轉盤軸承裝配機測試系統的設計

馬德鋒，高奮武，江純清，姬惠立

(洛陽軸研精密機械有限公司，河南 洛陽 471039)

“十二五”期間，我國風力發電新增裝機速度仍將繼續保持較快增長[1]。風力發電機偏航、變槳所用轉盤軸承作為風電設備的關鍵零部件，在出廠前需要對摩擦力矩性能指標進行嚴格判定。由于轉盤軸承的尺寸較大，需要專用的摩擦力矩測試機構進行測試。為此，開發了ZP400M轉盤軸承裝配機，主要用于轉盤軸承的裝配及裝配后的動態摩擦力矩測試。

1 主要性能指標

測量軸承尺寸范圍：外徑1 600～4 000 mm；

摩擦力矩測量范圍：1 000～15 000 N·m；

轉速：0～7 r/min(可調)；

測量精度：≤±1% FS(滿量程)。

2 測試系統原理

在控制系統的控制下，電動機驅動軸系運動，進而帶動軸承旋轉，通過安裝在軸系上的扭矩傳感器和位置傳感器實時讀取扭矩信號和角度信號，經采集卡傳送至計算機系統，利用安裝在計算機上的專用軟件進行數據處理，最后形成圖形文件和數據文件。

3 測試系統設計

3.1 機械結構設計

如圖1所示，ZP400M轉盤軸承裝配機主要由裝配臺、驅動系統、控制系統和摩擦力矩測量系統組成。

1—一級導軌；2—二級導軌；3—滑板；4—支承軸系；5—被測軸承；6—撥桿；7—支承導軌；8—傳感器；9—驅動軸系；10—電動機；11—機架圖1 裝配機測試系統主體結構圖

裝配臺由機架和平臺組成，機架采用焊接結構，平臺采用鋼板，組成一個剛度足夠、結構穩定的裝配臺。

驅動系統由精密軸系、減速機、電動機及其控制單元組成。精密軸系保證了驅動軸系的轉動精度，電動機及其控制單元通過調速控制轉盤軸承的轉速，并可控制轉盤軸承停在需要的任意位置。

控制系統包括手動控制和計算機控制。手動控制狀態下，啟動電動機后計算機中的測試系統將實時顯示扭矩值；自動狀態即計算機控制狀態下，啟動電動機后，預運轉一段時間后測試系統實時顯示扭矩值和角度值。

摩擦力矩測量系統由可伸縮導軌、撥桿、扭矩傳感器及其信號采集與處理系統組成。扭矩傳感器通過彈性聯軸節安裝在驅動主軸的上端；可伸縮導軌上安裝可上下移動的撥桿，便于插入轉盤軸承的固定孔中。

3.2 電路設計

電路系統主要由傳感器、數據采集系統、控制系統和驅動系統組成。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

3.2.1 傳感器的選型

測試系統傳感器選用型號為HX-901的扭矩信號耦合器，該傳感器不僅可以用來測量扭矩，而且自帶編碼器，也可用作位置傳感器。其具體的技術指標為：量程范圍為0～20 000 N·m；精度為0.5%FS；適用轉速≤3 000 r/min；環境溫度為0～50 ℃；頻率響應為100 μs；自重為34.5 kg；輸出信號為0～12 V方波頻率信號，負載電流<10 mA；零扭矩對應的頻率為10 kHz，正向滿量程對應的頻率為15 kHz，反向滿量程對應的頻率為5 kHz；信號插頭管腳定義：(1)0 V；(2)+15 V；(3)-15 V；(4)轉速信號；(5)扭矩信號。

3.2.2 數據采集卡的選型

選用PCI1780數據采集卡，該卡是一款PCI總線的多通道計數器定時器卡。其使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現計數器/定時器功能。此外，還提供8 個16 位計數器通道、8 路數字量輸出和8 路數字量輸入，可直接采集傳感器輸出的頻率信號[2]。

3.2.3 控制系統和驅動系統設計

控制系統主要通過繼電器控制電動機的啟停、速度和轉動方向。

驅動系統選用YVPEJ系列電磁制動變頻調速三相異步電動機，通過變頻器進行控制。選用的電動機及減速器滿足0～7 r/min的技術條件。所選的變頻調速電動機調速系統特性如圖3所示。由圖3可知，電動機在5～50 Hz的頻率范圍內為恒轉矩輸出，從而保證電動機平穩運行。

圖3 電動機調速系統特性圖

3.3 軟件設計

系統的軟件設計基于LabWindows/CVI開發平臺[3]，主要包括數據采集、數據處理及顯示部分的設計，系統測試界面如圖4所示。

圖4 測試主界面

3.3.1 數據采集程序設計

//啟動計數器1

ptCounterEventStart.counter =gwChannel;

DRV_CounterEventStart(DriverHandle,(LPT_CounterEventStart)&ptCounterEventStart);

ptCounterEventRead.counter = gwChannel;

ptCounterEventRead.overflow=(short far *)&gwOverflow;

ptCounterEventRead.count = (long far *)&gdwReading;//讀計數器值

DRV_CounterEventRead(DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

ptCounterFreqRead.counter = gwChannel1;

ptCounterFreqRead.freq = &gfFreq;//讀取頻率值

DRV_CounterFreqRead(DriverHandle,(LPT_CounterFreqRead)&ptCounterFreqRead);

moment1[na]=(gfFreq-10150)*3.60*(0.95-xvalue); //頻率和力矩之間轉換

3.3.2 數據處理及顯示程序設計

//數據處理

if(ii<1)

{

moment[ii]=sum1/20;

angle[ii]=sum2/20;

}

if(ii>=1)

{

moment[ii]=sum1/20;

angle[ii]=sum2/20;

//數據顯示

PlotLine (panelHandle, MAINPANEL_GRAPH, angle[ii-1], moment[ii-1] ,angle[ii], moment[ii] , VAL_RED);

}

SetCtrlVal (panelHandle, MAINPANEL_SSLJ,moment[ii]);

4 力矩校準

隨機選取1套型號為033.40.1900.03K1的轉盤軸承，在無密封，無注脂，主軸轉速0.5 r/min的工況下，利用拉力計進行動態扭矩校準。測試數據見表1，通過數據可以看出，傳感器與拉力計之間的最大誤差值為103 N·m，符合設備測量精度≤±1%FS(±200 N·m)的設計指標。

表1 測試數據表

5 結束語

精確測量風電軸承摩擦力矩的大小，可以定量地確認軸承的裝配質量，從而提高軸承產品在整機設備中的裝機成功率。應用虛擬儀器技術開發的裝配機測試系統，人機界面友好、可擴充性好，并且能縮短開發周期，節約開發成本。