基于LabVIEW 的機械密封試驗裝置測控系統(tǒng)研究* ＊

王 偉 劉士國 涂橋安 馬晨波 孫見君

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京210037)

作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備中不可缺少的密封裝置，機械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用壽命長、功率消耗少等特點，在泵、壓縮機、反應(yīng)釜、攪拌器、轉(zhuǎn)盤塔、離心機和過濾機等工藝設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用［1］。隨著機械密封技術(shù)的發(fā)展，對機械密封試驗裝置的性能也提出了更高要求。測試系統(tǒng)作為機械密封性能試驗機的重要部分，應(yīng)具有高的可靠性及精確性，以實現(xiàn)準確評價機械密封性能的要求。

近年來，虛擬儀器技術(shù)［2］在測試測量系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用方面得到了長足的發(fā)展。作為虛擬儀器開發(fā)平臺，LabVIEW 軟件以其簡單靈活、高效快速的優(yōu)勢得到了高度關(guān)注［3-6］。LabVIEW 是由美國NI 公司推出的一款基于圖形化語言編程，實現(xiàn)虛擬儀器軟件開發(fā)的工具。該軟件包含了大量的工具與函數(shù)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等功能，在汽車、通信、航空、半導體、電子設(shè)計生產(chǎn)和過程控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［7］。本文針對機械密封的性能測試，采用LabVIEW2009 設(shè)計開發(fā)了一套摩擦磨損試驗機的測控系統(tǒng)。

1 機械密封試驗機簡介

機械密封試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示［8］。該試驗機密封腔直徑為120 mm，可測試的機械密封軸徑范圍為40 ～70 mm。該試驗機有兩大特征:

(1)具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置:電動機由變頻器進行無級調(diào)速，速度范圍為0 ～6 000 r/min。

(2)具有密封端面壓力調(diào)節(jié)裝置:端面壓力主要由介質(zhì)壓力和彈簧壓力組成，介質(zhì)壓力的調(diào)控由氮氣瓶和穩(wěn)壓罐共同完成;密封腔通過拖板在導軌上的移動來改變動、靜環(huán)的相對位置或壓緊力。

2 測控系統(tǒng)原理與硬件設(shè)計

本文開發(fā)的測控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括:機械密封轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié);密封端面溫度、密封端面比壓、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、扭矩及泄漏量參數(shù)的采集、存儲與處理;信號圖形顯示、試驗報告生成。

測控系統(tǒng)設(shè)計思路為:根據(jù)系統(tǒng)測量各參數(shù)的需要選配傳感器，調(diào)理傳感器檢測到的信號并送入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號送入計算機，最后利用LabVIEW 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

需說明的是，端面壓力主要是由彈簧壓力和介質(zhì)壓力組成。彈簧壓力由彈簧剛度和彈簧壓縮量求得;介質(zhì)壓力由壓力傳感器測出。因此系統(tǒng)的端面比壓由式(1)計算得出。

式中:Ph為端面比壓;fo為彈簧力;do為密封面外徑;di為密封面內(nèi)徑;db為安裝軸徑;p介為介質(zhì)壓力。

綜合考慮各個物理量的測量要求，對傳感器的具體選擇見表1。

表1 傳感器的選擇

系統(tǒng)采用NI 公司的M 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡USB - 6221 和溫度采集模塊USB - 9211A。USB -6221 是一款基于USB 串行總線的多功能采集卡，它有單端16 路(或差分8 路)、16 位分辨率的A/D 通道，采樣頻率為250 kS/s;USB -9211A 是一款專門用于溫度采集的高速數(shù)據(jù)采集卡，它有單端8 路(或差分4路)、24 位分辨率的A/D 通道，采樣頻率為12S/s。兩款采集卡均可直接使用LabVIEW 自帶的驅(qū)動進行編程工作。為避免接地回路及環(huán)境干擾，系統(tǒng)選擇差分測量系統(tǒng)。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

以美國NI 公司的LabVIEW2009 軟件為測試平臺，進行測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

3.1 測控系統(tǒng)軟件流程

軟件總體采用模塊化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，軟件流程如圖3 所示。

3.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

為滿足對機械密封性能參數(shù)進行實時采集、顯示、記錄、查看及生成報表這一多步驟、多任務(wù)的需求，在編寫程序時將每個功能劃分為子VI，在主程序中動態(tài)調(diào)用這些功能模塊VI，從而完成系統(tǒng)的功能要求。

軟件的主界面設(shè)計如圖4 所示，界面中主要分為顯示和控制兩個區(qū)域。界面的左邊主要是顯示各參數(shù)的數(shù)值和實時顯示圖，界面的右邊主要為控制軟件運行的功能按鈕。

右邊可操作的10 個按鈕中，幫助、電源管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場視頻5 個按鈕都是用來觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)從而調(diào)用相應(yīng)的子VI。傳感器標零、保壓試驗、動態(tài)試驗和退出系統(tǒng)4 個按鈕觸發(fā)的事件處理代碼在主程序中。

子VI 設(shè)計包括電源管理VI、參數(shù)設(shè)置VI、數(shù)據(jù)處理VI 和幫助VI。其中電源管理VI 是用數(shù)字輸出高低電平以控制繼電器的閉合，在上位機上達到以弱電控制強電的效果;參數(shù)設(shè)置VI 的主要作用是進行軸承扭矩標定和位移標定。軸承扭矩標定的原理為:記錄2 組以上試驗機在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值，運用最小二乘法進行曲線擬合，得到試驗機轉(zhuǎn)速N與空載扭矩T的曲線圖。將此曲線的參數(shù)保存到系統(tǒng)文件中，在后面的動態(tài)試驗中將值取出，從而計算出動態(tài)試驗下密封環(huán)的摩擦扭矩值。位移標定是根據(jù)密封環(huán)剛剛接觸處扭矩值很小的原理進行:電動機以500 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，試驗人員緩慢移動密封腔，扭矩值發(fā)生變化，當扭矩值保持在很小的范圍內(nèi)時，記錄下此刻位移傳感器的值，作為標定值;數(shù)據(jù)處理VI 主要是用來查看歷史數(shù)據(jù)、另存為TXT 格式及生成實驗報告;幫助VI是為了方便操作人員了解系統(tǒng)各傳感器的原理、軟件運行環(huán)境、實驗步驟等。

3.3 數(shù)據(jù)處理

對測試系統(tǒng)采集的信號進行處理主要包含兩方面:一是將采集的電壓信號或頻率信號根據(jù)傳感器特性及數(shù)據(jù)處理方法轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的彈簧力、介質(zhì)壓力及介質(zhì)溫度等各個物理量值;二是對軸承扭矩和端面溫度應(yīng)用最小二乘法進行擬合。

彈簧力由彈簧剛度乘以位移傳感器測得的位移量得出;平均泄漏量由總量除以時間得出;介質(zhì)壓力與介質(zhì)溫度由傳感器測得;密封摩擦功耗由摩擦扭矩乘以角速度得出。程序框圖如圖5 所示。

軸承扭矩由最小二乘法擬合得出，原理如上文所述;端面溫度的擬合方法如下:在靜環(huán)密封面背面周向均布加工4 個不同深度的軸向盲孔，使用絕緣膠將K型熱電偶埋入盲孔中，信號線沿靜環(huán)座內(nèi)壁引出。將試驗過程中4 點測得的溫度擬合成溫度T與距離端面深度h的曲線T=f(h)，求取h=0 處的溫度即為端面溫度。本系統(tǒng)中端面溫度的曲線擬合采用LabVIEW函數(shù)庫中的“無約束指數(shù)擬合”和“廣義多項式擬合”，兩種方式均通過最小二乘法進行擬合，而后選取均方差較小的函數(shù)作為擬合函數(shù)。曲線擬合前面板如圖6所示。試驗結(jié)果表明在摩擦面溫度顯著上升時得到的擬合曲線是可信的。

4 測試范例

為驗證本系統(tǒng)的可靠性，特選取一對機械密封環(huán)進行試驗，試驗條件和試驗結(jié)果如表2 所示。由表中數(shù)據(jù)可知測試系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性，達到了國家標準GB/T14211 -93 的測試要求。

表2 試驗條件和試驗結(jié)果

5 結(jié)語

機械密封性能測試是一項要求高、難度大的工作。傳統(tǒng)的機械密封性能試驗裝置的測控系統(tǒng)不但構(gòu)建周期長，而且測試結(jié)果的準確性和可靠性也難以保證。本文利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)機械密封性能試驗裝置的測控系統(tǒng)，縮短了開發(fā)周期、提高了試驗精度。同時在該系統(tǒng)中，采用了通過溫度曲線擬合得到密封端面溫度的新方法，相對于傳統(tǒng)測量方法，測量精度和可靠性有較大提高。此外，本系統(tǒng)具有較強的通用性，可廣泛應(yīng)用于其他測控系統(tǒng)。

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