軸承變載荷壓力實驗系統(tǒng)設計

孫冬梅 陳 捷 黃筱調(diào)

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院1，江蘇 南京 210009;南京工業(yè)大學機械與動力工程學院2，江蘇 南京 210009)

0 引言

大型工程機械中，由于轉(zhuǎn)盤軸承體積龐大和安裝位置不易折裝等原因，致使其維修的難度非常大，而且轉(zhuǎn)盤軸承一旦發(fā)生故障，將影響機械系統(tǒng)的工作性能，甚至造成停機。國內(nèi)外許多研究者從磨損累積、裂紋形成與展成等角度對轉(zhuǎn)盤軸承作了大量研究［1－4］，然而這些研究結(jié)論大多基于大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)。特殊應用場合是否適用還有待試驗的驗證。同時，企業(yè)必須在實驗臺上經(jīng)過大量試驗，獲取產(chǎn)品綜合性能的試驗數(shù)據(jù)，在此基礎上結(jié)合理論分析和參數(shù)修正，從而建立軸承設計方法。

研發(fā)相應的故障檢測診斷系統(tǒng)已迫在眉捷，以確保生產(chǎn)的順利進行。為此，人們使用了多種有效的方法和技術來對軸承進行診斷［5－6］。其中，文獻［5］提出的疲勞軸承實驗臺，其大部分實驗臺采用手動螺桿移動加載活塞來調(diào)節(jié)加載油壓，自動化程度低。文獻［6］提出的基于數(shù)采卡的實驗臺方案，數(shù)采卡的安全可靠性較弱，且由于加載活塞存在滲漏，加載油壓會逐漸降低，要求人工移動活塞進行保壓，不能自動設定載荷譜，試驗加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。

本文從控制方案、模擬加載、信號采集等方面介紹了軸承變載荷實驗臺的開發(fā)。實驗臺可模擬實際工況產(chǎn)生可變載荷進行試驗。采用PLC與工控機虛擬儀器共同控制的方案，能夠自動控制油壓，真正實現(xiàn)了實驗臺的載荷連續(xù)自動可調(diào)可靠控制。

1 實驗臺的硬件機械結(jié)構方案

壽命檢測實驗臺系統(tǒng)由機械裝置、液壓部分、控制系統(tǒng)以及測試系統(tǒng)4部分組成。實驗臺控制系統(tǒng)設計原則是便于負荷的加載、傳感器的安裝、試驗操作以及能夠模擬實際工作環(huán)境。試驗裝置主要包括試件裝夾機構、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與測量系統(tǒng)以及基于虛擬儀器的測控系統(tǒng)4個部分。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構框圖Fig.1 Structure of the system

其中液壓控制系統(tǒng)包括液壓缸加載回路和液壓馬達調(diào)速換向回路2部分。根據(jù)試驗對象和試驗項目，實驗臺的液壓控制系統(tǒng)硬件由實驗臺、液壓加載機構、驅(qū)動機構、PLC控制器和工控機組成。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有以下幾個。

①手動控制:PLC控制器通過機械面板實現(xiàn)，完成基本液壓機構的操控。在系統(tǒng)設計中，軸向力的加載由2個拉缸同時作用實現(xiàn)，徑向力的加載由一個推缸來實現(xiàn)，一個拉缸和一個推缸實現(xiàn)傾覆力矩的加載。軸向力、徑向力和傾覆力矩加載回路各自獨立，可單獨加載進行試驗。在機械面板上通過電位器調(diào)節(jié)比例減壓閥的輸入電流大小來調(diào)節(jié)回路的壓力大小以及液壓馬達的轉(zhuǎn)速。

②自動加載:自動調(diào)節(jié)4個油缸的壓力，產(chǎn)生符合實際工況的動態(tài)載荷，如半正弦波形，并能自動調(diào)節(jié)液壓馬達轉(zhuǎn)速。

③數(shù)據(jù)采集:通過安裝在實驗臺上不同位置的傳感器，監(jiān)測回轉(zhuǎn)支承工作狀況并做數(shù)據(jù)保存和處理。

系統(tǒng)控制回路簡圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制回路示意圖Fig.2 Control loop of the oil jar

圖2中，當YV2得電，壓力油通過比例減壓閥5進入油缸，使工作臺產(chǎn)生軸向向右的正向壓力，壓力大小由比例減壓閥5和比例溢流閥11調(diào)節(jié);當YV1得電時，壓力油使工作臺產(chǎn)生軸向向左的反向壓力，壓力大小同樣可調(diào)。

2 實驗臺測控系統(tǒng)硬件方案

測控系統(tǒng)實現(xiàn)的基本測控功能包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)故障診斷和事故報警、圖形組態(tài)控制以及實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)顯示等。目前用于測控功能的大部分是通過商業(yè)組態(tài)軟件(如Fix、組態(tài)王等)來實現(xiàn)，其在功能上存在一定的缺陷:組態(tài)軟件能設計友好的界面，但它按照I/O點數(shù)來計費，對于中小型系統(tǒng)而言，性價比較低。其次，小型組態(tài)系統(tǒng)可靠性不高，不能脫離PC機單獨運行。

為了避免由停電等突發(fā)事件造成大型液壓系統(tǒng)生產(chǎn)停頓和重大經(jīng)濟損失，本文中系統(tǒng)下位機采用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，上位機采用LabVIEW開發(fā)基于虛擬儀器的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構圖Fig.3 Hardware component of the system

系統(tǒng)上電后，液壓加載機構中的液壓泵開始向液壓機構中油路供液壓油，電磁閥的正向油路接通，操作者觀察檢測的壓力并調(diào)整壓力，使其調(diào)整后達到要求。試驗結(jié)束后，關閉正向油路后關閉液壓泵，整個工作過程結(jié)束。

3 實驗臺測控軟件設計

3.1 通信方案

采用LabVIEW的工具包——數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊［7］，用LabVIEW開發(fā)的軟件作為上位機測控軟件;采用先進的網(wǎng)絡通信技術DataSocket，通過NI的OPC服務器接口，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)共享以及測控軟件LabVIEW與現(xiàn)場智能組件之間的數(shù)據(jù)通信;通過OPC配置項建立上位機與底層設備數(shù)據(jù)采集點的一一對應關系，建立與每一個PLC端口和中間繼電器連接的OPC標簽。

3.2 下位機控制軟件設計

手動控制中，按鈕與壓力傳感器直接與PLC的輸入端口連接。繼電器線圈與輸出端子相連接。機械控制面板由按鈕與指示燈組成，進行操縱和機械狀態(tài)的顯示。

PLC的軟件結(jié)構如圖4所示。

圖4 PLC的軟件結(jié)構圖Fig.4 Software structure of PLC

PLC上電，初始化系統(tǒng)后，在每一個掃描周期均調(diào)用基本執(zhí)行程序，完成機械面板的報警、急停、中間繼電器到執(zhí)行等動作操作。機械面板上手動按鈕和PC控制按鈕選擇控制方式是指不同的控制方式完成面板按鈕到PLC中間繼電器的操作。在系統(tǒng)運行過程中，PLC始終處于運行狀態(tài)，手動控制和PC機控制始終共用一段基本執(zhí)行程序，能夠保證手動控制與PC機控制動作執(zhí)行的一致性，PLC的程序代碼能達到最大的重用率。

3.3 上位機測控軟件設計

軟件系統(tǒng)充分發(fā)揮了LabVIEW在數(shù)據(jù)處理與智能控制方面的優(yōu)勢:一方面，LabVIEW對采樣數(shù)據(jù)點進行數(shù)字濾波，保證測試數(shù)據(jù)的準確度，滿足型式試驗和出廠試驗的精度要求;另一方面，LabVIEW對產(chǎn)生的載荷采用PID控制，實現(xiàn)了壓力、轉(zhuǎn)速的自動給定，提高了測試效率。

3.3.1 與下位機的連接

首先在LabVIEW項目中新建庫，并創(chuàng)建I/O Servert和共享變量，鏈接到由前述的NI OPC服務器創(chuàng)建的OPC標簽上。PLC的端口和中間繼電器可在LabVIEW軟件中當作變量進行處理和控制。利用LabVIEW提供的豐富的前面板控件，如:數(shù)據(jù)連接、按鈕、表格和曲線等，創(chuàng)建測控軟件的流程畫面，使人機界面更友好。

3.3.2 軟面板功能實現(xiàn)方法

軟件系統(tǒng)分2部分，一部分用于實現(xiàn)常規(guī)的控制，通過計算機編程在屏幕上建立圖形化的儀器面板，實現(xiàn)與機械面板功能完全相同的手動控制，完成上位機軟面板按鈕到PLC的中間繼電器控制，由下位機的基本程序部分完成對執(zhí)行單元的操作，從而使用戶可以通過屏幕操作實現(xiàn)現(xiàn)場實驗臺系統(tǒng)控制;另一部分用于實現(xiàn)PC機的自動控制，通過PLC的模擬輸入模塊，測量液壓缸壓力，采用閉環(huán)控制方式控制實驗臺轉(zhuǎn)速和變載荷加載值，生成可變載荷譜信號，通過PLC模擬輸出模塊加載至比例閥輸入端。

3.3.3 變載荷加載實現(xiàn)方法

軸承壽命測試的加載有循環(huán)加載、遞進式加載和脈動加載這幾種形式。根據(jù)對軸承強化壽命實驗機的理論研究和測試可知，動態(tài)變載荷加載方式更有利于激出缺陷破壞來獲得軸承的壽命。為實現(xiàn)動態(tài)變載荷，設計有規(guī)律的載荷(如半正弦波)，可通過相關參數(shù)給出載荷變化時間函數(shù)，設定周期和最大加載壓力，實驗通過數(shù)值化離散計算，得到離散壓力與時間數(shù)值表。

控制液壓缸加載時，由于液壓元件的流量特性存在著非線性特征，難以建立精確的數(shù)學模型加以控制。這里采用離散化的PID控制器進行壓力控制。液壓缸負載的壓力信號經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)化為電信號，通過PLC模擬輸入模塊在每個掃描周期測量，送入上位機。上位機通過離散化的PID控制算法，利用LabVIEW 的PID工具包，按照以下公式修正控制量:

式中:Pk為第k次測量壓力;Ps為設定壓力;ek為第k次誤差;Δ 為控制量;Kp、Ki、Kd為 PID 控制時的比例、積分、微分系數(shù)。

按時間驅(qū)動原則，固定比例減壓閥設定壓力，將控制量直接寫入PLC的模擬量輸出模塊。通過設置比例溢流閥壓力，控制實驗臺按給定的速率加荷和轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

4 加載試驗

系統(tǒng)通過軟件生成標準的正弦波，幅值為±5 V。由于液壓系統(tǒng)動態(tài)響應速度慢，因此可生成0.1 Hz的低頻率正弦波形壓力信號源。經(jīng)過PID的控制模塊，模塊的參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化配置為 Kp=1.5、Ki=0.001、Kd=0.002。每1 s送出一個壓力值至PLC的AO端口，經(jīng)比例放大板送至比例溢流閥，通過調(diào)節(jié)閥的輸出流量，控制實驗臺按給定的速率加減荷，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)每10 s完成一個周期的變載荷。由壓力變送器輸出的壓力值經(jīng)PLC的AI端口讀入系統(tǒng)，產(chǎn)生的載荷符合系統(tǒng)要求。同時，設置參數(shù)值，得到系統(tǒng)的階躍響應壓力波形。實驗曲線如圖5所示。

圖5 實驗曲線Fig.5 Experimental curves

從圖5可以看出，當Kp增大時，系統(tǒng)的響應靈敏度增大，動態(tài)跟蹤誤差減小，這在有靜差的情況下有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)和振蕩，破壞穩(wěn)定性。增大積分系數(shù)Ki有利于減少超調(diào)和振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但過大的積分系數(shù)會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。增大微分系數(shù)Kd有利于加快系統(tǒng)的響應，使超調(diào)量減少。

5 結(jié)束語

本文設計的軸承變載荷壓力實驗系統(tǒng)采用LabVIEW的圖形化編程環(huán)境，可實現(xiàn)動態(tài)變載荷加載。經(jīng)實際運行證明，它是使用靈活、畫面質(zhì)量和表現(xiàn)形式豐富多樣的測控系統(tǒng)，與PLC組成的下位控制系統(tǒng)實現(xiàn)了實驗臺的雙動控制，可靠性高。采用DSC模塊所提供的諸如圖庫、VIs以及實時數(shù)據(jù)庫等功能可以使系統(tǒng)功能得到加強。利用PID模塊進行壓力控制，精度高、實時性強。

目前，此實驗臺系統(tǒng)已成功運用于某軸承生產(chǎn)企業(yè)進行型式試驗和出廠檢驗，滿足了現(xiàn)場軸承測試的各種需要。

［1］王興東，劉源，嚴愛軍.大型回轉(zhuǎn)支承壽命預測方法的研究［J］.湖北工業(yè)大學學報:工學版，2006，21(3):33－36.

［2］Harris T A，Kotzalas M N.Rolling bearing analysis［M］.Taylor＆Francis Group，2006.

［3］Kunc R，Zerovnik A，Prebil I.Verification of numerical determination of carrying capacity of large rolling bearings with hardened raceway［J］.Internal Journal of Fatigue，2007(29):1913 － 1916，1919.

［4］姚德臣，楊建偉，殷玉楓，等.基于多方法融合的鐵路軸承故障診斷［J］.機械設計與研究，2010，26(3):70 －73.

［5］褚連娣.軸承變荷壓力試驗機液壓加載系統(tǒng)設計［J］.機床與液壓，2010，38(12):81 －83.

［6］劉暢，楊淑敏，陳永會.徑向柱塞泵液壓試驗臺虛擬儀器測試系統(tǒng)的研制［J］.機床與液壓，2010，38(8):75 －77.

［7］張潔浩，李平康.基于OPC技術的控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化［J］.自動化儀表，2009，30(11):54－56.