減速器試驗(yàn)中某動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)的應(yīng)用

文/姚智 胡斌 黃安 周巍巍

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 引言

減速器是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心組成部件，作為三大關(guān)鍵動(dòng)部件之一，其在研制、驗(yàn)證、檢驗(yàn)過程中涉及到的新構(gòu)型、新材料、新工藝的運(yùn)用，大多都需要得到傳動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)（核心試驗(yàn)科目）以及其它相應(yīng)試驗(yàn)科目的驗(yàn)證。應(yīng)用研究一種能夠?qū)崟r(shí)采集、準(zhǔn)確快速分析各類傳動(dòng)試驗(yàn)科目所需數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)顯得尤為必要。

本文即依據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)的關(guān)注要點(diǎn)，展示了一種能夠適應(yīng)多種試驗(yàn)工況，且具備應(yīng)變、振動(dòng)、溫度、壓力、扭矩、電流等類型信號(hào)采集分析能力的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)。通過評(píng)估試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷其實(shí)用性。

2 技術(shù)背景

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由兩大主要部分組成，即：減速器和傳動(dòng)軸。如圖1所示，與常規(guī)機(jī)型的構(gòu)型（一般只配有主減速器、尾減速器）不同，噸位較大機(jī)型還配有中減速器。另一方面，傳動(dòng)軸主要指的是對(duì)應(yīng)減速器所配屬的動(dòng)力軸及尾傳動(dòng)軸。

減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改良提升空間大，是傳動(dòng)系統(tǒng)研究中所關(guān)注的重點(diǎn)。其中，主減速器結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜多變，一般為1～4級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，所需監(jiān)測的試驗(yàn)參數(shù)也最多。以某2級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主減速器為例，其傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)大致如圖2所示。與之相比，中、尾減速器較為簡單，僅為1級(jí)螺旋錐齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，多采用飛濺潤滑，熱量經(jīng)由機(jī)匣散出，可起到減速和換向的作用。

而傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)相較簡單，多由金屬或復(fù)合材料薄壁管組成，主要用于連接各部件并傳遞功率。

總體而言，傳動(dòng)系統(tǒng)將直升機(jī)的旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)以及機(jī)身平臺(tái)緊密的聯(lián)系在一起，有序的分配和傳遞動(dòng)部件載荷，從而實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)最基本的功能。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)（尤指主減速器）性能的優(yōu)劣對(duì)直升機(jī)整體性能的影響重大。

2.2 通用型傳動(dòng)臺(tái)

通用型傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，是一種能夠開展不同類型減速器功能、性能試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置。其不僅能準(zhǔn)確模擬減速器裝機(jī)狀態(tài)下的功率、轉(zhuǎn)速、外部載荷（含槳轂中心載荷），而且能依照循環(huán)試車表精確控制試驗(yàn)狀態(tài)。除主要的臺(tái)架試驗(yàn)科目外，該型傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)還可完成齒輪印痕調(diào)整、超功率、疲勞、溫度場、潤滑系統(tǒng)、耐久性、干運(yùn)轉(zhuǎn)等試驗(yàn)科目，是直升機(jī)減速器研制、驗(yàn)證、檢驗(yàn)過程中最為重要，也是最為復(fù)雜的試驗(yàn)裝置。借助該通用型傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的強(qiáng)大功能，能較大幅度地提高減速器試驗(yàn)的試驗(yàn)效率，同時(shí)還能顯著地提升小噸位級(jí)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

它的主要組成是：

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整流單元、逆變單元等；

（2）加載系統(tǒng)，含輸出軸加載、軸向加載、主減加載、尾減加載系統(tǒng)等；

（3）自動(dòng)化測控系統(tǒng)，含控制單元、PLC、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等；

（4）輔助系統(tǒng)，含塔架、底板、液壓缸、風(fēng)機(jī)等。

圖1：傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖

圖2：減速器傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

其中，本文所關(guān)注的傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)體測控系統(tǒng)，是一套集數(shù)據(jù)采集（不含試驗(yàn)件參數(shù)數(shù)據(jù)采集）和功率、載荷、轉(zhuǎn)速等控制功能于一體的自動(dòng)化測控系統(tǒng)，其電氣組成參照?qǐng)D3。

該傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)通用性較強(qiáng)，只需對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造就能裝配、運(yùn)轉(zhuǎn)不同構(gòu)型的試驗(yàn)件。以某雙發(fā)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主減速器分扭均載試驗(yàn)為例，其臺(tái)架整體（不含試驗(yàn)件）的測控線路組成如圖4所示。由于各試驗(yàn)科目的試驗(yàn)?zāi)康暮完P(guān)注點(diǎn)各不相同，因此，除試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)所必須關(guān)注的試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)體參數(shù)外，其余參數(shù)（主要指試驗(yàn)件參數(shù)）數(shù)據(jù)均由另一套通用型測試系統(tǒng)靈活采集補(bǔ)充。至此，鑒于各試驗(yàn)件、試驗(yàn)科目的測試參數(shù)類型多樣且數(shù)量繁多，應(yīng)用研究一套多功能、多通道的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)（DH5923N）就顯得十分必要。

2.3 小結(jié)

綜上，傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)是直升機(jī)研制過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是減速器試驗(yàn)。此外，傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的測試系統(tǒng)由兩個(gè)互為補(bǔ)充的子系統(tǒng)組成，即：

（1）自動(dòng)化測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；

（2）DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)。

其中，后者是傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測試分析的主要組成系統(tǒng)，也是本文的應(yīng)用研究對(duì)象。

3 DH5923N測試分析系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

如圖5所示，系統(tǒng)主要由3臺(tái)34通道的DH5923N數(shù)據(jù)采集器組成，其中：①、②號(hào)采集器均由2通道轉(zhuǎn)速信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊和32通道模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；③號(hào)采集器則由2通道信號(hào)源模塊和32通道模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。此外，該系統(tǒng)還配備了上位機(jī)、HUB、同步時(shí)鐘盒（內(nèi)置于采集器機(jī)箱）、適調(diào)器、傳感器、各類電源線及數(shù)據(jù)線等。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用戶通過上位機(jī)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析軟件對(duì)DH5923N數(shù)據(jù)采集器的各個(gè)測試通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集。指令發(fā)出后，進(jìn)入同步時(shí)鐘，先收到的同步時(shí)鐘會(huì)向其它兩臺(tái)數(shù)據(jù)采集器的同步時(shí)鐘傳遞指令，以確保采集同步進(jìn)行，其同步時(shí)間達(dá)到10ns量級(jí)，同時(shí)，各采集器通過HUB連接，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由以太網(wǎng)統(tǒng)一傳輸至上位機(jī)內(nèi)，從而確保了測試數(shù)據(jù)的同步性和完整性。

因?yàn)樵撓到y(tǒng)的功能非常強(qiáng)大，僅一套系統(tǒng)，就可完成應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)（加速度、速度、位移）、沖擊、溫度（各類熱電偶、鉑電阻）、壓力、流量、力、扭矩、電壓、電流等物理信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和事后分析，同時(shí)，數(shù)據(jù)采集軟件監(jiān)控界面還可自由組合配置以同時(shí)監(jiān)測多類型信號(hào)。所以，DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)是一套通用型的測試分析系統(tǒng)，可適應(yīng)傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)各類試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集需求。

3.2 系統(tǒng)特性

（1）高度集成：硬件模塊化設(shè)計(jì)，單模塊配備32個(gè)模擬信號(hào)通道；

（2）高度實(shí)時(shí)：實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)分析等；

（3）多通道并行、連續(xù)、同步高速采樣，同步時(shí)間達(dá)10ns量級(jí)，單通道采樣率可達(dá)51.2kHz；

（4）先進(jìn)的DDS數(shù)字頻率合成技術(shù)，同時(shí)，采用DMA傳送方式實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚?、穩(wěn)定、無漏碼；

（5）配套各類程控的信號(hào)適調(diào)器，自動(dòng)識(shí)別通道；

（6）具備長時(shí)間高速采集記錄（海量存貯）及分析各類信號(hào)的功能；

（7）單通道16bit獨(dú)立A/D，可消除通道間串?dāng)_的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；

（8）連接脈沖/頻率輸出型傳感器或計(jì)數(shù)器，可作轉(zhuǎn)速、脈沖計(jì)數(shù)或頻率測量；

（9）信號(hào)源各通道輸出互不相關(guān)，可輸出多種信號(hào)，包括：正弦、半正弦、正弦掃頻、隨機(jī)、偽隨機(jī)、猝發(fā)隨機(jī)、方波等，并可與多種試驗(yàn)儀器搭配使用。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 測試系統(tǒng)組成

試驗(yàn)臺(tái)測試部分由兩個(gè)互為補(bǔ)充的子系統(tǒng)組成，即：

（1）自動(dòng)化測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；

（2）DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)。

前者直接采集各類減速器試驗(yàn)均需關(guān)注的試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)體參數(shù)（含增速箱、加載機(jī)構(gòu)等相關(guān)測試參數(shù)，如驅(qū)動(dòng)或加載轉(zhuǎn)速、扭矩等），此部分測試需求相對(duì)固定，其余測試參數(shù)（主要指試驗(yàn)件參數(shù)，尤指主減速器參數(shù)）均根據(jù)各個(gè)試驗(yàn)的具體要求由后者靈活采集。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC將測控系統(tǒng)HBM采集到的扭矩、轉(zhuǎn)速、壓力等信號(hào)數(shù)值，通過電壓的形式傳輸至DH5923N測試系統(tǒng)，經(jīng)其采集并匯同其他測試信號(hào)一并發(fā)送至上位機(jī)動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析軟件處理。其系統(tǒng)組成如圖6所示。

試驗(yàn)過程中，在上位機(jī)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及顯示的同時(shí)，可將測試數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送至局域網(wǎng)內(nèi)裝有監(jiān)控軟件（具有時(shí)域波形顯示，平均值顯示，動(dòng)態(tài)值超限顯示，F(xiàn)FT圖譜實(shí)時(shí)顯示等基本功能）的其它計(jì)算機(jī)，以達(dá)到多端實(shí)時(shí)監(jiān)控或遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

4.2 某減速器試驗(yàn)中的應(yīng)用

4.2.1 試驗(yàn)概述

圖3：自動(dòng)化測控系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

圖4：臺(tái)架線路組成圖

以測試參數(shù)要求較為全面的某雙功率輸入型減速器分扭均載試驗(yàn)為例，該試驗(yàn)主要考核各階段功率譜和單、雙驅(qū)動(dòng)形式下，主減速器構(gòu)型呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)的各級(jí)傳動(dòng)軸均載狀況。試驗(yàn)要求測量：

（1）試驗(yàn)件內(nèi)的各級(jí)傳動(dòng)軸載荷（因其與扭矩呈正向線性關(guān)系，故采用應(yīng)變型橋式傳感器測得扭矩后再行換算）；

（2）其它多處結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；

（3）各電機(jī)功率輸入、輸出處，軸承轉(zhuǎn)速、扭矩；

（4）主減滑油溫度、壓力、流量等參數(shù)。試驗(yàn)后，通過評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷該測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確及可靠程度。

4.2.2 測試系統(tǒng)安裝

受試驗(yàn)臺(tái)前期設(shè)計(jì)、中期改造及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等因素的影響，在該試驗(yàn)中，大部分模擬信號(hào)均未進(jìn)行前端放大調(diào)理，故因信號(hào)衰減及干擾，其傳輸距離受限。

系統(tǒng)安裝時(shí)：

（1）將非旋轉(zhuǎn)件上的各類接觸式及非接觸式傳感器經(jīng)工裝、支架固定；

（2）將旋轉(zhuǎn)件上的傳感器及滑環(huán)按相關(guān)規(guī)范固定并將兩者按規(guī)范線序連接；

（3）將兩個(gè)子系統(tǒng)中，除傳感器及其附屬電源、信號(hào)線之外的其它部分，參照?qǐng)D5、圖6連接并安裝至距臺(tái)架不遠(yuǎn)處的測試柜內(nèi)。

系統(tǒng)調(diào)試成功后，試驗(yàn)需要的全部模擬、數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)均經(jīng)DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)采集，通過以太網(wǎng)傳輸至測控間計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測與分析。

圖5：DH5923N動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)

圖6：測試系統(tǒng)組成圖

圖7：振動(dòng)信號(hào)頻譜分析

4.2.3 試驗(yàn)狀態(tài)及判據(jù)

該試驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：

（1）雙發(fā)最大功率狀態(tài)；

（2）雙發(fā)連續(xù)功率狀態(tài)；

（3）單發(fā)應(yīng)急功率狀態(tài)；

（4）超轉(zhuǎn)狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)下，相關(guān)測點(diǎn)的扭矩、振動(dòng)、溫度、壓力等參量的時(shí)域或頻域波形。試驗(yàn)后，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。最后，結(jié)合有限元分析，對(duì)分扭傳動(dòng)系統(tǒng)多個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。其主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是：

（1）傳動(dòng)軸的功率分布和傳遞效率；

（2）分扭傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷分配特性；

（3）各結(jié)構(gòu)點(diǎn)相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)有效值。

以上指標(biāo)的計(jì)算方式分別是：

（1）依據(jù)功率P與轉(zhuǎn)速n、扭矩T的換算關(guān)系：P =9549nT，即可計(jì)算出各傳動(dòng)軸功率，通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)可得各級(jí)傳動(dòng)軸的功率分布和傳遞效率；

（2）采用主減速器分扭傳動(dòng)系統(tǒng)左、右分支雙聯(lián)軸上的功率P1、P2來定義分扭傳動(dòng)系統(tǒng)的均載系數(shù)α1、α2，其換算公式為：

α1=2P1/(P1+P2)，α2=2P2/(P1+P2)；

（3）如圖7所示，利用采集軟件中的頻譜分析功能，判斷各個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)下的頻域振動(dòng)值是否合理。

4.2.4 試驗(yàn)結(jié)論

盡管試驗(yàn)現(xiàn)場工況較為惡劣，存在多種干擾，如：

（1）各類驅(qū)動(dòng)、加載電機(jī)強(qiáng)電的電磁干擾；

（2）變頻器的高頻脈沖干擾；

（3）潤滑油路污漬侵蝕線纜帶來的信號(hào)干擾；

（4）試驗(yàn)件長期運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度干擾；

（5）旋轉(zhuǎn)軸系對(duì)電波的反射干擾等。

但是經(jīng)測試系統(tǒng)軟、硬件濾波、屏蔽、隔離、共模抑制等技術(shù)處理后，測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各類信號(hào)均無誤碼且能被正常采集，同時(shí)，波形和數(shù)值都基本正確。結(jié)合有限元理論分析后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合預(yù)期，表明該套測試系統(tǒng)能夠滿足傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)及分扭傳動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)測分析的要求。

5 結(jié)束語

實(shí)踐證明，以DH5923N數(shù)據(jù)采集器為核心的動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)是一套符合技術(shù)要求的通用型測試系統(tǒng)。其不僅能同時(shí)測量、分析多類型信號(hào)，還可以在復(fù)雜工況的減速器試驗(yàn)現(xiàn)場發(fā)揮優(yōu)良性能，今后可在條件允許的范圍內(nèi)作進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，如何將該系統(tǒng)與臺(tái)架自動(dòng)化測控系統(tǒng)進(jìn)一步融合將是下一階段應(yīng)用研究的重點(diǎn)。