黎曉宇，宣海軍，凡非龍，李國(guó)強(qiáng)

（浙江大學(xué)工學(xué)部高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)器自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

黎曉宇，宣海軍，凡非龍，李國(guó)強(qiáng)

（浙江大學(xué)工學(xué)部高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

利用高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)是開(kāi)展輪盤疲勞壽命及損傷容限性能研究的有效手段。為確保此類試驗(yàn)器能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)發(fā)了1套可靠的、無(wú)人值守的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以觸摸屏為人機(jī)接口（H M I）完成試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，以可編程邏輯控制器（PLC）為主站控制設(shè)備啟停及轉(zhuǎn)速循環(huán)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用工控機(jī)（IPC）完成數(shù)據(jù)顯示和保存，并采用第3方控件實(shí)現(xiàn)IPC和PLC的串口通信。測(cè)試結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性好，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)器；輪盤；低循環(huán)疲勞試驗(yàn)；自動(dòng)控制系統(tǒng)；人機(jī)接口；可編程邏輯控制器

0 引言

低循環(huán)疲勞是影響和限制輪盤使用壽命的最重要因素[1]。國(guó)外輪盤低循環(huán)疲勞壽命設(shè)計(jì)分析方法是建立在大量材料和輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，有豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度較高[2]。早在20年前，美國(guó)PW公司開(kāi)發(fā)的輪盤低循環(huán)疲勞壽命設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有15000個(gè)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)和1500個(gè)輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，設(shè)計(jì)系統(tǒng)得到美國(guó)聯(lián)邦航空局認(rèn)可[3]。實(shí)踐表明，疲勞壽命分散性較大，必須理論結(jié)合試驗(yàn)才能進(jìn)行較準(zhǔn)確地定量分析[4]。用于輪盤低循環(huán)疲勞的試驗(yàn)器已在多國(guó)研發(fā)。德國(guó)Shenck、美國(guó)TDI等公司有成熟產(chǎn)品，但引進(jìn)國(guó)外設(shè)備價(jià)格昂貴且維修周期長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)僅有不超過(guò)10臺(tái)均從國(guó)外引進(jìn)的在役試驗(yàn)器并分散在多家科研機(jī)構(gòu)，自行研發(fā)的只有1臺(tái)SB804型轉(zhuǎn)子高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)器[5]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤低循環(huán)疲勞壽命分析方法和損傷容限性能研究的試驗(yàn)需求。

浙江大學(xué)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室立足自主創(chuàng)新，研發(fā)ZUSTD系列下立式輪盤高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)器，尋求突破該領(lǐng)域內(nèi)的試驗(yàn)技術(shù)瓶頸。完成每件輪盤的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)需要試驗(yàn)機(jī)在無(wú)人值守的情況下經(jīng)歷幾天甚至幾十天連續(xù)運(yùn)行，且對(duì)轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)參數(shù)的控制要求極為嚴(yán)格。

本文介紹了為該疲勞試驗(yàn)器開(kāi)發(fā)的1套性能可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 試驗(yàn)器

ZUST6D型試驗(yàn)器（如圖1所示）采用45 kW直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，第1、2級(jí)增速分別由高速皮帶和齒輪完成。電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3000 r/min，總增速比為20，主軸最高轉(zhuǎn)速為60000 r/min，允許試驗(yàn)件最大直徑為500 mm，最大質(zhì)量為50 kg。

圖1 輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)

為模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤工況下的溫度載荷，采用陶瓷纖維加熱箱實(shí)現(xiàn)均溫試驗(yàn)環(huán)境。與感應(yīng)加熱和徑向及軸向分布式加熱方式不同，該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。其工作原理為電阻絲輻射加熱，配備高精度控溫柜，最高控溫可達(dá)800℃。為避免高溫環(huán)境影響其他結(jié)構(gòu)運(yùn)行，在爐體和試驗(yàn)器腔蓋之間設(shè)有循環(huán)水冷卻板。采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析試驗(yàn)器運(yùn)行的狀態(tài)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)能預(yù)測(cè)輪盤裂紋的萌生與擴(kuò)展[6-7]，通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的異常突變，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪盤長(zhǎng)裂紋的產(chǎn)生并停車，從而避免給設(shè)備造成不必要的損失。美國(guó)TDI已將此技術(shù)應(yīng)用到噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)中[8]。

2 控制系統(tǒng)要求及方案

圖2 轉(zhuǎn)速加載方案

低循環(huán)疲勞試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速加載方案如圖2所示。其中，n1、n2為上、下限轉(zhuǎn)速；t1～t4分別為試驗(yàn)升速、上限保載、降速和下限保載時(shí)間。按輪盤低循環(huán)疲勞試驗(yàn)要求，下限轉(zhuǎn)速一般為上限轉(zhuǎn)速的5%～10%[9]。各參數(shù)根據(jù)不同試驗(yàn)要求設(shè)定，控制系統(tǒng)根據(jù)此加載方案完成疲勞試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)定循環(huán)次數(shù)后自動(dòng)停機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，形成試驗(yàn)報(bào)告?？刂葡到y(tǒng)不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)各被控設(shè)備的開(kāi)停，還需在試驗(yàn)器運(yùn)行過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、真空度、試驗(yàn)件溫度、油壓、油溫等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)件出現(xiàn)異常情況或試驗(yàn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)判定試驗(yàn)件爆裂、真空度不足、油壓過(guò)低、振動(dòng)超限等故障類型，實(shí)現(xiàn)安全停車，避免事故發(fā)生，并在監(jiān)控軟件界面上顯示故障編號(hào)，提示解決方案。

3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保試驗(yàn)機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)采用觸摸屏為上位機(jī)、PLC為下位機(jī)的結(jié)構(gòu)。與以往采用IPC為上位機(jī)相比，避免了因Windows多任務(wù)操作系統(tǒng)及軟件崩潰而引起的試驗(yàn)中斷?？刂葡到y(tǒng)主要由觸摸屏、可編程邏輯控制器、工控機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速器、傳感器組和其他執(zhí)行器組成。觸摸屏為人機(jī)接口，完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程顯示及監(jiān)控；PLC為核心控制單元，采集傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)，控制各執(zhí)行器運(yùn)作，并利用串口通信模塊通過(guò)多點(diǎn)接口協(xié)議和觸摸屏完成通訊；IPC為數(shù)據(jù)記錄和顯示單元，通過(guò)上位機(jī)開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)軟件完成數(shù)據(jù)的分析、顯示和保存，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 轉(zhuǎn)速控制方案

直流電機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)恒扭矩輸出，具有優(yōu)良的啟動(dòng)和調(diào)速性能，故選為試驗(yàn)器動(dòng)力源，并通過(guò)增速系統(tǒng)將輪盤加載到設(shè)定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速控制采用負(fù)反饋的閉環(huán)控制方式，PLC將試驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速傳感器采集的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)內(nèi)部控制算法輸出控制電壓信號(hào)到直流調(diào)速器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，形成1個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4所示。

輪盤轉(zhuǎn)速采用分段控制[10]：第1階段比例升速，快速將輪盤加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速區(qū)域；第2階段為改進(jìn)

圖4 轉(zhuǎn)速控制反饋系統(tǒng)

PID控制，確保輪盤平穩(wěn)升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速而不超調(diào)；第3階段采用帶死區(qū)的PID控制算法，在死區(qū)范圍內(nèi)認(rèn)為輪盤已達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，增加系統(tǒng)的抗干擾性能。第2階段至關(guān)重要，控制不穩(wěn)將導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)嚴(yán)重，試驗(yàn)器運(yùn)行不平穩(wěn)，甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上下竄動(dòng)的現(xiàn)象，從而造成試驗(yàn)機(jī)故障率升高。本文采用改進(jìn)的PID控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)控制，其算法為

式中：Δuk為控制增量；Kp為比例系數(shù)；Kd為回調(diào)系數(shù)；ek、ek-1分別為當(dāng)前偏差和前1次偏差；ΔVa、ΔV分別為加速度允許的最大值和實(shí)際值。Kp、Kd、ΔVa等參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)輪盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小計(jì)算獲得。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件控制流程如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，系統(tǒng)上電以后，PLC完成系統(tǒng)初始化；通過(guò)觸摸屏設(shè)定好本次試驗(yàn)任務(wù)參數(shù)并傳送給PLC；任務(wù)設(shè)定成功后，觸摸屏進(jìn)入試驗(yàn)監(jiān)控界面；點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后進(jìn)行輪盤低疲勞試驗(yàn)；電機(jī)啟動(dòng)前，首先開(kāi)啟油泵、真空泵等輔機(jī)設(shè)備，當(dāng)滿足允許啟動(dòng)條件后，開(kāi)啟直流電機(jī)，并調(diào)用轉(zhuǎn)速控制子程序執(zhí)行設(shè)定的轉(zhuǎn)速加載方案。在試驗(yàn)過(guò)程中，程序在每次轉(zhuǎn)速加載循環(huán)結(jié)束時(shí)累加計(jì)數(shù)，判斷是否達(dá)到目標(biāo)總循環(huán)次數(shù)，如達(dá)到則自動(dòng)停機(jī)，否則重新進(jìn)入下次循環(huán)；同時(shí)軟件具有異常判斷及處理模塊，試驗(yàn)運(yùn)行后該模塊即開(kāi)始工作，每隔固定時(shí)間間隔對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行診斷，如果出現(xiàn)異常情況則根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析故障類型，包括振動(dòng)超限、真空不足、油站工作異常、轉(zhuǎn)速控制異常、安全保護(hù)裝置異常等。故障發(fā)生后，控制系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)以保護(hù)試驗(yàn)器。

圖5 軟件控制流程

監(jiān)測(cè)軟件利用Delphi開(kāi)發(fā)，通過(guò)串口通信接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的分析、顯示和保存。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，開(kāi)始試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示和保存；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。利用BDE（Borland Database Engine）數(shù)據(jù)庫(kù)引擎對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，采用第3方報(bào)表控件將數(shù)據(jù)分析結(jié)果插入試驗(yàn)報(bào)告模板中，生成試驗(yàn)報(bào)告。監(jiān)測(cè)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)軟件結(jié)構(gòu)

4 測(cè)試結(jié)果

控制系統(tǒng)在ZUST6D型試驗(yàn)器上完成測(cè)試。試驗(yàn)件是質(zhì)量為8 kg、外徑為200 mm的模擬輪盤。設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，總循環(huán)次數(shù)為1萬(wàn)。試驗(yàn)器累計(jì)運(yùn)行近300 h，穩(wěn)定可靠。上限轉(zhuǎn)速的控制精度為±0.1%，遠(yuǎn)低于1%的轉(zhuǎn)速保護(hù)值，性能大大優(yōu)于國(guó)內(nèi)早期研發(fā)的低循環(huán)疲勞試驗(yàn)器，可與國(guó)外同類產(chǎn)品媲美。監(jiān)控軟件對(duì)實(shí)測(cè)的5次加載循環(huán)的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)時(shí)間曲線如圖7所示。

表1 轉(zhuǎn)速加載循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)

圖7 試驗(yàn)過(guò)程轉(zhuǎn)速與振動(dòng)時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線

在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)器主軸在每次循環(huán)過(guò)程中的最大振動(dòng)值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，考察其隨循環(huán)次數(shù)增加的變化量，用于預(yù)測(cè)試驗(yàn)輪盤上裂紋的萌生與擴(kuò)展。單次循環(huán)主軸最大振動(dòng)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖8所示。其波動(dòng)范圍為（15±2）um，最大振動(dòng)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為34000 r/min附近。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度與潤(rùn)滑油站油溫的監(jiān)測(cè)曲線如圖9所示。環(huán)境溫度在15～25℃變化時(shí)，油站油溫在35～42℃間波動(dòng)。

圖8 主軸最大振動(dòng)與循環(huán)次數(shù)曲線

圖9 環(huán)境溫度與油溫監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文采用PLC與觸摸屏控制試驗(yàn)過(guò)程，IPC監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了故障率；同時(shí)，控制系統(tǒng)具有自動(dòng)進(jìn)行故障判斷和停機(jī)保護(hù)的功能，極大地提高了試驗(yàn)的安全性，保證試驗(yàn)器能夠在無(wú)人值守的情況下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

（2）監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文采用的轉(zhuǎn)速分段控方法具有控制精度高、重復(fù)性好的特點(diǎn)。上限轉(zhuǎn)速的控制精度達(dá)到±0.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）ZUST6D型試驗(yàn)器順利完成模擬輪盤的1萬(wàn)次低循環(huán)疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)，主軸振動(dòng)保持在較低水平，油站油溫隨環(huán)境溫度穩(wěn)定波動(dòng)，表明該試驗(yàn)器軸系穩(wěn)定性高，控制系統(tǒng)抗干擾性能好。

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Development of Automatic Control System for Disk Low Cycle Fatigue Test Rig

LI Xiao-yu,XUAN Hai-jun,Fan Fei-long,LI Guo-qiang
（High-speed Rotating Machinery Laboratory，Engineering Faculty,Zhejiang University，Hangzhou 310027,China）

The disk Low Cycle Fatigue(LCF)test was conducted using high-speed spin facility that was a very effective equipment for the disk LCF life and damage tolerance.In order to ensure that such a rig was stable operation for a long time,the stable and unattended automatic control system was developed.Touch screen was used for Human Machine Interface(HMI)to complete the set of testing parameters,and Programmable Logic Controller(PLC)was used as the master station to control start-stop and speed loop,the monitoring system used IPC was responsible for data display and storage.Third-party component was utilized to realize serial communication of IPC and PLC.Testing results show that stability and reliability of the control system are well,and fully meet the design requirements.

high-speed spin equipment;disk;LCF test;automatic control system；Human Machine Interface；PLC

黎曉宇（1987），男，碩士，研究方向?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)機(jī)械疲勞試驗(yàn)。

211重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金、浙江大學(xué)自主科研計(jì)劃（2011QNA4020）資助

2012-12-17