局部加溫裝置系統(tǒng)設計

巴曉玉++王俊濤++姜雷++劉淞寧

摘要： 局部加溫裝置是針對發(fā)動機主動弧齒輪內(nèi)孔進行加溫保溫處理的裝置，然后用于發(fā)動機零部件的組裝。局部加溫裝置由承放車、加熱體、電氣控制系統(tǒng)三大部分組成。控制系統(tǒng)采用智能儀表控制固態(tài)繼電器的控溫方法，保證局部加熱器溫度的準確性、精確性。

Abstract： Local heating device is a device for heating and holding the inner surface of the active arc gear of the engine and then is used for the assembly of the engine components. The local heating device consists of three parts： the bearing and discharging vehicle， the heating body and the electrical control system. Control system uses the intelligent instrument to control the solid state relay to ensure the accuracy of the local heater temperature accuracy.

關(guān)鍵詞： 自動控溫；固態(tài)繼電器；溫度測量；PID

Key words： automatic temperature control；solid state relay；temperature measurement；PID

中圖分類號：TM58 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）36-0131-02

0 引言

航空發(fā)動機的組裝是一個精密的制造過程，其中任何零件的優(yōu)劣都將影響發(fā)動機的總體性能。因此，在組裝前，對組裝工藝控制有很高的要求。主動弧齒輪的加熱保溫過程中溫度的精確控制和加熱速率直接決定齒輪的膨脹系數(shù)，溫度過高容易損壞零件的硬度強度，溫度過低達不到膨脹系數(shù)不能順利進行裝配。

為了保證加熱設備運行的可靠和安全，電氣控制原理設計以滿足工藝的基本要求為標準，綜合考慮設備的自動化程度和技術(shù)先進性，其控制系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)整個加熱器工作狀態(tài)自動控制，還要具有超溫報警、短路、過載等故障的保護功能。局部加溫裝置由承放車、加熱體、電氣控制系統(tǒng)三部分組成?？刂葡到y(tǒng)采用智能儀表控制固態(tài)繼電器的控溫方法。在加熱體內(nèi)部設有溫度傳感器，對加熱器的溫度進行測量，將測量信號反饋至智能溫控儀表進行熱功率調(diào)節(jié)，保證局部加熱器溫度的準確性、精確性。

1 系統(tǒng)電氣原理

局部加溫裝置相關(guān)的電氣技術(shù)要求有：①實現(xiàn)主動弧齒錐齒輪加熱，溫度最高不小于250℃，溫度穩(wěn)定偏差不大于±5℃。②溫度自由設定，超溫自動報警，加熱30分鐘達到設定溫度。③從室溫開始加熱，裝置連續(xù)使用至少8h電纜不能熔斷。④防熔斷空氣開關(guān)。⑤加溫后無法在加溫腔中殘留多余物。⑥線纜長度≮5m，外部保護層絕緣，且厚度≮3mm，保證正常使用1年內(nèi)無破損。⑦實現(xiàn)加熱裝置的啟?？刂萍肮ぷ鳡顟B(tài)的指示，報警狀態(tài)的指示，超溫自動保護功能。⑧加熱器部分實現(xiàn)自動加熱控制，使溫度始終保持在要求的范圍之內(nèi)，并具有溫度實時顯示功能。

在電氣控制系統(tǒng)中，加熱體的控制是基本的加熱啟動、停止控制，加熱體內(nèi)部利用熱電阻進行溫度采集，智能溫度儀表采集熱電阻的溫度數(shù)據(jù)進行溫度數(shù)據(jù)實時顯示。加熱體的加溫控制是由智能PID溫度控制儀表控制固態(tài)繼電器對加熱體進行控溫。當實際溫度達到設定的目標溫度后，溫控儀表提供保溫信號給定時器，定時器按照工藝要求對加熱器溫度進行保持，達到加工時間后輸出顯示。其中定時器控制，智能PID儀表控制以及超溫報警部分實現(xiàn)基礎(chǔ)的電氣控制，加熱器控制部分關(guān)鍵問題在于加熱體的加熱控制采用固態(tài)繼電器控制，提高的準確性和加熱器自動加熱控制精確性、穩(wěn)定性。

1.1 固態(tài)繼電器控制原理 固態(tài)繼電器用于頻繁開啟的控制回路中，是利用現(xiàn)代微電子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型無觸點電子開關(guān)器件。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪音、無火花等特點。具有電壓過零時開啟，負載電流過零時關(guān)斷的特性，在負載上可以得到一個完整的正弦波性，因此電路的射頻干擾很小。

1.2 溫度測量 在工業(yè)應用中，溫度測量的方法有許多種，如熱電阻、熱電偶、精密溫度計、定壓氣體溫度計等。其中熱電阻一般適用于測量500℃以下的中、低溫度測量。是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測儀器，其主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，響應速度迅速，測量時間間隔短。而且熱電阻安裝簡單，信號標準，便于采集控制。系統(tǒng)設計采用國標熱電阻三線制引線方式，這種方法是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻，可以消除連接導線電阻引起的測量誤差。

1.3 PID控制技術(shù) 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或者得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或者自校正、自適應算法來實現(xiàn)。

在本控制系統(tǒng)中，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，使用智能調(diào)節(jié)器對控制溫度進行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)加熱器的自動加熱控制。加熱器控制部分是以熱電阻測溫原理為基礎(chǔ)，以高精度的智能調(diào)節(jié)器為控制核心的自動控制系統(tǒng)。它采用精確度較高的熱電阻測溫法測量加熱器的實時加熱溫度，利用智能調(diào)節(jié)器對測量的溫度參數(shù)進行PID參數(shù)整定，找到最佳的控制量，實現(xiàn)自動加熱控制功能。在加熱溫度超過工藝要求溫度的上限時，系統(tǒng)將自動停止加熱。endprint

1.4 控制系統(tǒng)工作原理 根據(jù)局部加溫裝置的技術(shù)要求，其電氣控制系統(tǒng)的主要功能是熱電阻采集工件溫度，智能控溫儀表控制根據(jù)熱電阻的采集的溫度數(shù)據(jù)控制固態(tài)繼電器通斷實現(xiàn)對加熱器的加熱控制，通過這閉環(huán)控制實現(xiàn)加熱器自動加熱控制。智能控溫儀表實現(xiàn)加熱溫度的實時顯示，同時具有超溫自動報警的功能，實現(xiàn)異常情況下對發(fā)動機工件的保護。定時器的設計滿足用戶對加熱時間的靈活設定及溫度保持的要求。電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

局部加溫裝置的電氣控制系統(tǒng)由溫度采集、加熱控制、定時控制、及溫度報警四部分組成，圖2中給出了局部加溫裝置的電氣控制系統(tǒng)原理圖。

①溫度采集部分：系統(tǒng)中使用精度較高的Pt100熱電阻來完成加熱體溫度測量工作，采用三線制溫度測量方法，有效消除連接導線電阻引起的測量誤差。

②加熱控制部分：智能溫控儀表是整個加熱器控制部分的核心。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選用帶有PID調(diào)節(jié)功能的智能調(diào)節(jié)器。實現(xiàn)加熱體的自動加熱控制，提高設備的準確性和可靠性。只要設置了溫度的上下限，使加熱溫度保持在工藝要求的溫度范圍內(nèi)，并將加熱溫度實時顯示出來；智能溫控儀表連接固態(tài)繼電器控制加熱器的工作。因為在設備工作的過程中，繼電器可能會頻繁吸合，這里采用固態(tài)繼電器，可以避免普通繼電器頻繁吸合時帶來的噪聲，還可以延長設備的使用壽命。

③定時控制部分：系統(tǒng)中使用定時器、蜂鳴器、繼電器結(jié)合按鈕對定時器進行設定，系統(tǒng)利用加熱啟動按鈕SB1對定時器進行控制，當加熱溫度滿足設定要求后繼電器對定時器進行啟動，當加熱時間滿足保溫要求后，蜂鳴器進行報警。當加熱停止時按鈕SB2停止系統(tǒng)的同時對定時器進行復位，使下次使用時定時器恢復初始狀態(tài)滿足定時要求。

④溫度報警部分：當溫度超過設定要求時，當試驗設備發(fā)生短路、過載等故障時，控制系統(tǒng)中的繼電器觸點吸合，常閉端直接斷開加熱器，智能溫度儀表報警端輸出報警信號。故障回路的電源將會被切除，避免損壞發(fā)動機工件。故障排除后，試驗設備可以繼續(xù)工作。

3 結(jié)論

局部加溫裝置是用于發(fā)動機主動弧齒輪內(nèi)孔加熱的裝置，相關(guān)技術(shù)資料及工藝文件要求的理解，滿足電氣控制系統(tǒng)術(shù)參數(shù)，完成加熱裝置的電氣控制系統(tǒng)設計。通過對加熱體的設計，約23分鐘能夠加熱到設定溫度，加熱速率符合工藝要求。局部加溫裝置電氣控制系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了加熱器的啟動停止控制，還實現(xiàn)了加熱器的自動加熱控制，并將加熱溫度實時顯示；同時，系統(tǒng)還實現(xiàn)了加熱溫度的自動定時，有效避免人為看管造成的人為誤差。此外，系統(tǒng)還具有溫度報警功能和故障保護功能，確保試驗設備安全可靠的運行。本控制系統(tǒng)的設計滿足任務的技術(shù)要求，并得到現(xiàn)場技術(shù)人員的認可。

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