航空發(fā)動機軸承試驗機測控系統(tǒng)的設計

徐昌語，劉 祎，杜海濤

(北京航空精密機械研究所 精密制造技術航空科技重點實驗室，北京 100076)

航空發(fā)動機軸承載荷大、轉(zhuǎn)速高、工作環(huán)境復雜，易產(chǎn)生失效，其典型的失效形式是滾動接觸疲勞。一旦軸承疲勞失效形成，后果特別嚴重，往往會造成飛行事故。而我國航空發(fā)動機軸承、傳動齒輪等關鍵部件的性能、質(zhì)量、壽命是長期以來的“老大難”問題[1]。為了提高航空發(fā)動機軸承的耐磨性能和疲勞壽命，需要選用新材料，探索新工藝。但對于新材料和新工藝，需要大量的疲勞試驗基礎數(shù)據(jù)，為軸承設計和壽命評估提供依據(jù)。

目前，國外已經(jīng)研制出許多疲勞試驗設備。美國從20世紀50年代末起，為了發(fā)展先進的航空發(fā)動機，解決關鍵的航空軸承材料、制造、潤滑技術，專門研制相應的疲勞試驗設備，可快速、高效、低成本地開展材料接觸疲勞性能試驗，對美國發(fā)展和擁有全球領先的航空發(fā)動機制造技術發(fā)揮了非常重要的作用[2]。我國在這方面也開展了相應的工作，洛軸、哈軸以及沈陽606研究所等都研制過類似設備，并開展了部分鋼球或軸承的疲勞試驗[3-4]。但是，由于其載荷小、轉(zhuǎn)速低，不能滿足航空發(fā)動機大載荷、高轉(zhuǎn)速、長壽命接觸疲勞試驗的要求。

為了更好地開展抗疲勞技術基礎研究，獲得航空發(fā)動機主軸承壽命及可靠性的數(shù)據(jù)和規(guī)律，分析軸承失效原因以及提高軸承的使用壽命和可靠性，解決長壽命軸承材料、制造和配合中存在的問題，需要研制專用的航空發(fā)動機主軸承試驗機，并進行大量的性能試驗和壽命試驗研究，給地面試車提供必要的試驗數(shù)據(jù)和依據(jù)[5]。

所設計的航空發(fā)動機軸承疲勞試驗機采用大功率高速電機驅(qū)動(最大轉(zhuǎn)速可達20000 r/min)，利用電液伺服缸雙側并聯(lián)加載(最大載荷可達150 kN)，基于西門子S7-1500PLC搭建測控系統(tǒng)，可模擬渦扇、渦噴發(fā)動機主軸軸承工況，進行該類發(fā)動機主軸軸承的高速性能試驗、超載試驗、超轉(zhuǎn)試驗、耐久性試驗和斷油試驗等。設備能按預設試驗譜線準確控制運行參數(shù)，自動運行至完成試驗，并且能夠?qū)υ囼炦^程進行運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存。

1 設備主要技術指標

設備功率175 kW；試驗最高轉(zhuǎn)速16000 r/min；軸向最大載荷150 kN；徑向最大載荷20 kN；載荷加載精度優(yōu)于0.5%FS；試驗潤滑最大供油壓力1 MPa，最大供油流量30 L/min，最高供油溫度200 ℃；試驗軸承最大外徑300 mm。

2 試驗機的關鍵系統(tǒng)組成

該軸承疲勞試驗機的各系統(tǒng)配置及相互關系如圖1所示，其中關鍵系統(tǒng)主要包括機械系統(tǒng)(試驗主體)、動力系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。

圖1 軸承試驗機系統(tǒng)總圖

機械系統(tǒng)是整個軸承試驗機的主體，采用臥式結構，主要包括試驗臺體、安裝平臺、高速電機安裝座等。安裝平臺采用鑄造件，具有良好的減震和承載能力。高速電機、高速聯(lián)軸節(jié)、主軸、試驗腔、支撐殼體、支點軸承、加載油缸等均放置在一個平臺，高速電機與主軸之間用高速聯(lián)軸器相連。軸承試驗機的機械系統(tǒng)三維設計如圖2所示。

圖2 軸承試驗機機械系統(tǒng)三維設計圖

試驗臺體采用封閉式對稱結構布局，兩個試驗軸承腔位于主軸中央，支承軸承位于主軸兩端；動力系統(tǒng)經(jīng)彈性聯(lián)軸節(jié)與主軸右端連接；軸向載荷由兩個對稱布置的油缸加載，徑向載荷由兩個油缸分別施加推力和拉力實現(xiàn)加載。試驗臺體剖面圖如圖3所示。

圖3 軸承試驗機試驗臺體剖面圖

動力系統(tǒng)為軸承試驗機的試驗軸系提供動力，根據(jù)試驗要求，提供需要的轉(zhuǎn)速和扭矩，具備速度反饋和調(diào)速功能；主要由主電機及配套伺服驅(qū)動器調(diào)速裝置、冷卻水系統(tǒng)、高速聯(lián)軸器等構成；主電機采用高速伺服電機，電機功率175 kW，最高轉(zhuǎn)速20000 r/min。

潤滑系統(tǒng)包括試驗潤滑系統(tǒng)和設備潤滑系統(tǒng)兩部分。試驗潤滑系統(tǒng)主要負責為試驗軸承提供潤滑保障以及符合試驗要求的高溫試驗工況，設備潤滑系統(tǒng)為支承軸承提供潤滑保障。

加載系統(tǒng)利用液壓缸對被試軸承實施軸向和徑向加載，加載力采用高精度力傳感器進行測量和反饋，采取電液伺服缸加載的形式，通過電機實時調(diào)節(jié)伺服缸的位置，控制液壓缸的油壓大小，實現(xiàn)加載的全閉環(huán)控制。

測控系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，實現(xiàn)整個軸承試驗機各個系統(tǒng)的控制和所有試驗參數(shù)信號的采集。

電氣系統(tǒng)為整個軸承試驗機的用電設備提供電力保障。

3 試驗機測控系統(tǒng)的設計

3.1 測控系統(tǒng)的組成

試驗機測控系統(tǒng)主要作用是控制動力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)，實時采集試驗機轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、壓力、流量和振動等試驗參數(shù)，對試驗轉(zhuǎn)速、滑油溫度、載荷實施閉環(huán)控制。

測控系統(tǒng)基于西門子PLC主控站搭建，主要由上位工控機、西門子S7-1500PLC系統(tǒng)(包含16路光電隔離開關量I/O模塊、8通道高性能模擬量A/D模塊、8通道高速模擬量D/A模塊以及RS485通信模塊等)、各類信號傳感器和控制電磁閥，以及振動測試分析系統(tǒng)等組成；采用現(xiàn)場分布式總線控制，完成對試驗機現(xiàn)場設備和驅(qū)動裝置的控制任務。試驗機測控系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 試驗機測控系統(tǒng)原理框圖

3.2 試驗參數(shù)的采集測試

試驗機需要對試驗過程進行監(jiān)控，實時采集并顯示試驗電機轉(zhuǎn)速、加載載荷、軸承外圈溫度以及振動等信號，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析和保存。

如何把試驗參數(shù)的非電量信號精確地測試出來，采用何種方法把它們轉(zhuǎn)換成PLC主控站需要的標準信號是本試驗機測控系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容之一。為了達到測試精確、數(shù)據(jù)可靠的目的，通過對不同的試驗參數(shù)測量分析，分別選用了不同的測試方法。

主軸轉(zhuǎn)速測量：電機轉(zhuǎn)速可以利用高速電機配套的編碼器檢測獲得，但為了進行系統(tǒng)振動頻譜分析，采用光電轉(zhuǎn)速傳感器進行主軸轉(zhuǎn)速檢測，測量量程范圍0～20000 r/min，信號通過轉(zhuǎn)速采集模塊進行采集處理。

載荷測量：兩個軸向載荷力傳感器采用量程10 t、直線度為±0.1%FS 的柱式負荷傳感器，由于采用兩側對稱并聯(lián)加載的方式，可以滿足軸向最大載荷150 kN的技術要求；徑向載荷力傳感器采用量程2.5 t、直線度為±0.1%FS的 S型拉壓式負荷傳感器。力傳感器經(jīng)過信號放大模塊處理后變送為4～20 mA電流信號，傳送給PLC主控站模擬量采集模塊。

溫度測量：試驗機被試軸承溫度檢測采用變送一體Pt100溫度傳感器，測量范圍-50～300 ℃，變送器輸出4～20 mA電流信號提供給PLC模擬量采集模塊。

振動測量：振動傳感器選用高精度加速度傳感器，加速度測量范圍±50g；振動信號需要實時高速采集，故采用DH8303高速動態(tài)信號分析系統(tǒng)進行信號采集和分析處理。

西門子S7-1500高速高性能模擬量采集模塊具有16位采樣精度，最大采樣頻率可達16 kHz，信號采集的穩(wěn)定性和可靠性高，而載荷和溫度測量采用電流信號能夠提高信號的抗干擾能力。

3.3 信號采集的防干擾設計

所設計的軸承試驗機最大功率超過200 kW，對測控系統(tǒng)的信號采集會產(chǎn)生較大干擾；而信號干擾與系統(tǒng)的接地方式有很大關系，接地技術是抑制噪聲的重要手段。在測控系統(tǒng)中不僅要進行人身和設備安全的保護接地，而且要進行使系統(tǒng)安全正常工作和防電磁干擾的接地。若接地處理不好，就會產(chǎn)生共模干擾。產(chǎn)生共模干擾的原因是計算機、變頻器和主軸電機采用了共同的地線，為了減小共模干擾，應將它們各自單獨接地。同時，所有的電源地線、信號地線和屏蔽地線都要接到各自的總地線上，最后把3類地線匯總到公共的地線上。

另外，電氣系統(tǒng)設計時需要考慮增加濾波器和輸入輸出電抗器；元器件布局合理，信號線與動力線分開布線,所有信號電纜采用屏蔽電纜并可靠接地。

3.4 測控軟件的開發(fā)

測控軟件系統(tǒng)包括PLC控制程序和上位機組態(tài)軟件。PLC控制程序基于西門子TIA 博途軟件平臺SIMATIC STEP 7軟件進行開發(fā)，實現(xiàn)整個試驗機關鍵系統(tǒng)的控制與信號采集。

上位機組態(tài)軟件基于VS2015平臺進行開發(fā)，監(jiān)測并控制整個試驗機的狀態(tài)和運行。軟件的總體架構采用分層架構，如圖5所示，在邏輯上將軟件系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層以及表現(xiàn)層。

圖5 測控系統(tǒng)總體架構圖

表現(xiàn)層：該層即為通常所說的用戶界面層，是軟件系統(tǒng)的界面部分，負責接受用戶輸入、顯示系統(tǒng)輸出，負責其他功能模塊的協(xié)調(diào)調(diào)用。

業(yè)務邏輯層：該層為整個軟件系統(tǒng)的核心部分，負責處理具體的業(yè)務邏輯，包括試驗人員信息管理、傳感器參數(shù)設置、試驗參數(shù)設置、載荷譜管理、試驗控制、數(shù)據(jù)顯示和保存管理等模塊；各個業(yè)務功能模塊通過中間接口HslCommunication.dll控件實現(xiàn)與PLC控制系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)訪問層：負責與文件型、關系型等具體的物理數(shù)據(jù)庫進行交互以實現(xiàn)對檢測結果的持久化保存。

操作系統(tǒng)層：上位機測控軟件在Windows 7操作系統(tǒng)平臺下使用Visual Studio 2015開發(fā)工具進行開發(fā)。

軸承試驗機測控軟件主界面如圖6所示，主要實現(xiàn)與S7-1500PLC主控站進行實時通信；設定電機轉(zhuǎn)速、供油壓力、滑油溫度、加載載荷等參數(shù)；實現(xiàn)試驗機載荷的加載和卸載、主軸電機的啟動和關閉，以及潤滑系統(tǒng)進回油泵的啟動和關閉，方便用戶對試驗機進行測試運行；能夠?qū)胗脩纛A設的試驗譜線，根據(jù)譜線的轉(zhuǎn)速、載荷、運行時間和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，自動控制試驗機的運行；并對試驗過程進行運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存，異常情況下自動報警并停機。

圖6 試驗機測控軟件主界面

3.5 液壓加載系統(tǒng)的精確控制

軸承試驗機液壓加載系統(tǒng)采用電液伺服缸加載的形式，該套機構主要包括伺服電機、電動伺服缸、驅(qū)動液壓缸以及執(zhí)行液壓缸等四大部分，其優(yōu)點是解決了常規(guī)液壓系統(tǒng)的壓力超調(diào)和噪聲問題，提高了試驗機的加載精度及加載穩(wěn)定性。該系統(tǒng)結構原理如圖7所示，實物圖如圖8所示。

圖7 電液伺服加載系統(tǒng)原理圖

圖8 電液伺服加載系統(tǒng)實物圖

試驗機加載系統(tǒng)的軸向力加載組件由兩個對稱的加力板、導軌、液壓缸、拉力傳感器和關節(jié)軸承等組成，如圖9所示。徑向力加載組件由液壓缸、直線軸承、拉力傳感器和關節(jié)軸承等組成，如圖10所示。

圖9 試驗機軸向力加載組件

圖10 試驗機徑向力加載組件

加載系統(tǒng)的控制采用PLC內(nèi)部PID控制器模塊，利用載荷力傳感器的實際反饋，對電液伺服缸伺服電機進行精確的閉環(huán)控制，保證加載載荷的精確控制以及穩(wěn)定性。液壓加載系統(tǒng)PID閉環(huán)控制原理圖如圖11所示。

圖11 液壓加載系統(tǒng)PID閉環(huán)控制原理圖

通過優(yōu)化調(diào)節(jié)PID控制器的PID參數(shù)，提高加載系統(tǒng)伺服電機的控制加載精度。圖12為加載系統(tǒng)PID控制調(diào)試的階躍響應曲線，從圖中可以看出加載系統(tǒng)載荷給定值和實際反饋值非常接近，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，加載精度高。

圖12 加載系統(tǒng)PID控制階躍響應曲線

由于執(zhí)行液壓缸加載存在摩擦阻力，載荷力傳感器存在測量誤差，需要利用高精度數(shù)字測力儀對軸向加載組件系統(tǒng)進行標定。具體標定步驟如下。

① 將高精度數(shù)字測力儀與軸向載荷力傳感器進行串聯(lián)；

② 從正反兩個方向上設定不同載荷進行加載，記錄載荷力傳感器的反饋值和高精度數(shù)字測力儀的實測值；

③ 根據(jù)最小二乘法原理，計算該軸向加載組件系統(tǒng)的標定系數(shù)；

④ 把計算獲得的標定系數(shù)寫入測控軟件，重新進行加載測試。

軸向加載組件系統(tǒng)設定標定系數(shù)后進行加載試驗，測試結果數(shù)據(jù)如表1所示；加載測試結果表明試驗機軸向加載精度優(yōu)于0.5%FS，滿足試驗機加載精度的技術要求。

表1 軸向加載組件系統(tǒng)標定測試結果

3.6 試驗載荷譜線的自動控制

試驗機某個性能試驗的載荷譜線如表2所示。運行試驗前導入預設的試驗譜線，測控軟件根據(jù)譜線當前步驟的轉(zhuǎn)速、軸向載荷和徑向載荷等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)試驗機的運行參數(shù)，并記錄當前步驟的運行時間和循環(huán)次數(shù)，當?shù)竭_設定的試驗時間和循環(huán)次數(shù)時，自動轉(zhuǎn)入譜線的下一步驟，直到所有譜線步驟運行完成，自動停止試驗。

表2 性能試驗載荷譜線

4 結束語

研制完成的大載荷發(fā)動機軸承試驗機，綜合應用了機、電、液一體化的技術成果，能夠真實模擬航空發(fā)動機軸承工況；設計采取了有效的抗干擾措施，解決了大功率電機的信號干擾難題；采用新型電液伺服缸和力傳感器全閉環(huán)調(diào)節(jié)的加載方式，突破了載荷加載精度優(yōu)于±0.5%FS的關鍵技術目標；實現(xiàn)了速度、載荷、溫度等主參數(shù)的自動調(diào)節(jié)控制，能按預設試驗譜線準確控制運行參數(shù)，自動運行完成試驗，并且能夠?qū)υ囼炦^程進行運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和保存以及異常情況自動報警并停機等。

目前，該試驗機已在中國航發(fā)北京航空材料研究院投入使用，開展了多套航空發(fā)動機軸承的試驗及研究。實驗證明了軸承疲勞試驗機系統(tǒng)設計合理、運行可靠，為航空發(fā)動機軸承壽命和性能試驗技術的進步提供了基礎平臺和數(shù)據(jù)支撐，解決了發(fā)動機軸承壽命、性能等試驗的迫切需求，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。