秦永晉 郭亮 付力揚(yáng) 陳志勇

（①洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471039；②航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039）

在“3060目標(biāo)”引導(dǎo)下的中國能源革命和能源轉(zhuǎn)型中，風(fēng)電是當(dāng)仁不讓的主力軍。由于各種原因海上風(fēng)機(jī)可以做到比陸上風(fēng)機(jī)體積更大，單機(jī)發(fā)電容量從4 MW到目前最高的16 MW，我國海上可開發(fā)的風(fēng)能資源也是陸上的3倍，同時(shí)海上風(fēng)場也更靠近用電負(fù)荷大的東南沿海地區(qū)，這些都決定了海上風(fēng)電會成為未來新能源發(fā)展的主要方向。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中增速箱位于葉輪和發(fā)電機(jī)之間，將葉輪受風(fēng)力作用旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電，其中必須通過內(nèi)置齒輪副的增速作用來將葉輪端較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足發(fā)電機(jī)正常工作的轉(zhuǎn)速。正是因?yàn)檫@樣，軸承成為了增速箱最容易損壞的部件，加之使用環(huán)境惡劣和高維修成本都對其可靠性和使用壽命提出了比一般機(jī)械高得多的要求。

本文針對風(fēng)電主機(jī)廠家對增速箱軸承壽命要求高的需求，基于 LabVEW 平臺進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，通過讓軸承在高轉(zhuǎn)速、大載荷、變速和變載等極限條件下長時(shí)間運(yùn)行來驗(yàn)證軸承性能，試驗(yàn)中通過觀察和記錄軸承溫升、軸承振動及電機(jī)電流等可以直觀反映軸承實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，為軸承設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)、故障原因判斷和失效形式分析提供詳實(shí)的現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，還可為風(fēng)電機(jī)組維護(hù)、正常運(yùn)行時(shí)間提供參考數(shù)據(jù)，助推大功率風(fēng)電軸承全面國產(chǎn)化。

1 控制測量需求及系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

1.1 控制需求

試驗(yàn)軸承安裝在如圖1所示的主體箱體內(nèi)部，跟它同軸的還有兩套不同型號的設(shè)備軸承作為試驗(yàn)軸承的對比樣本作為參考。因?yàn)樾枰屳S承在轉(zhuǎn)動過程中頻繁變速，所以選擇使用變頻器控制變頻電機(jī)的方式來驅(qū)動。為了模擬軸承實(shí)際工況，需要通過加載油缸對試驗(yàn)軸承施加不同大小的軸向載荷和徑向載荷。同時(shí)為了防止在長時(shí)間極限運(yùn)轉(zhuǎn)過程中軸承出現(xiàn)過熱的情況，還需要采用強(qiáng)制油潤滑，潤滑油流量和溫度也需要根據(jù)情況作出改變[1?2]。

圖1 試驗(yàn)機(jī)主體

1.2 測量需求

為了可以清楚地反映軸承實(shí)時(shí)狀態(tài)，需要在試驗(yàn)軸系內(nèi)部如圖2所示的加載油缸和加載桿中間安裝軸承軸向和徑向拉壓力傳感器，并在試驗(yàn)軸承和兩套設(shè)備軸承外圈分別用磁座吸附固定溫度傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。同時(shí)為了直觀反映試驗(yàn)軸系狀態(tài)，還需要通過接近開關(guān)測量試驗(yàn)軸系的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖2 試驗(yàn)軸系內(nèi)部

1.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)該系統(tǒng)的使用場景和功能設(shè)置，其運(yùn)行流程，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程

2 系統(tǒng)構(gòu)架

上位機(jī)采用NI（national instruments）公司開發(fā)的LabVIEW開發(fā)環(huán)境在工控機(jī)上編寫程序作為人機(jī)界面，下位機(jī)采用了模塊化結(jié)構(gòu)的SIMATIC CPU 1215C搭配8塊擴(kuò)展模塊，使用多達(dá)94路的數(shù)字量和模擬量通道，同時(shí)可接收共計(jì)31路的傳感器和報(bào)警信號的反饋，就像遍布于人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，控制并反饋著試驗(yàn)機(jī)的一舉一動。

測控系統(tǒng)通過工控機(jī)人機(jī)對話界面控制PLC,再由PLC對軸承轉(zhuǎn)速和軸向徑向載荷進(jìn)行控制，與此同時(shí)溫度傳感器和變頻器也會反饋數(shù)據(jù)給PLC。但由于試驗(yàn)要求對振動采用高頻采集，振動傳感器選擇與基于NI CompactDAQ的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊，獨(dú)立的振動采集系統(tǒng)與PLC再分別通過以太網(wǎng)通訊連接至工控機(jī)，最后使用Windows系統(tǒng)下OPC Server服務(wù)讓分屬不同公司的設(shè)備變得兼容并緊密聯(lián)系成為一個(gè)整體[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面前面板層次組成如圖4所示。每個(gè)組成界面相對統(tǒng)一，界面分工清楚，操作簡單，充分考慮了操作的便利性和安全性。

圖4 人機(jī)界面前面板層次

打開軟件首先出現(xiàn)的是如圖5所示的參數(shù)設(shè)置頁面。在該頁面可以設(shè)置試驗(yàn)軸承的相關(guān)信息，這些都會在系統(tǒng)生成的試驗(yàn)記錄中體現(xiàn)?？梢栽O(shè)置最多99項(xiàng)載荷譜和999次循環(huán)，根據(jù)試驗(yàn)要求不同還可以調(diào)整傳感器采集頻率和潤滑油流量，同時(shí)為了防止誤操作還可以設(shè)置最高轉(zhuǎn)速、最大載荷和最大加熱溫度等[4]。

圖5 參數(shù)設(shè)置頁面

如圖6所示的是試驗(yàn)軸承實(shí)時(shí)狀態(tài)頁面。在該頁面可以觀察試驗(yàn)軸承和設(shè)備軸承溫度、振動的實(shí)時(shí)值和歷史曲線圖，同時(shí)安裝在試驗(yàn)機(jī)主體上的軸向和徑向拉壓力傳感器也會反饋軸承實(shí)際載荷。

圖6 試驗(yàn)軸承實(shí)時(shí)狀態(tài)頁面

如圖7所示的是試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)頁面。在該頁面可以觀察到試驗(yàn)機(jī)液壓站、潤滑站以及電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖7 試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)頁面

如圖8所示的是試驗(yàn)機(jī)報(bào)警頁面。該頁面可以展示多達(dá)19類詳細(xì)報(bào)警信息，并根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置試驗(yàn)軸承溫度和電機(jī)電流的報(bào)警閾值[5?8]。

圖8 試驗(yàn)機(jī)報(bào)警頁面

4 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的對象包括軸承轉(zhuǎn)速、軸承溫度、軸承軸向和徑向?qū)嶋H載荷、液壓系統(tǒng)壓力和軸向徑向加載油路壓力、潤滑站流量與潤滑油溫度、電機(jī)電流以及軸承振動等7大類共計(jì)22項(xiàng)數(shù)據(jù)。這些采集對象，有的是通過獨(dú)立傳感器采集，有的是通過配套設(shè)備反饋。其中需要獨(dú)立采集的頻率有快有慢，測試精度有高有低，屬于混合測試。

軸承軸向和徑向載荷測量分別使用力諾天晟公司60T、200T兩種拉壓力傳感器。傳感器內(nèi)置有石英絕緣晶體與鈦合金彈性材料復(fù)合膜片，石英晶體上熔焊應(yīng)變敏感電橋，在壓力的作用下，鈦合金測量膜片產(chǎn)生微小形變，該形變使電橋輸出發(fā)生變化，變化的幅值與被測壓力成比例。電橋電路將電橋的失衡信號，轉(zhuǎn)換為0～24 V電壓信號輸出，再輸入PLC模擬量通道。

溫度采集使用了3套力諾天晟公司W(wǎng)Z/P-DL型鉑熱電阻溫度傳感器，量程范圍0～250 ℃ 。其原理基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性，搭配放大電路板輸出0～20 mA電流信號，再輸入PLC模擬量通道。

轉(zhuǎn)速采集使用奧托尼克斯公司型號為PR30-15DP的PNP常開型接近開關(guān)，該型號擁有最大15 mm的檢測距離。固定在床身支架處的接近開關(guān)與固定在圖2所示軸系上的檢測物每次接近都會輸出12～24 V高電平，遠(yuǎn)離后電壓迅速降為0 V，以此電壓變化為依據(jù)通過計(jì)算單位時(shí)間檢測物轉(zhuǎn)過的圈數(shù)得到試驗(yàn)軸系實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，與其連接的是PLC自帶的高速計(jì)數(shù)器接口。

與載荷、溫度和轉(zhuǎn)速不同的是，振動測量對采集頻率和精度要求較高，需要使用獨(dú)立的高速動態(tài)信號采集模塊再經(jīng)由專業(yè)的振動分析軟件處理，并不需要再二次接入PLC。振動數(shù)據(jù)采集使用了萬博振通公司三路BVM-210加速度傳感器和三路BVM-211速度傳感器，分別兩個(gè)成一組用來采集試驗(yàn)軸承和兩套設(shè)備軸承的振動值。其中加速度傳感器量程100 m/s2，速度傳感器量程100 m/s，精度±5%，輸出4～20 mA電流信號。振動采集核心使用的是一塊NI cDAQ-9185機(jī)箱配合兩塊NI-9234動態(tài)信號采集卡，兩塊板卡提供了8路同步模擬輸入通道，24 bit分辨率，單通道采樣速率最高51.2 kS/s。每通道都集成了獨(dú)立的IEPE激勵源，這是因?yàn)閭鞲衅鳟a(chǎn)生的電量很小，因此傳感器產(chǎn)生的電信號很容易受到噪聲干擾，這就需要用靈敏的電子器件對其進(jìn)行放大和信號調(diào)理。同時(shí)板載了可編程的低通濾波器，可以有效降低高頻噪聲并減少頻率混疊。采集背板自身帶有以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)線連接至上位機(jī)。最后振動采集模塊輸出的高頻數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過如圖9和圖10的所示的上位機(jī)程序框圖進(jìn)行信號處理，才能得到最終在前面板處展示在用戶界面的實(shí)時(shí)值與振動曲線圖[9?11]。

圖9 振動信號采集部分程序框圖

圖10 振動信號處理部分程序框圖

5 試驗(yàn)機(jī)動作控制

試驗(yàn)機(jī)的動作控制需要借助下位機(jī)PLC來完成，使用TIA博途工業(yè)自動化軟件將Profinet現(xiàn)場總線技術(shù)用于PLC主站與變頻器、液壓伺服閥、潤滑流量閥之間的通訊，只需專用的通訊線纜把4類設(shè)備依次串接在一起，借助變頻器和液壓閥廠家提供的通用站描述文件（GSD）在博圖軟件端完成對全部硬件的組態(tài)后會得到如圖11所示的硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖，通過這種方式就可以快速、直觀地對項(xiàng)目所涉及的所有自動化和驅(qū)動產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試。

圖11 硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖

對組態(tài)完成后的硬件，就可以在博圖軟件中調(diào)用出來，并通過如圖12所示的FBD（功能塊圖）這種圖形邏輯符號的編程語言來完成對硬件的動作控制設(shè)計(jì)[12]。

圖12 下位機(jī)使用的FBD編程語言

6 驗(yàn)證測控系統(tǒng)性能

根據(jù)設(shè)計(jì)要求測控系統(tǒng)需完成50 000 min的軸承強(qiáng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)軸承軸向載荷10 kN，徑向載荷1 500 kN，轉(zhuǎn)速120 r/min。由于軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其溫度和振動對損傷很敏感,例如剝落、壓痕、裂紋和磨損等都會在溫度和振動的測量值中反映出來，這里便用溫度和振動數(shù)據(jù)來對試驗(yàn)進(jìn)行描述。

如圖13所示的是試驗(yàn)期間振動隨時(shí)間變化的曲線，振動隨時(shí)間呈現(xiàn)波動性變化，在2 408 min時(shí)達(dá)到峰值，之后逐漸趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)過程正常。

圖13 試驗(yàn)軸承振動曲線

如圖14所示的是試驗(yàn)期間試驗(yàn)軸承溫度隨時(shí)間變化曲線。其中軸承最高溫度不超過51 ℃，溫升不超過38 ℃，數(shù)次迅速降溫為實(shí)驗(yàn)過程中正常停機(jī)導(dǎo)致，試驗(yàn)過程正常。

圖14 試驗(yàn)軸承溫度曲線

依據(jù)《GB/T 24607—2009滾動軸承壽命與可靠性試驗(yàn)及評定》的要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)可證實(shí)軸承已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)目的，滿足用戶要求。

7 結(jié)語

本文針對風(fēng)電增速箱軸承試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、模塊化編程，操作界面簡潔清晰，圖形圖標(biāo)形象具體。系統(tǒng)對試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動、液壓加載及軸承潤滑精確控制，同時(shí)對試驗(yàn)軸承的溫度、振動和加載載荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示和記錄。經(jīng)測試系統(tǒng)順利完成50 000 min的軸承強(qiáng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。該系統(tǒng)通過驗(yàn)證國產(chǎn)大功率風(fēng)電增速箱軸承的性能和壽命，得到主機(jī)廠家和終端用戶的肯定，加速了風(fēng)電軸承的國產(chǎn)化。