基于LabVIEW的大功率海上風電機組增速箱軸承試驗機測控系統設計*

秦永晉 郭亮 付力揚 陳志勇

（①洛陽LYC軸承有限公司技術中心，河南 洛陽 471039；②航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

在“3060目標”引導下的中國能源革命和能源轉型中，風電是當仁不讓的主力軍。由于各種原因海上風機可以做到比陸上風機體積更大，單機發電容量從4 MW到目前最高的16 MW，我國海上可開發的風能資源也是陸上的3倍，同時海上風場也更靠近用電負荷大的東南沿海地區，這些都決定了海上風電會成為未來新能源發展的主要方向。

風力發電機組中增速箱位于葉輪和發電機之間，將葉輪受風力作用旋轉而產生的動力傳遞給發電機發電，其中必須通過內置齒輪副的增速作用來將葉輪端較低轉速轉變為滿足發電機正常工作的轉速。正是因為這樣，軸承成為了增速箱最容易損壞的部件，加之使用環境惡劣和高維修成本都對其可靠性和使用壽命提出了比一般機械高得多的要求。

本文針對風電主機廠家對增速箱軸承壽命要求高的需求，基于 LabVEW 平臺進行上位機設計開發，通過讓軸承在高轉速、大載荷、變速和變載等極限條件下長時間運行來驗證軸承性能，試驗中通過觀察和記錄軸承溫升、軸承振動及電機電流等可以直觀反映軸承實時狀態的數據，為軸承設計、工藝改進、故障原因判斷和失效形式分析提供詳實的現實數據，還可為風電機組維護、正常運行時間提供參考數據，助推大功率風電軸承全面國產化。

1 控制測量需求及系統流程設計

1.1 控制需求

試驗軸承安裝在如圖1所示的主體箱體內部，跟它同軸的還有兩套不同型號的設備軸承作為試驗軸承的對比樣本作為參考。因為需要讓軸承在轉動過程中頻繁變速，所以選擇使用變頻器控制變頻電機的方式來驅動。為了模擬軸承實際工況，需要通過加載油缸對試驗軸承施加不同大小的軸向載荷和徑向載荷。同時為了防止在長時間極限運轉過程中軸承出現過熱的情況，還需要采用強制油潤滑，潤滑油流量和溫度也需要根據情況作出改變[1?2]。

圖1 試驗機主體

1.2 測量需求

為了可以清楚地反映軸承實時狀態，需要在試驗軸系內部如圖2所示的加載油缸和加載桿中間安裝軸承軸向和徑向拉壓力傳感器，并在試驗軸承和兩套設備軸承外圈分別用磁座吸附固定溫度傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。同時為了直觀反映試驗軸系狀態，還需要通過接近開關測量試驗軸系的實際轉速。

圖2 試驗軸系內部

1.3 系統流程設計

根據該系統的使用場景和功能設置，其運行流程，如圖3所示。

圖3 系統流程

2 系統構架

上位機采用NI（national instruments）公司開發的LabVIEW開發環境在工控機上編寫程序作為人機界面，下位機采用了模塊化結構的SIMATIC CPU 1215C搭配8塊擴展模塊，使用多達94路的數字量和模擬量通道，同時可接收共計31路的傳感器和報警信號的反饋，就像遍布于人體的神經網絡一樣，控制并反饋著試驗機的一舉一動。

測控系統通過工控機人機對話界面控制PLC,再由PLC對軸承轉速和軸向徑向載荷進行控制，與此同時溫度傳感器和變頻器也會反饋數據給PLC。但由于試驗要求對振動采用高頻采集，振動傳感器選擇與基于NI CompactDAQ的高速數據采集系統通訊，獨立的振動采集系統與PLC再分別通過以太網通訊連接至工控機，最后使用Windows系統下OPC Server服務讓分屬不同公司的設備變得兼容并緊密聯系成為一個整體[3]。

3 軟件設計

人機界面前面板層次組成如圖4所示。每個組成界面相對統一，界面分工清楚，操作簡單，充分考慮了操作的便利性和安全性。

圖4 人機界面前面板層次

打開軟件首先出現的是如圖5所示的參數設置頁面。在該頁面可以設置試驗軸承的相關信息，這些都會在系統生成的試驗記錄中體現。可以設置最多99項載荷譜和999次循環，根據試驗要求不同還可以調整傳感器采集頻率和潤滑油流量，同時為了防止誤操作還可以設置最高轉速、最大載荷和最大加熱溫度等[4]。

圖5 參數設置頁面

如圖6所示的是試驗軸承實時狀態頁面。在該頁面可以觀察試驗軸承和設備軸承溫度、振動的實時值和歷史曲線圖，同時安裝在試驗機主體上的軸向和徑向拉壓力傳感器也會反饋軸承實際載荷。

圖6 試驗軸承實時狀態頁面

如圖7所示的是試驗機實時狀態頁面。在該頁面可以觀察到試驗機液壓站、潤滑站以及電機的實時狀態。

圖7 試驗機實時狀態頁面

如圖8所示的是試驗機報警頁面。該頁面可以展示多達19類詳細報警信息，并根據試驗需求設置試驗軸承溫度和電機電流的報警閾值[5?8]。

圖8 試驗機報警頁面

4 試驗機數據采集

數據采集的對象包括軸承轉速、軸承溫度、軸承軸向和徑向實際載荷、液壓系統壓力和軸向徑向加載油路壓力、潤滑站流量與潤滑油溫度、電機電流以及軸承振動等7大類共計22項數據。這些采集對象，有的是通過獨立傳感器采集，有的是通過配套設備反饋。其中需要獨立采集的頻率有快有慢，測試精度有高有低，屬于混合測試。

軸承軸向和徑向載荷測量分別使用力諾天晟公司60T、200T兩種拉壓力傳感器。傳感器內置有石英絕緣晶體與鈦合金彈性材料復合膜片，石英晶體上熔焊應變敏感電橋，在壓力的作用下，鈦合金測量膜片產生微小形變，該形變使電橋輸出發生變化，變化的幅值與被測壓力成比例。電橋電路將電橋的失衡信號，轉換為0～24 V電壓信號輸出，再輸入PLC模擬量通道。

溫度采集使用了3套力諾天晟公司WZ/P-DL型鉑熱電阻溫度傳感器，量程范圍0～250 ℃ 。其原理基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性，搭配放大電路板輸出0～20 mA電流信號，再輸入PLC模擬量通道。

轉速采集使用奧托尼克斯公司型號為PR30-15DP的PNP常開型接近開關，該型號擁有最大15 mm的檢測距離。固定在床身支架處的接近開關與固定在圖2所示軸系上的檢測物每次接近都會輸出12～24 V高電平，遠離后電壓迅速降為0 V，以此電壓變化為依據通過計算單位時間檢測物轉過的圈數得到試驗軸系實時轉速，與其連接的是PLC自帶的高速計數器接口。

與載荷、溫度和轉速不同的是，振動測量對采集頻率和精度要求較高，需要使用獨立的高速動態信號采集模塊再經由專業的振動分析軟件處理，并不需要再二次接入PLC。振動數據采集使用了萬博振通公司三路BVM-210加速度傳感器和三路BVM-211速度傳感器，分別兩個成一組用來采集試驗軸承和兩套設備軸承的振動值。其中加速度傳感器量程100 m/s2，速度傳感器量程100 m/s，精度±5%，輸出4～20 mA電流信號。振動采集核心使用的是一塊NI cDAQ-9185機箱配合兩塊NI-9234動態信號采集卡，兩塊板卡提供了8路同步模擬輸入通道，24 bit分辨率，單通道采樣速率最高51.2 kS/s。每通道都集成了獨立的IEPE激勵源，這是因為傳感器產生的電量很小，因此傳感器產生的電信號很容易受到噪聲干擾，這就需要用靈敏的電子器件對其進行放大和信號調理。同時板載了可編程的低通濾波器，可以有效降低高頻噪聲并減少頻率混疊。采集背板自身帶有以太網接口，通過網線連接至上位機。最后振動采集模塊輸出的高頻數據還需要經過如圖9和圖10的所示的上位機程序框圖進行信號處理，才能得到最終在前面板處展示在用戶界面的實時值與振動曲線圖[9?11]。

圖9 振動信號采集部分程序框圖

圖10 振動信號處理部分程序框圖

5 試驗機動作控制

試驗機的動作控制需要借助下位機PLC來完成，使用TIA博途工業自動化軟件將Profinet現場總線技術用于PLC主站與變頻器、液壓伺服閥、潤滑流量閥之間的通訊，只需專用的通訊線纜把4類設備依次串接在一起，借助變頻器和液壓閥廠家提供的通用站描述文件（GSD）在博圖軟件端完成對全部硬件的組態后會得到如圖11所示的硬件組態網絡視圖，通過這種方式就可以快速、直觀地對項目所涉及的所有自動化和驅動產品進行組態、編程和調試。

圖11 硬件組態網絡視圖

對組態完成后的硬件，就可以在博圖軟件中調用出來，并通過如圖12所示的FBD（功能塊圖）這種圖形邏輯符號的編程語言來完成對硬件的動作控制設計[12]。

圖12 下位機使用的FBD編程語言

6 驗證測控系統性能

根據設計要求測控系統需完成50 000 min的軸承強化試驗，試驗軸承軸向載荷10 kN，徑向載荷1 500 kN，轉速120 r/min。由于軸承在運轉過程中其溫度和振動對損傷很敏感,例如剝落、壓痕、裂紋和磨損等都會在溫度和振動的測量值中反映出來，這里便用溫度和振動數據來對試驗進行描述。

如圖13所示的是試驗期間振動隨時間變化的曲線，振動隨時間呈現波動性變化，在2 408 min時達到峰值，之后逐漸趨于穩定，試驗過程正常。

圖13 試驗軸承振動曲線

如圖14所示的是試驗期間試驗軸承溫度隨時間變化曲線。其中軸承最高溫度不超過51 ℃，溫升不超過38 ℃，數次迅速降溫為實驗過程中正常停機導致，試驗過程正常。

圖14 試驗軸承溫度曲線

依據《GB/T 24607—2009滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定》的要求試驗數據可證實軸承已經達到設計目的，滿足用戶要求。

7 結語

本文針對風電增速箱軸承試驗需求，設計了基于LabVIEW的試驗機測控系統。系統采用結構化設計、模塊化編程，操作界面簡潔清晰，圖形圖標形象具體。系統對試驗機驅動、液壓加載及軸承潤滑精確控制，同時對試驗軸承的溫度、振動和加載載荷等數據進行實時采集、顯示和記錄。經測試系統順利完成50 000 min的軸承強化試驗，試驗數據正常，達到了設計目的。該系統通過驗證國產大功率風電增速箱軸承的性能和壽命，得到主機廠家和終端用戶的肯定，加速了風電軸承的國產化。