一種新型風電傳動軸扭矩測試設備開發研究

張 勇，張賢明

（重慶工商大學 廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

0 引言

合作企業研發出一種新型風電傳動軸，用于連接風力機組和發電機組，傳遞風力機組的轉動力矩到發電機組。該軸分為左右半軸兩部分，依靠內置摩擦片連接，傳遞動力及過載保護，其傳動扭轉性能直接影響所傳遞動力的大小、工作壽命及過載保護性能等[1,2]，因此，需檢測該傳動軸的扭轉性能，測試、驗證所研發軸的性能是否滿足要求。本試驗臺擬定傳動軸的滑動扭矩（滑扭）、靜態扭矩（靜扭）及滑動扭矩（滑扭）耐久性能參數作為檢測指標，為研發提供技術數據。由于所測指標參數不僅要實時采集顯示，還需計算、存儲和再現，結合開發成本，不宜選擇Labview控制系統[3,4]或PLC控制系統[5]，而選擇基于工控機（采用板卡和VB軟件）的控制系統[6]，并采用液壓動力系統提供可靠的動力驅動傳動軸。該方案不僅簡化試驗臺開發技術的復雜性，還提升了測試的自動化程度，較好的滿足了性能測試的要求。

圖1 試驗臺總體方案示意圖

1 試驗臺總體方案設計

如圖1所示為試驗臺總體設計方案，風力傳動軸左右兩部分依靠內置摩擦片摩擦傳遞動力，其扭轉性能測試方案設計、配置如下：

機械部分，平臺采用槽鋼框架結構，安裝各子系統。并在底座平臺上安裝各零部件，包括安裝支撐座及輸出軸、力臂、待測傳動軸、液壓馬達等。主要涉及調整馬達輸出軸與支撐座旋轉軸間的同軸度。

驅動部分，主要采用液壓動力系統提供動力，驅動液壓馬達轉動，帶動傳動軸右半部軸旋轉，由摩擦片帶動左半部軸轉動。通過調整液壓系統的輸出油壓、流量和輸出時間，可以分別滿足滑扭和靜扭的測試要求。

控制部分，主要采用工控機作為上位機，配置采集控制卡，通過數據線與電控箱連接，采集信號和輸出指令；而測試過程的控制由VB軟件實現，通過調用采集卡動態鏈接庫驅動函數操作板卡，進行信號采集和輸出控制。

傳感器采集，主要利用光電編碼器采集傳動軸轉動角度，采用拉壓傳感器采集傳動軸傳遞的動力，計算得到扭矩大小。

輸出控制，主要控制液壓系統的電磁閥，控制輸出壓力、流量、方向及時間等。

2 動力系統設計

傳動軸扭轉性能主要指標為滑扭與靜扭，滑扭的測試條件要模擬風力機組提供的瞬時沖擊力，如啟動、風力躍變等情況提供的動力狀況，靜扭的測試需要逐步緩慢加載。因此，設計時要采用能提供瞬時沖擊動力，還能實現逐步加載動力，且有緩沖保護作用的動力系統。以滑扭測試為主作為設計條件考慮，機械系統屬于剛性動力傳遞系統，如需提供瞬時沖擊動力，需加蓄能器，且緩沖保護性能較差，結構比較復雜。綜合考慮，采用液壓動力系統模擬風力機組提供瞬時沖擊動力，系統設計如圖2所示，有以下特點：

圖2 液壓動力系統設計原理圖

1）采用蓄能器4儲能，與Y型三位四通電磁換向閥7的中位機能配合，測試時，需首先對系統加壓，達到設定壓力后，再將換向閥左位或右位接通，突然釋放高壓油，推動液壓馬達瞬時加速轉動，輸出瞬時沖擊動力，此時才可測試滑扭特性。

2）靜扭測試時，直接將換向閥左位或右位接通，同時蓄能器也在逐步吸收一部分壓力油，可以實現系統輸出到馬達的油液壓力和流量逐步緩慢增加，馬達輸出軸的轉速和扭矩也逐步增加，此時滿足靜扭的測試條件，可以測試靜扭特性。

3）采用齒條-齒輪式馬達，齒輪及輸出軸的轉動范圍在正負180度，滿足傳動軸的轉角范圍，可以順時針、逆時針擺動輸出轉矩，同時輸出動力也較大，還可在測試時過載保護。

傳動軸滑扭最大設計值約為30000N ·m，以此作為計算、選型依據，選擇的電機額定功率為7.5kw，采用柱塞變量泵（額定壓力為25MPa），其他計算、選型此處不再敘述。

3 基于工控機的控制系統設計

試驗臺采用工控機作為上位控制機，在PCI、ISA插槽中插入采集控制卡，對測試過程進行控制并采集信號，而對采集卡的操控采用VB程序調用其動態庫實現。下面介紹電氣控制系統設計和軟件系統設計。

3.1 電氣控制系統設計

電氣控制原理圖如圖3所示，包括上部的強電電路部分和下部的弱電電路部分。

強電電路實現系統上電、停止、急停、過載保護等電源供給部分控制功能，同時對以下負載供電，如對液壓動力系統油泵電機三相供電，其他的單相供電，如報警燈、交流接觸器KM2、繼電器KA1/KA2以及正5V/正負12V、24V直流電源等弱電電路部分，主要采用北京雙諾公司的AC1080采集卡，有兩個16位模擬量采集端口采集壓力傳感器的模擬電壓信號，并通過開關量控制固態繼電器，從而控制前述負載的啟動、停止。其模擬量采集配套接線卡為AC157，采用電纜連接，而開關量的控制配套卡為AC140，其上有8個固態繼電器，接收主卡的控制信號并執行輸出，采用扁平線連接。另外，還采用AC6644脈沖采集卡采集光電編碼器的轉動脈沖數量，以便換算成傳動軸的轉動角度。

3.2 控制軟件設計及實現

控制軟件程序主要利用前述板卡的VB動態庫驅動程序，對板卡I/O端口進行操控，從而根據測試流程建立測試過程，并在測試過程中適合狀態下采集特性參數，進行曲線繪制、展示，最后保存、查詢、打印及分析等。

1）軟件功能模塊設計

功能模塊主要包括性能測試模塊（滑扭特性、靜扭特性測試），參數設置（測試條件參數設置，如滑扭特性的保護扭矩、終止角度、保護時間、坐標設置、采集角度和時間間隔、正反轉設置、濾波扭矩數量設置，以及耐久設定次數、采集間隔等，靜扭參數設置也類似）、手動設置（用來手動調試各采集、控制通道的性能是否正常）、數據庫查詢、存貯及打印模塊。

圖3 電氣控制原理圖

制定測試流程時，需考慮以下兩點：

（1）提供不同的測試條件，滑扭測試時需先啟動液壓泵對回路蓄能器增壓蓄能，滿足壓力條件時，突然接通驅動油路，沖擊馬達加速旋轉，此時開始采集數據、繪制曲線；而靜扭測試時，則需先手動操作，對系統卸荷至較小壓力，換算成扭矩不超過200N ·m時，可接通馬達油路，驅動馬達逐步緩慢轉動，此時同步采集數據、繪制曲線。

（2）測試過程退出條件，需考慮保護扭矩、終止角度、保護時間等退出條件，保證測試過程的穩定、可靠，并對測試系統及試件進行保護。

圖4 滑扭-角度特性測試界面

如圖4、圖5所示，為開發的扭轉特性測試系統及界面，可準確、實時的采集、繪制、展示傳動軸滑扭、靜扭與轉動角度、時間的特性曲線及其特性參數，便于研發企業分析、改進等。其中，圖4顯示滑扭-角度特性曲線，圖5顯示滑扭-時間特性曲線。

下面介紹滑扭耐久測試模塊和參數設置模塊的主要特點。

2）耐久試驗模塊設計

圖5 滑扭-時間特性測試界面

本試驗臺進行的滑扭耐久試驗屬于附加試驗，傳動軸研發企業嘗試對傳動軸多次打滑后引起的傳動性能退化的情況進行測試。經研究分析，按要求開發了耐久測試模塊，在滑扭特性模塊中可以選擇測試。如圖6所示為滑扭耐久試驗結果與計算結果（如最大滑扭、靜扭剛度等）查詢、顯示、打印等，其他測試結果也可通過該模塊查詢、打印。經試驗，該類傳動軸經過約5-10次的正反轉打滑后，滑動扭矩驟然下降，且摩擦片發熱、變形，不能繼續測試，待恢復一段時間后才能繼續工作、測試。試驗表明，該類傳動軸不適宜短時間內多次打滑（多次重載沖擊），為研發企業提供了可靠的性能參數，便于改善和提出使用規范等。

3）參數設置模塊設計

針對試驗參數的設置、保存、更新及調用等，采用VB數據控件與數據庫表綁定設置、保存、更新；并對參數設置表數據參數初始化，測試程序啟動后直接生成類似數據結構的記錄體，便于在測試過程中進行調用并顯示；另外，如測試程序中止退出時，需及時更新記錄體中的完成次數參數等，以便下次調用。

圖6 滑扭耐久試驗結果查詢-打印界面

3.3 實施效果

扭矩測試設備外觀如圖7所示，采用槽鋼框架結構，模塊化安裝各子系統，包括機械部件（底座平臺及其上安裝的各部件）、液壓動力系統、軟硬件控制系統等。整套系統運行可靠、穩定，且便于運輸。該試驗臺已交付傳動軸研發企業使用，取得了較好的試驗效果，獲得了可靠的研發數據。

4 結束語

圖7 傳動軸扭矩測試設備外觀圖

本試驗臺主要用于檢測一種新型風電傳動軸的扭矩傳動性能，包括滑扭（一次或耐久）特性和靜扭特性。圍繞測試要求，對試驗臺的總體方案、液壓動力系統、基于工控機的控制系統設計及測試流程中涉及的關鍵技術問題進行了探討，實現了不同特性測試條件的準備，測試過程的建立，特性參數的實時采集、曲線繪制、展示，測試結果的計算、存儲及動態再現、打印等。研發的測試設備已投入運行，取得了較好的檢測效果，為新型風電傳動軸的研發提供了可靠的性能指標。同時，也為其他相關產品的檢測設備開發提供了可行的技術思路，能有效減少開發成本和開發時間，提升測試自動化水平和可靠性。

[1] 李濱波, 段向陽.風力發電機原理及風力發電技術[J].湖北電力, 2007, 31(6): 55-57.

[2] 朱光偉,李翔, 陳思范, 等.基于PSS/E雙饋風力發電機組傳動軸系模型的研究[J].電氣技術, 2011(9): 110-113.

[3] 劉平, 岳林, 劉永富.基于LabVIEW的旋轉機械振動監測系統開發[J].機械科學與技術, 2011, 30(4): 586-589.

[4] 陳錫輝, 張銀鴻.LabVIEW 8.20 程序設計從入門到精通[M].北京: 清華大學出版社, 2007.

[5] 西門子公司.SIMATIC S7200 PLC 用戶指南[M].西門子公司, 1999.

[6] 張勇, 唐家兵.汽車制動力測試設備控制系統的改造[J].制造技術與機床, 2007(6): 126-128.