轉(zhuǎn)盤軸承裝配機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬德鋒，高奮武，江純清，姬惠立

(洛陽軸研精密機(jī)械有限公司，河南 洛陽 471039)

“十二五”期間，我國風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)速度仍將繼續(xù)保持較快增長[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航、變槳所用轉(zhuǎn)盤軸承作為風(fēng)電設(shè)備的關(guān)鍵零部件，在出廠前需要對(duì)摩擦力矩性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格判定。由于轉(zhuǎn)盤軸承的尺寸較大，需要專用的摩擦力矩測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試。為此，開發(fā)了ZP400M轉(zhuǎn)盤軸承裝配機(jī)，主要用于轉(zhuǎn)盤軸承的裝配及裝配后的動(dòng)態(tài)摩擦力矩測試。

1 主要性能指標(biāo)

測量軸承尺寸范圍：外徑1 600～4 000 mm；

摩擦力矩測量范圍：1 000～15 000 N·m；

轉(zhuǎn)速：0～7 r/min(可調(diào))；

測量精度：≤±1% FS(滿量程)。

2 測試系統(tǒng)原理

在控制系統(tǒng)的控制下，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸系運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，通過安裝在軸系上的扭矩傳感器和位置傳感器實(shí)時(shí)讀取扭矩信號(hào)和角度信號(hào)，經(jīng)采集卡傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用安裝在計(jì)算機(jī)上的專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后形成圖形文件和數(shù)據(jù)文件。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，ZP400M轉(zhuǎn)盤軸承裝配機(jī)主要由裝配臺(tái)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和摩擦力矩測量系統(tǒng)組成。

1—一級(jí)導(dǎo)軌；2—二級(jí)導(dǎo)軌；3—滑板；4—支承軸系；5—被測軸承；6—撥桿；7—支承導(dǎo)軌；8—傳感器；9—驅(qū)動(dòng)軸系；10—電動(dòng)機(jī)；11—機(jī)架圖1 裝配機(jī)測試系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖

裝配臺(tái)由機(jī)架和平臺(tái)組成，機(jī)架采用焊接結(jié)構(gòu)，平臺(tái)采用鋼板，組成一個(gè)剛度足夠、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的裝配臺(tái)。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由精密軸系、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)及其控制單元組成。精密軸系保證了驅(qū)動(dòng)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，電動(dòng)機(jī)及其控制單元通過調(diào)速控制轉(zhuǎn)盤軸承的轉(zhuǎn)速，并可控制轉(zhuǎn)盤軸承停在需要的任意位置。

控制系統(tǒng)包括手動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)控制。手動(dòng)控制狀態(tài)下，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)后計(jì)算機(jī)中的測試系統(tǒng)將實(shí)時(shí)顯示扭矩值；自動(dòng)狀態(tài)即計(jì)算機(jī)控制狀態(tài)下，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)后，預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示扭矩值和角度值。

摩擦力矩測量系統(tǒng)由可伸縮導(dǎo)軌、撥桿、扭矩傳感器及其信號(hào)采集與處理系統(tǒng)組成。扭矩傳感器通過彈性聯(lián)軸節(jié)安裝在驅(qū)動(dòng)主軸的上端；可伸縮導(dǎo)軌上安裝可上下移動(dòng)的撥桿，便于插入轉(zhuǎn)盤軸承的固定孔中。

3.2 電路設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

3.2.1 傳感器的選型

測試系統(tǒng)傳感器選用型號(hào)為HX-901的扭矩信號(hào)耦合器，該傳感器不僅可以用來測量扭矩，而且自帶編碼器，也可用作位置傳感器。其具體的技術(shù)指標(biāo)為：量程范圍為0～20 000 N·m；精度為0.5%FS；適用轉(zhuǎn)速≤3 000 r/min；環(huán)境溫度為0～50 ℃；頻率響應(yīng)為100 μs；自重為34.5 kg；輸出信號(hào)為0～12 V方波頻率信號(hào)，負(fù)載電流<10 mA；零扭矩對(duì)應(yīng)的頻率為10 kHz，正向滿量程對(duì)應(yīng)的頻率為15 kHz，反向滿量程對(duì)應(yīng)的頻率為5 kHz；信號(hào)插頭管腳定義：(1)0 V；(2)+15 V；(3)-15 V；(4)轉(zhuǎn)速信號(hào)；(5)扭矩信號(hào)。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡的選型

選用PCI1780數(shù)據(jù)采集卡，該卡是一款PCI總線的多通道計(jì)數(shù)器定時(shí)器卡。其使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。此外，還提供8 個(gè)16 位計(jì)數(shù)器通道、8 路數(shù)字量輸出和8 路數(shù)字量輸入，可直接采集傳感器輸出的頻率信號(hào)[2]。

3.2.3 控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要通過繼電器控制電動(dòng)機(jī)的啟停、速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用YVPEJ系列電磁制動(dòng)變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，通過變頻器進(jìn)行控制。選用的電動(dòng)機(jī)及減速器滿足0～7 r/min的技術(shù)條件。所選的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性如圖3所示。由圖3可知，電動(dòng)機(jī)在5～50 Hz的頻率范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，從而保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖3 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)特性圖

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于LabWindows/CVI開發(fā)平臺(tái)[3]，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及顯示部分的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)測試界面如圖4所示。

圖4 測試主界面

3.3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

//啟動(dòng)計(jì)數(shù)器1

ptCounterEventStart.counter =gwChannel;

DRV_CounterEventStart(DriverHandle,(LPT_CounterEventStart)&ptCounterEventStart);

ptCounterEventRead.counter = gwChannel;

ptCounterEventRead.overflow=(short far *)&gwOverflow;

ptCounterEventRead.count = (long far *)&gdwReading;//讀計(jì)數(shù)器值

DRV_CounterEventRead(DriverHandle, (LPT_CounterEventRead)&ptCounterEventRead);

ptCounterFreqRead.counter = gwChannel1;

ptCounterFreqRead.freq = &gfFreq;//讀取頻率值

DRV_CounterFreqRead(DriverHandle,(LPT_CounterFreqRead)&ptCounterFreqRead);

moment1[na]=(gfFreq-10150)*3.60*(0.95-xvalue); //頻率和力矩之間轉(zhuǎn)換

3.3.2 數(shù)據(jù)處理及顯示程序設(shè)計(jì)

//數(shù)據(jù)處理

if(ii<1)

{

moment[ii]=sum1/20;

angle[ii]=sum2/20;

}

if(ii>=1)

{

moment[ii]=sum1/20;

angle[ii]=sum2/20;

//數(shù)據(jù)顯示

PlotLine (panelHandle, MAINPANEL_GRAPH, angle[ii-1], moment[ii-1] ,angle[ii], moment[ii] , VAL_RED);

}

SetCtrlVal (panelHandle, MAINPANEL_SSLJ,moment[ii]);

4 力矩校準(zhǔn)

隨機(jī)選取1套型號(hào)為033.40.1900.03K1的轉(zhuǎn)盤軸承，在無密封，無注脂，主軸轉(zhuǎn)速0.5 r/min的工況下，利用拉力計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭矩校準(zhǔn)。測試數(shù)據(jù)見表1，通過數(shù)據(jù)可以看出，傳感器與拉力計(jì)之間的最大誤差值為103 N·m，符合設(shè)備測量精度≤±1%FS(±200 N·m)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

精確測量風(fēng)電軸承摩擦力矩的大小，可以定量地確認(rèn)軸承的裝配質(zhì)量，從而提高軸承產(chǎn)品在整機(jī)設(shè)備中的裝機(jī)成功率。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的裝配機(jī)測試系統(tǒng)，人機(jī)界面友好、可擴(kuò)充性好，并且能縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。