航發(fā)高速軸承試驗機測控系統(tǒng)設計

李丁成， 李 輝， 戚社苗， 侯碧輝2,3， 郭 亮2,3， 劉 恒

(1.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049； 2.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；3.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

航空發(fā)動機主軸滾動軸承是發(fā)動機的關鍵零部件，對發(fā)動機的性能、壽命、可靠性有重要影響。隨著航空發(fā)動機的發(fā)展，發(fā)動機主軸軸承的使用條件更加苛刻，其壽命和可靠性問題受到極大的重視[1]。因此航空發(fā)動機主軸軸承在出廠之前必須經(jīng)過嚴格的試驗檢驗。高速航發(fā)軸承試驗機是為了模擬航空發(fā)動機主軸軸承在高溫、高速、重載等復雜惡劣工況下的工作狀態(tài)設計的，測控系統(tǒng)作為高速航發(fā)軸承試驗機系統(tǒng)的核心部分，主要負責試驗機的驅(qū)動、加載、數(shù)據(jù)采集和試驗機的狀態(tài)監(jiān)測。

本研究的試驗機分為大型航空發(fā)動機軸承試驗臺和小型航空發(fā)動機軸承試驗臺，其中小型航空發(fā)動機高速軸承試驗臺設計轉(zhuǎn)速為50000 r/min，極限轉(zhuǎn)速達70000 r/min，轉(zhuǎn)速誤差不超過±0.5%F.S，可對徑向和軸向進行0～20 kN可變加載，加載誤差波動不超過±1%F.S，動態(tài)響應時間不超過2 s，對測控系統(tǒng)具有較高的要求。關于試驗機測控系統(tǒng)，梅宏斌[2]給出了基于Turbo C語言和匯編語言的高速鐵路車輛軸承試驗機微機監(jiān)控和診斷系統(tǒng)；賈衛(wèi)，等[3]基于LabVIEW和PLC設計了風電軸承試驗機測控系統(tǒng)，其通過PID控制和程序間的循環(huán)嵌套實現(xiàn)了不同工況之間的自動切換；陸旻[4]基于LabVIEW開發(fā)了等速萬向節(jié)總成性能試驗臺測控系統(tǒng)，采用了模塊化編程，開發(fā)效率較高，維護簡單。

為了保證本試驗機測控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，測控系統(tǒng)采用較為成熟的軟硬件技術，硬件以NI工控機和測控終端計算機為上位機，對PLC、變頻器組成的下位機系統(tǒng)進行調(diào)度控制；以NI數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集；以LabVIEW軟件作為上位機軟件的開發(fā)平臺，開發(fā)基于C/S(Client/Sever)模式的遠程測控軟件，實現(xiàn)對試驗機測控、數(shù)據(jù)管理等功能。

1 測控系統(tǒng)設計

1.1 試驗機物理結(jié)構

本高速軸承試驗機結(jié)構如圖1所示。其工作過程如下：試驗軸承接受電機(圖1中未給出)及增速箱傳來的動力，達到試驗所要求的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)動之前，軸向加載系統(tǒng)對試驗軸承施加軸向預載荷，轉(zhuǎn)動后，根據(jù)試驗要求徑向加載系統(tǒng)對試驗軸承施加徑向載荷。根據(jù)企業(yè)方所提供的載荷譜，系統(tǒng)自動設置主軸轉(zhuǎn)速、軸向加載力、徑向加載力以及試驗軸承供油溫度，對航空發(fā)動機主軸軸承進行模擬試驗，試驗過程中主要監(jiān)測設備軸承軸瓦溫度、試驗軸承外圈溫度和回油溫度、振動信號的變化，記錄并保存試驗數(shù)據(jù)。

圖1 高速軸承試驗機主要結(jié)構示意圖

1.2 試驗機測控需求與測控系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 試驗機測控需求

本試驗機主要用于模擬航空發(fā)動機主軸軸承的高速、高溫及重載工況，在此類工況下進行性能試驗和耐久性試驗。各子系統(tǒng)的測控需求如表1所示。

1.2.2 測控系統(tǒng)硬件組成

航發(fā)高速軸承試驗機測控系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控終端計算機、現(xiàn)場工控機、PXI數(shù)據(jù)采集卡、PXI高性能通信卡、信號調(diào)理電路、傳感器、PLC、變頻器等組成，如圖2所示。

表1 試驗機子系統(tǒng)及測控需求

圖2 測控系統(tǒng)硬件組成

由于測控終端計算機距離現(xiàn)場試驗機大約50 m，一般數(shù)據(jù)采集卡到傳感器距離不應超過10 m，且RS485通信速率與通信距離負相關[5]。因此，測控系統(tǒng)采用“現(xiàn)場工控機+控制室終端計算機”方案。

傳感器采集的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，由PXI數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換后進入現(xiàn)場工控機，經(jīng)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端計算機，通過LabVIEW處理、顯示并保存，并根據(jù)實時信號對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制。

PLC、變頻器與現(xiàn)場工控機之間采用RS485通信協(xié)議，通過PXI高性能通信卡進行連接。監(jiān)控終端計算機與現(xiàn)場工控機通信，進而向其發(fā)布命令。

1.3 軟件總體構架

根據(jù)測控需求，軟件架構采用C/S(Client/Server)模式遠程測控方式。以測控終端為Client，NI工控機(Industrial Personal Computer，IPC)為Server。測控終端軟件提供用戶控制界面，通過Modbus TCP協(xié)議向IPC發(fā)布命令，并通過TCP/UDP協(xié)議接受IPC的響應數(shù)據(jù)，并對信號進行處理和顯示，根據(jù)分析結(jié)果做出預警，在試驗信息異常時自動報警并做出響應動作。IPC的作用是中轉(zhuǎn)和執(zhí)行，一方面接收來自終端的命令，通過串口通信將命令發(fā)送至執(zhí)行設備；另一方面，執(zhí)行設備的響應結(jié)果再返回至IPC，IPC再將執(zhí)行結(jié)果進行轉(zhuǎn)碼發(fā)送給測控終端計算機。

1.4 試驗主程序界面

本測控系統(tǒng)的主界面以圖表和數(shù)值兩種形式顯示潤滑系統(tǒng)溫度、振動加速度、振動位移、載荷、壓力等試驗數(shù)據(jù)，同時顯示載荷譜執(zhí)行狀態(tài)和系統(tǒng)運行狀態(tài)，以方便試驗人員觀察。由于被監(jiān)測參數(shù)較多，需要對界面進行合理布置，將重要參數(shù)顯示在當前界面，以便試驗人員觀察；將次重要的被監(jiān)測參數(shù)放置選項卡控件內(nèi)，如子單元監(jiān)測、單元系統(tǒng)報警信息及停機流程，工作人員可以根據(jù)需要進行查看。測控系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)主界面

2 程序功能實現(xiàn)

本試驗機測控程序的主體功能是測控終端與NI工控機通信、串口通信、試驗數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫存儲和報警及停機功能。

2.1 測控終端與工控機之間的通信

2.1.1 命令流通信

測控終端與現(xiàn)場IPC之間的距離為50 m左右，二者通過以太網(wǎng)進行通信。根據(jù)通信內(nèi)容的不同分別采用不同的通信協(xié)議。其中，對各個子系統(tǒng)的命令控制通過Modbus TCP協(xié)議，該程序框圖如圖4所示。

圖4 Modbus TCP協(xié)議程序框圖

通過此子VI，測控終端向IPC工控機發(fā)布命令，命令內(nèi)容包括要控制對象的單元ID、寄存器起始地址和寄存器的值。潤滑系統(tǒng)的啟停、供油溫度和壓力的設置、加載系統(tǒng)啟停和壓力的設置等命令均通過此VI發(fā)布。

驅(qū)動系統(tǒng)的啟停和參數(shù)設置命令發(fā)布VI和此VI相似，唯一的不同是，此VI設定寄存器值為多個，驅(qū)動系統(tǒng)的啟停和參數(shù)設置VI設定的寄存器的值為單個。

2.1.2 數(shù)據(jù)流通信

試驗過程中需要測控的參數(shù)有溫度、壓力等慢變信號以及主軸位移、加速度、聲發(fā)射等快變信號。因為慢變信號數(shù)據(jù)量相對較小，數(shù)據(jù)傳輸可采用TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸可靠[6]，TCP數(shù)據(jù)傳輸程序控制框圖如圖5所示。通過設定TCP連接的參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)和數(shù)據(jù)類型，將數(shù)據(jù)從IPC傳輸?shù)綔y控終端。

圖5 慢變信號命讀取令及響應程序框圖

快變信號數(shù)據(jù)量龐大，TCP/IP協(xié)議的傳輸速度已不能夠滿足需要，故采用傳輸速度更快的UDP協(xié)議[7]，UDP協(xié)議可能會存在丟包的情況，但丟包率很小，經(jīng)過驗證滿足試驗要求。UDP數(shù)據(jù)傳輸程序控制框圖與慢變信號類似，通過設定UDP連接的參數(shù)、讀取的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)類型，將數(shù)據(jù)從IPC傳輸?shù)綔y控終端。

2.2 串口通信

本測控系統(tǒng)中，驅(qū)動單元、增速箱單元和液壓單元通過各自的控制器(變頻器與PLC)直接測控，工控機通過NI PXI-8431/4高性能通信卡與子單元的控制器連接，向控制器發(fā)布命令實現(xiàn)對試驗設備的控制。驅(qū)動單元、增速箱單元和液壓單元的控制器分別在不同的通信協(xié)議下工作，因此將3個單元的控制器分別連接在RS485通信卡上的3個端口，組成串口通信網(wǎng)絡，并在LabVIEW中分別編程實現(xiàn)。串口通信的程序控制具體流程如下：

① 應用配置串口VI設定通信端口、波特率、終止符、奇偶檢驗等；

② 應用清空I/O緩沖區(qū)VI清空接收緩沖區(qū)、傳輸緩沖區(qū)；

③ 應用VISA寫入VI發(fā)送請求；

④ 應用VISA讀取VI讀取響應幀，根據(jù)控制代碼判定通信是否正常；

⑤ 應用關閉VI結(jié)束通信。

2.3 試驗數(shù)據(jù)存儲

軸承試驗機運行時各項參數(shù)，如溫度、壓力、主軸振動位移、加速度等會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須按照要求存儲。根據(jù)本測控系統(tǒng)的特點，試驗數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)據(jù)管理流(TDMS)文件格式存儲。TDMS格式文件具有高速、易存取、占用磁盤空間小的優(yōu)點，存儲速度能達到600 MB/s[8]，能夠通過LabVIEW、C、Matlab編程語言讀取，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理程序開發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)庫存儲

試驗中存在較多需要被頻繁調(diào)用和存儲的試驗信息參數(shù)，例如設定試驗機運行的載荷譜、試驗時間和試驗人員等基本試驗信息、測試對象報警參數(shù)等，為了管理規(guī)范化，同時便于信息記錄和查詢，使用數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)運行參數(shù)。本測試系統(tǒng)采用Microsoft SQL數(shù)據(jù)庫，其優(yōu)點為支持的數(shù)據(jù)量大，查詢速度快，占用資源少，非常適合用于存儲測試數(shù)據(jù)量。開發(fā)時通過LabSQL工具包，結(jié)合SQL命令語句訪問數(shù)據(jù)庫，訪問流程程序框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫訪問流程程序框圖

2.5 報警及緊急停機

為了保證試驗機的安全運行，需要選擇某些被測物理量對試驗機進行超限保護，試驗中比較重要的保護性參數(shù)為設備軸承回油溫度、主軸振動位移等。設置兩級報警級別，當?shù)谝患増缶l(fā)生時，試驗機運行，但產(chǎn)生聲光報警，提醒試驗人員對試驗機進行檢查；當?shù)诙増缶l(fā)生時，測控系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報警的同時，自動進入停機流程，并將報警信息存儲至數(shù)據(jù)庫。該模塊提高了系統(tǒng)應對意外情況的能力，并可在意外發(fā)生后查詢異常信息內(nèi)容，便于故障的排除。

3 測控系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

對某航空發(fā)動機軸承試驗的流程是：① 將試驗軸承安裝在試驗機上，安裝形式如圖1所示；② 通過監(jiān)控終端計算機進入航空發(fā)動機軸承試驗測控系統(tǒng)啟動界面，錄入試驗日期、軸承型號、試驗人員等基本信息，設定初始工況，設定要執(zhí)行的載荷譜；③ 進入子單元自檢與啟動，潤滑系統(tǒng)和動力系統(tǒng)打開；④ 子單元加載完畢后，系統(tǒng)進入測控系統(tǒng)主界面如圖2所示，系統(tǒng)自動循環(huán)加載載荷譜，設定主軸轉(zhuǎn)速、軸向及徑向加載、試驗軸承供油溫度，并進行數(shù)據(jù)采集；⑤ 如果產(chǎn)生故障，會觸發(fā)聲光報警，根據(jù)故障類型選擇是否啟動自動停機流程；⑥ 載荷譜運行完畢后，自動進入停機流程，依次關閉各個子單元。

試驗完畢后，可以通過子單元歷史數(shù)據(jù)查詢界面，對溫度、加載力、軸承振動位移、加速度等數(shù)據(jù)進行查詢。歷史數(shù)據(jù)查詢界面部分結(jié)果如圖7所示。

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢部分界面

圖7(a)為軸向加載力的測試數(shù)據(jù)，可以看出，加載響應穩(wěn)定。圖7(b)為轉(zhuǎn)速設定在12000 r/min下的振動加速度的數(shù)據(jù)采集及其頻譜分析，可以看出，振動信號采集比較穩(wěn)定，基頻與倍頻比較明顯，試驗臺運行穩(wěn)定良好。

4 結(jié)束語

本文以LabVIEW軟件平臺開發(fā)了航空發(fā)動機高速軸承試驗機測控系統(tǒng)，完成了試驗機監(jiān)測和控制的一系列要求，本測控系統(tǒng)的優(yōu)點在于：

① 實現(xiàn)了測控終端對現(xiàn)場試驗機的遠程測控，對測試人員的安全保障更高；

② 具有載荷譜執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測報警等功能，各項功能均采用模塊化設計，使得測控軟件具有易維護、效率高的優(yōu)點；

③ 采用TDMS文件形式存儲數(shù)據(jù)，文件占用空間小，可讀性高，可直接用Microsoft Excel進行讀取。

根據(jù)試驗機性能指標要求，已進行了試驗機空載和帶載運行，按照載荷譜要求對試驗機進行控制測試。測試結(jié)果表明，試驗機在各種工況下運行正常，測控系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，控制準確，數(shù)據(jù)采集和存儲功能可靠，對類似試驗臺測控系統(tǒng)的設計具有一定的參考和借鑒意義。