基于LabVIEW的透平動葉裝配沖擊檢測與研究

王佳茂，于忠海，辛紹杰，黎彭輝

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海電機學院 機械學院，上海 201306)

透平動葉裝配方法及工藝對轉(zhuǎn)子的性能及壽命至關重要[1-2]，動葉裝配過程要求工具具有適當?shù)臎_擊，使填隙條塑性變形脹緊葉片，同時要求葉根之間緊密相貼并伴有一定的扭轉(zhuǎn)量，以緩解轉(zhuǎn)子工作過程中的振動問題[3-4]。對于透平動葉裝配沖擊載荷的檢測，目前尚沒有合適的解決方案，因此也無法指導裝配工藝的改進和工具的升級。本文基于LabVIEW虛擬儀器設計了一套檢測系統(tǒng)，并對裝配沖擊進行檢測，給出了硬件設計和程序開發(fā)，使用應力應變測量技術，實現(xiàn)了對透平動葉裝配沖擊的檢測。

1 總體方案設計

本文基于虛擬儀器[5-6]和應力應變測量技術設計了透平動葉裝配沖擊檢測系統(tǒng)[7]，以實現(xiàn)動葉裝配的沖擊檢測研究。設計了一套懸臂式機械裝置，懸臂設計為電阻應變式傳感器，承受沖擊載荷時，懸臂發(fā)生應變，繼而表現(xiàn)為電阻變化，電橋輸出電壓，經(jīng)電壓變送器對信號進行調(diào)理和放大后，由高速采集卡高頻采集信號，上傳至上位機由LabVIEW進行處理。系統(tǒng)包括了標定和檢測兩部分，在測試裝配沖擊前先進行系統(tǒng)標定，然后進行檢測。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件設計及實現(xiàn)

2.1 電橋設計

在檢測沖擊載荷時，設計使用的懸臂式電阻應變傳感器，其變形形式主要為彎曲應變，因此設計電橋的連接形式為半橋，即所搭建的電橋上面的4個橋臂中，只有兩個橋臂上連接有應變片，而剩下的兩個橋臂上連接的則是阻值不發(fā)生變化的電阻，僅起到連通電路的作用。半橋輸出電壓相比較于單臂增加了1倍，能夠有效消除拉壓影響。如圖2所示，其中R1和R2為350 Ω電阻BX120-3AA應變片，R3和R4為阻值330 Ω的RX24黃金鋁殼電阻，U為激勵電壓，U0為電橋輸出電壓。

圖2 電橋連接形式

2.2 傳感器設計

懸臂式電阻應變傳感器[8-9]的懸臂部分，使用強度和剛度足夠的45鋼，經(jīng)退火、正火處理后，具有一定的韌性，承受沖擊載荷時的彈性變形滿足要求。懸臂需使用丙酮溶液進行表面清潔，尤其對于測點表面著重清潔，在其上下表面指定位置劃線定位，分別貼兩個應變片，使用502膠保證其牢固性，使應變片與被測表面緊密粘合，貼好后檢查有無氣泡、歪斜、脫膠等現(xiàn)象。之后經(jīng)端子焊接，將應變片與電阻用導線連接搭建好電橋之后，用萬用表檢測電路是否連通，有無斷路、虛焊等情況，用703硅橡膠將其固化封裝保護，制成性能足夠的、透平動葉裝配沖擊檢測專用的應變式傳感器，其工作原理如圖3所示。

圖3 應變式傳感器工作原理示意

將制好的懸臂應變式傳感器，夾持到專用機械裝置上，如圖4所示，將懸臂插入方鐵基座的開槽中，調(diào)整好位置，用M10螺釘進行緊定鎖緊，供沖擊檢測試驗使用。

圖4 懸臂式電阻應變傳感器機械裝置圖

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要由懸臂機械裝置、電橋、電壓變送器、高速采集卡[10]和上位機組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意如圖5所示，硬件連接如圖6所示。電壓變送器采用歐米茄DMD4059系列M-5000/1111電壓變送器來調(diào)節(jié)信號，DMD4059性能卓越，最多可同時驅(qū)動4個電橋。在本系統(tǒng)中，將電橋的輸入端與DMD4059的10和12端口連接，輸出與9和11端口連接，一方面為電橋提供激勵電壓，使其能夠正常工作；另一方面對電橋輸出的信號進行調(diào)理和放大至0～5 mV范圍，使信號能被高速采集卡所采集到。高速采集卡采用歐米茄DAQ-2416 M4803，OMB-DAQ-2416是一款優(yōu)秀的16通道數(shù)據(jù)采集器，最高采集頻率可達20 000 Hz，本系統(tǒng)使用CH0通道進行數(shù)據(jù)采集，DMD4059的3和4端口為信號輸出端，在與OMB-DAQ-2416連接進行信號傳輸時，DMD4059的3端口為負極，與OMB-DAQ-2416的GND端連接，DMD4059的4端口為正極，與OMB-DAQ-2416的CH0H端口相連，信號經(jīng)CH0通道被采集傳至上位機，由LabVIEW編程實現(xiàn)可視化窗口，進行傳感器的標定工作和透平動葉裝配[11-12]沖擊的檢測工作。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接圖

3 LabVIEW程序開發(fā)及數(shù)據(jù)采集

基于LabVIEW虛擬儀器設計一套可視化的透平動葉裝配檢測解決方案，分別設計了標定系統(tǒng)和沖擊檢測系統(tǒng)，在LabVIEW前面板上通過控制選板放置多個可視化控件，包括指示器和控制器，在實驗中運行程序時，可以直接在輸入控件上顯示輸入數(shù)據(jù)并經(jīng)顯示控件顯示運算輸出，形成友好的人機交互界面。在后臺程序面板上，采用數(shù)據(jù)流編程方式，通過函數(shù)選板創(chuàng)建G語言圖形化程序，設計連接端口，實現(xiàn)VI子程序與VI主程序之間的數(shù)據(jù)傳遞。

3.1 基于LabVIEW實現(xiàn)系統(tǒng)標定

為實現(xiàn)標定數(shù)據(jù)的可視化窗口，在前面板設置有電壓通道，電壓最大值最小值調(diào)節(jié)按鈕，5組輸入壓力與輸出電壓的標定數(shù)據(jù)記錄，后臺程序設計根據(jù)最小二乘法原理，將標定數(shù)據(jù)進行擬合，計算截距及斜率，從而得到傳感器輸入輸出特性，完成對檢測系統(tǒng)的標定?？梢暬到y(tǒng)標定窗口面板如圖7所示，LabVIEW實現(xiàn)程序如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)標定窗口

圖8 LabVIEW實現(xiàn)程序

3.2 基于LabVIEW實現(xiàn)沖擊檢測

在沖擊檢測面板中設置了可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)的樣本數(shù)量和采樣頻率，同時可以選擇系統(tǒng)所使用的物理通道，在透平動葉裝配沖擊檢測實驗研究中，設置每秒鐘采集 1 000個點，在顯示面板中呈現(xiàn)樣本電壓變化圖及峰值。沖擊檢測窗口面板如圖9所示，對應的LabVIEW實現(xiàn)程序如圖10所示。

圖9 沖擊檢測窗口

圖10 LabVIEW實現(xiàn)程序

4 實驗結(jié)果

進行裝配沖擊檢測時，首先對系統(tǒng)進行標定。使用大質(zhì)量砝碼對所設計的測試系統(tǒng)進行標定時，輸入載荷與輸出電壓的對應關系如表1所示。

表1 標定輸入載荷與輸出電壓關系

將標定數(shù)據(jù)使用最小二乘法進行擬合，擬合結(jié)果如圖11所示。

圖11 傳感器特性擬合曲線

在檢測透平動葉裝配沖擊時，使沖擊載荷加載于機械裝置的懸臂前端，系統(tǒng)即可自動采集輸出電壓，從而對應得到?jīng)_擊載荷的具體數(shù)值，在現(xiàn)場實驗中，使用高壓第三級預扭動葉[13-14]裝配工具進行沖擊檢測，在填隙條裝配沖擊檢測中測得沖擊載荷峰值為600 N，檢測結(jié)果與理論值相近似，因此在誤差允許的情況下，系統(tǒng)可以有效的檢測透平動葉裝配沖擊，檢測結(jié)果具有很高的參考價值，可以指導動葉裝配工藝及工具的改進和升級[15]。

5 結(jié)束語

本文設計了一套透平動葉裝配沖擊檢測系統(tǒng)，并對裝配沖擊進行檢測和研究，基于應力應變測量技術給出了硬件設計及數(shù)據(jù)采集方案，基于LabVIEW虛擬儀器使用G語言完成程序開發(fā)，實現(xiàn)了對透平動葉裝配沖擊的檢測，經(jīng)實驗驗證了系統(tǒng)的有效性。本文所設計的機械懸臂可以根據(jù)需要自由更換不同強度剛度

的材料，實現(xiàn)對不同等級的裝配沖擊的檢測，在一定程度上指導了透平動葉的裝配，為動葉裝配工藝升級及工具設備改進提供了參考。