基于LabVIEW 的機械密封試驗裝置測控系統研究* ＊

王 偉 劉士國 涂橋安 馬晨波 孫見君

(南京林業大學機械電子工程學院，江蘇 南京210037)

作為旋轉設備中不可缺少的密封裝置，機械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用壽命長、功率消耗少等特點，在泵、壓縮機、反應釜、攪拌器、轉盤塔、離心機和過濾機等工藝設備上得到了廣泛應用［1］。隨著機械密封技術的發展，對機械密封試驗裝置的性能也提出了更高要求。測試系統作為機械密封性能試驗機的重要部分，應具有高的可靠性及精確性，以實現準確評價機械密封性能的要求。

近年來，虛擬儀器技術［2］在測試測量系統開發應用方面得到了長足的發展。作為虛擬儀器開發平臺，LabVIEW 軟件以其簡單靈活、高效快速的優勢得到了高度關注［3-6］。LabVIEW 是由美國NI 公司推出的一款基于圖形化語言編程，實現虛擬儀器軟件開發的工具。該軟件包含了大量的工具與函數，用于實現數據采集、分析、顯示與存儲等功能，在汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產和過程控制等領域應用廣泛［7］。本文針對機械密封的性能測試，采用LabVIEW2009 設計開發了一套摩擦磨損試驗機的測控系統。

1 機械密封試驗機簡介

機械密封試驗機的結構示意圖如圖1 所示［8］。該試驗機密封腔直徑為120 mm，可測試的機械密封軸徑范圍為40 ～70 mm。該試驗機有兩大特征:

(1)具有轉速調節裝置:電動機由變頻器進行無級調速，速度范圍為0 ～6 000 r/min。

(2)具有密封端面壓力調節裝置:端面壓力主要由介質壓力和彈簧壓力組成，介質壓力的調控由氮氣瓶和穩壓罐共同完成;密封腔通過拖板在導軌上的移動來改變動、靜環的相對位置或壓緊力。

2 測控系統原理與硬件設計

本文開發的測控系統實現的功能包括:機械密封轉速的調節;密封端面溫度、密封端面比壓、介質溫度、介質壓力、扭矩及泄漏量參數的采集、存儲與處理;信號圖形顯示、試驗報告生成。

測控系統設計思路為:根據系統測量各參數的需要選配傳感器，調理傳感器檢測到的信號并送入數據采集卡，經A/D 轉換后形成數字信號送入計算機，最后利用LabVIEW 程序實現系統功能。系統的總體結構圖如圖2 所示。

需說明的是，端面壓力主要是由彈簧壓力和介質壓力組成。彈簧壓力由彈簧剛度和彈簧壓縮量求得;介質壓力由壓力傳感器測出。因此系統的端面比壓由式(1)計算得出。

式中:Ph為端面比壓;fo為彈簧力;do為密封面外徑;di為密封面內徑;db為安裝軸徑;p介為介質壓力。

綜合考慮各個物理量的測量要求，對傳感器的具體選擇見表1。

表1 傳感器的選擇

系統采用NI 公司的M 系列多功能數據采集卡USB - 6221 和溫度采集模塊USB - 9211A。USB -6221 是一款基于USB 串行總線的多功能采集卡，它有單端16 路(或差分8 路)、16 位分辨率的A/D 通道，采樣頻率為250 kS/s;USB -9211A 是一款專門用于溫度采集的高速數據采集卡，它有單端8 路(或差分4路)、24 位分辨率的A/D 通道，采樣頻率為12S/s。兩款采集卡均可直接使用LabVIEW 自帶的驅動進行編程工作。為避免接地回路及環境干擾，系統選擇差分測量系統。

3 測控系統軟件設計

以美國NI 公司的LabVIEW2009 軟件為測試平臺，進行測控系統的軟件設計。

3.1 測控系統軟件流程

軟件總體采用模塊化結構進行設計，軟件流程如圖3 所示。

3.2 系統軟件程序設計

為滿足對機械密封性能參數進行實時采集、顯示、記錄、查看及生成報表這一多步驟、多任務的需求，在編寫程序時將每個功能劃分為子VI，在主程序中動態調用這些功能模塊VI，從而完成系統的功能要求。

軟件的主界面設計如圖4 所示，界面中主要分為顯示和控制兩個區域。界面的左邊主要是顯示各參數的數值和實時顯示圖，界面的右邊主要為控制軟件運行的功能按鈕。

右邊可操作的10 個按鈕中，幫助、電源管理、參數設置、數據處理和現場視頻5 個按鈕都是用來觸發事件結構從而調用相應的子VI。傳感器標零、保壓試驗、動態試驗和退出系統4 個按鈕觸發的事件處理代碼在主程序中。

子VI 設計包括電源管理VI、參數設置VI、數據處理VI 和幫助VI。其中電源管理VI 是用數字輸出高低電平以控制繼電器的閉合，在上位機上達到以弱電控制強電的效果;參數設置VI 的主要作用是進行軸承扭矩標定和位移標定。軸承扭矩標定的原理為:記錄2 組以上試驗機在不同轉速下的扭矩值，運用最小二乘法進行曲線擬合，得到試驗機轉速N與空載扭矩T的曲線圖。將此曲線的參數保存到系統文件中，在后面的動態試驗中將值取出，從而計算出動態試驗下密封環的摩擦扭矩值。位移標定是根據密封環剛剛接觸處扭矩值很小的原理進行:電動機以500 r/min 的轉速轉動，試驗人員緩慢移動密封腔，扭矩值發生變化，當扭矩值保持在很小的范圍內時，記錄下此刻位移傳感器的值，作為標定值;數據處理VI 主要是用來查看歷史數據、另存為TXT 格式及生成實驗報告;幫助VI是為了方便操作人員了解系統各傳感器的原理、軟件運行環境、實驗步驟等。

3.3 數據處理

對測試系統采集的信號進行處理主要包含兩方面:一是將采集的電壓信號或頻率信號根據傳感器特性及數據處理方法轉化為相應的彈簧力、介質壓力及介質溫度等各個物理量值;二是對軸承扭矩和端面溫度應用最小二乘法進行擬合。

彈簧力由彈簧剛度乘以位移傳感器測得的位移量得出;平均泄漏量由總量除以時間得出;介質壓力與介質溫度由傳感器測得;密封摩擦功耗由摩擦扭矩乘以角速度得出。程序框圖如圖5 所示。

軸承扭矩由最小二乘法擬合得出，原理如上文所述;端面溫度的擬合方法如下:在靜環密封面背面周向均布加工4 個不同深度的軸向盲孔，使用絕緣膠將K型熱電偶埋入盲孔中，信號線沿靜環座內壁引出。將試驗過程中4 點測得的溫度擬合成溫度T與距離端面深度h的曲線T=f(h)，求取h=0 處的溫度即為端面溫度。本系統中端面溫度的曲線擬合采用LabVIEW函數庫中的“無約束指數擬合”和“廣義多項式擬合”，兩種方式均通過最小二乘法進行擬合，而后選取均方差較小的函數作為擬合函數。曲線擬合前面板如圖6所示。試驗結果表明在摩擦面溫度顯著上升時得到的擬合曲線是可信的。

4 測試范例

為驗證本系統的可靠性，特選取一對機械密封環進行試驗，試驗條件和試驗結果如表2 所示。由表中數據可知測試系統具有較高的精度和可靠性，達到了國家標準GB/T14211 -93 的測試要求。

表2 試驗條件和試驗結果

5 結語

機械密封性能測試是一項要求高、難度大的工作。傳統的機械密封性能試驗裝置的測控系統不但構建周期長，而且測試結果的準確性和可靠性也難以保證。本文利用虛擬儀器技術開發機械密封性能試驗裝置的測控系統，縮短了開發周期、提高了試驗精度。同時在該系統中，采用了通過溫度曲線擬合得到密封端面溫度的新方法，相對于傳統測量方法，測量精度和可靠性有較大提高。此外，本系統具有較強的通用性，可廣泛應用于其他測控系統。

［1］孫見君，魏龍，顧伯勤.機械密封的發展歷程與研究動向［J］.潤滑與密封，2004(4):128 -134.

［2］路亞峰，陳義軍，溫新岐，等.虛擬儀器技術研究現狀與展望［J］. 國外電子測量術，2011，29(11):35 -37.

［3］馬亮，李云濤，楊雪峰. LabVIEW 的電子設備故障檢測系統［J］. 計算機系統應用，2012，21(8):152 -155.

［4］吳桂清，朱院娟，郭斯羽，等.基于LabVIEW 的旋轉機械振動在線監測系統設計［J］.傳感器與微系統，2012，31(6):104 -107.

［5］Mohamed Z，Yousry A，Abdullah A H，et al. LabVIEW based monitoring system applied for PV power station［C］.Proc.of the 12th WSEAS International Conference on Automatic Control，Modelling ＆ Simulation.Catania，2010:65 -70.

［6］Ayse Y，Aynur A.Web based real time remote laboratory with LabVIEW access for analog and digital communication courses［J］.Istanbul University-Journal of Electrical ＆Eletronics Engineering，2008，8(2):671-681.

［7］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20 程序設計從入門到精通［M］. 北京:清華大學出版社，2007.

［8］孫見君，魏龍，朱洪生.彈簧比壓可控振動可測型機械密封試驗裝置［J］.石油機械，2002，30(2):25 -30.