)計(jì)方法。

研發(fā)相應(yīng)的故障檢測(cè)診斷系統(tǒng)已迫在眉捷，以確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。為此，人們使用了多種有效的方法和技術(shù)來對(duì)軸承進(jìn)行診斷［5－6］。其中，文獻(xiàn)［5］提出的疲勞軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其大部分實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用手動(dòng)螺桿移動(dòng)加載活塞來調(diào)節(jié)加載油壓，自動(dòng)化程度低。文獻(xiàn)［6］提出的基于數(shù)采卡的實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案，數(shù)采卡的安全可靠性較弱，且由于加載活塞存在滲漏，加載油壓會(huì)逐漸降低，要求人工移動(dòng)活塞進(jìn)行保壓，不能自動(dòng)設(shè)定載荷譜，試驗(yàn)加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

本文從控制方案、模擬加載、信號(hào)采集等方面介紹了軸承變載荷實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)可模擬實(shí)際工況產(chǎn)生可變載荷進(jìn)行試驗(yàn)。采用PLC與工控機(jī)虛擬儀器共同控制的方案，能夠自動(dòng)控制油壓，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的載荷連續(xù)自動(dòng)可調(diào)可靠控制。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)方案

壽命檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)由機(jī)械裝置、液壓部分、控制系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)4部分組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是便于負(fù)荷的加載、傳感器的安裝、試驗(yàn)操作以及能夠模擬實(shí)際工作環(huán)境。試驗(yàn)裝置主要包括試件裝夾機(jī)構(gòu)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與測(cè)量系統(tǒng)以及基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)4個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

其中液壓控制系統(tǒng)包括液壓缸加載回路和液壓馬達(dá)調(diào)速換向回路2部分。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的液壓控制系統(tǒng)硬件由實(shí)驗(yàn)臺(tái)、液壓加載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、PLC控制器和工控機(jī)組成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾個(gè)。

①手動(dòng)控制:PLC控制器通過機(jī)械面板實(shí)現(xiàn)，完成基本液壓機(jī)構(gòu)的操控。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軸向力的加載由2個(gè)拉缸同時(shí)作用實(shí)現(xiàn)，徑向力的加載由一個(gè)推缸來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)拉缸和一個(gè)推缸實(shí)現(xiàn)傾覆力矩的加載。軸向力、徑向力和傾覆力矩加載回路各自獨(dú)立，可單獨(dú)加載進(jìn)行試驗(yàn)。在機(jī)械面板上通過電位器調(diào)節(jié)比例減壓閥的輸入電流大小來調(diào)節(jié)回路的壓力大小以及液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

②自動(dòng)加載:自動(dòng)調(diào)節(jié)4個(gè)油缸的壓力，產(chǎn)生符合實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)載荷，如半正弦波形，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

③數(shù)據(jù)采集:通過安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上不同位置的傳感器，監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)支承工作狀況并做數(shù)據(jù)保存和處理。

系統(tǒng)控制回路簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制回路示意圖Fig.2 Control loop of the oil jar

圖2中，當(dāng)YV2得電，壓力油通過比例減壓閥5進(jìn)入油缸，使工作臺(tái)產(chǎn)生軸向向右的正向壓力，壓力大小由比例減壓閥5和比例溢流閥11調(diào)節(jié);當(dāng)YV1得電時(shí)，壓力油使工作臺(tái)產(chǎn)生軸向向左的反向壓力，壓力大小同樣可調(diào)。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件方案

測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本測(cè)控功能包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)故障診斷和事故報(bào)警、圖形組態(tài)控制以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)顯示等。目前用于測(cè)控功能的大部分是通過商業(yè)組態(tài)軟件(如Fix、組態(tài)王等)來實(shí)現(xiàn)，其在功能上存在一定的缺陷:組態(tài)軟件能設(shè)計(jì)友好的界面，但它按照I/O點(diǎn)數(shù)來計(jì)費(fèi)，對(duì)于中小型系統(tǒng)而言，性價(jià)比較低。其次，小型組態(tài)系統(tǒng)可靠性不高，不能脫離PC機(jī)單獨(dú)運(yùn)行。

為了避免由停電等突發(fā)事件造成大型液壓系統(tǒng)生產(chǎn)停頓和重大經(jīng)濟(jì)損失，本文中系統(tǒng)下位機(jī)采用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware component of the system

系統(tǒng)上電后，液壓加載機(jī)構(gòu)中的液壓泵開始向液壓機(jī)構(gòu)中油路供液壓油，電磁閥的正向油路接通，操作者觀察檢測(cè)的壓力并調(diào)整壓力，使其調(diào)整后達(dá)到要求。試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉正向油路后關(guān)閉液壓泵，整個(gè)工作過程結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信方案

采用LabVIEW的工具包——數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊［7］，用LabVIEW開發(fā)的軟件作為上位機(jī)測(cè)控軟件;采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)DataSocket，通過NI的OPC服務(wù)器接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)共享以及測(cè)控軟件LabVIEW與現(xiàn)場(chǎng)智能組件之間的數(shù)據(jù)通信;通過OPC配置項(xiàng)建立上位機(jī)與底層設(shè)備數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立與每一個(gè)PLC端口和中間繼電器連接的OPC標(biāo)簽。

3.2 下位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制中，按鈕與壓力傳感器直接與PLC的輸入端口連接。繼電器線圈與輸出端子相連接。機(jī)械控制面板由按鈕與指示燈組成，進(jìn)行操縱和機(jī)械狀態(tài)的顯示。

PLC的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC的軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software structure of PLC

PLC上電，初始化系統(tǒng)后，在每一個(gè)掃描周期均調(diào)用基本執(zhí)行程序，完成機(jī)械面板的報(bào)警、急停、中間繼電器到執(zhí)行等動(dòng)作操作。機(jī)械面板上手動(dòng)按鈕和PC控制按鈕選擇控制方式是指不同的控制方式完成面板按鈕到PLC中間繼電器的操作。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC始終處于運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)控制和PC機(jī)控制始終共用一段基本執(zhí)行程序，能夠保證手動(dòng)控制與PC機(jī)控制動(dòng)作執(zhí)行的一致性，PLC的程序代碼能達(dá)到最大的重用率。

3.3 上位機(jī)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)充分發(fā)揮了LabVIEW在數(shù)據(jù)處理與智能控制方面的優(yōu)勢(shì):一方面，LabVIEW對(duì)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字濾波，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，滿足型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)的精度要求;另一方面，LabVIEW對(duì)產(chǎn)生的載荷采用PID控制，實(shí)現(xiàn)了壓力、轉(zhuǎn)速的自動(dòng)給定，提高了測(cè)試效率。

3.3.1 與下位機(jī)的連接

首先在LabVIEW項(xiàng)目中新建庫，并創(chuàng)建I/O Servert和共享變量，鏈接到由前述的NI OPC服務(wù)器創(chuàng)建的OPC標(biāo)簽上。PLC的端口和中間繼電器可在LabVIEW軟件中當(dāng)作變量進(jìn)行處理和控制。利用LabVIEW提供的豐富的前面板控件，如:數(shù)據(jù)連接、按鈕、表格和曲線等，創(chuàng)建測(cè)控軟件的流程畫面，使人機(jī)界面更友好。

3.3.2 軟面板功能實(shí)現(xiàn)方法

軟件系統(tǒng)分2部分，一部分用于實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制，通過計(jì)算機(jī)編程在屏幕上建立圖形化的儀器面板，實(shí)現(xiàn)與機(jī)械面板功能完全相同的手動(dòng)控制，完成上位機(jī)軟面板按鈕到PLC的中間繼電器控制，由下位機(jī)的基本程序部分完成對(duì)執(zhí)行單元的操作，從而使用戶可以通過屏幕操作實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)控制;另一部分用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)的自動(dòng)控制，通過PLC的模擬輸入模塊，測(cè)量液壓缸壓力，采用閉環(huán)控制方式控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速和變載荷加載值，生成可變載荷譜信號(hào)，通過PLC模擬輸出模塊加載至比例閥輸入端。

3.3.3 變載荷加載實(shí)現(xiàn)方法

軸承壽命測(cè)試的加載有循環(huán)加載、遞進(jìn)式加載和脈動(dòng)加載這幾種形式。根據(jù)對(duì)軸承強(qiáng)化壽命實(shí)驗(yàn)機(jī)的理論研究和測(cè)試可知，動(dòng)態(tài)變載荷加載方式更有利于激出缺陷破壞來獲得軸承的壽命。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變載荷，設(shè)計(jì)有規(guī)律的載荷(如半正弦波)，可通過相關(guān)參數(shù)給出載荷變化時(shí)間函數(shù)，設(shè)定周期和最大加載壓力，實(shí)驗(yàn)通過數(shù)值化離散計(jì)算，得到離散壓力與時(shí)間數(shù)值表。

控制液壓缸加載時(shí)，由于液壓元件的流量特性存在著非線性特征，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型加以控制。這里采用離散化的PID控制器進(jìn)行壓力控制。液壓缸負(fù)載的壓力信號(hào)經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過PLC模擬輸入模塊在每個(gè)掃描周期測(cè)量，送入上位機(jī)。上位機(jī)通過離散化的PID控制算法，利用LabVIEW 的PID工具包，按照以下公式修正控制量:

式中:Pk為第k次測(cè)量壓力;Ps為設(shè)定壓力;ek為第k次誤差;Δ 為控制量;Kp、Ki、Kd為 PID 控制時(shí)的比例、積分、微分系數(shù)。

按時(shí)間驅(qū)動(dòng)原則，固定比例減壓閥設(shè)定壓力，將控制量直接寫入PLC的模擬量輸出模塊。通過設(shè)置比例溢流閥壓力，控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)按給定的速率加荷和轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

4 加載試驗(yàn)

系統(tǒng)通過軟件生成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，幅值為±5 V。由于液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，因此可生成0.1 Hz的低頻率正弦波形壓力信號(hào)源。經(jīng)過PID的控制模塊，模塊的參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化配置為 Kp=1.5、Ki=0.001、Kd=0.002。每1 s送出一個(gè)壓力值至PLC的AO端口，經(jīng)比例放大板送至比例溢流閥，通過調(diào)節(jié)閥的輸出流量，控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)按給定的速率加減荷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)每10 s完成一個(gè)周期的變載荷。由壓力變送器輸出的壓力值經(jīng)PLC的AI端口讀入系統(tǒng)，產(chǎn)生的載荷符合系統(tǒng)要求。同時(shí)，設(shè)置參數(shù)值，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)壓力波形。實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5 Experimental curves

從圖5可以看出，當(dāng)Kp增大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度增大，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差減小，這在有靜差的情況下有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)和振蕩，破壞穩(wěn)定性。增大積分系數(shù)Ki有利于減少超調(diào)和振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但過大的積分系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。增大微分系數(shù)Kd有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減少。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的軸承變載荷壓力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用LabVIEW的圖形化編程環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變載荷加載。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明，它是使用靈活、畫面質(zhì)量和表現(xiàn)形式豐富多樣的測(cè)控系統(tǒng)，與PLC組成的下位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的雙動(dòng)控制，可靠性高。采用DSC模塊所提供的諸如圖庫、VIs以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等功能可以使系統(tǒng)功能得到加強(qiáng)。利用PID模塊進(jìn)行壓力控制，精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

目前，此實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)已成功運(yùn)用于某軸承生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行型式試驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)，滿足了現(xiàn)場(chǎng)軸承測(cè)試的各種需要。

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