【word】 轴承变载荷压力实验系统设计【word】 轴承变载荷压力实验系统设计 轴承变载荷压力实验系统设计 轴承变载荷压力实验系统设计孙冬梅,等 轴承变载荷压力实验系统设计 DesignoftheBearingVariableLoadPressureExperimentalSystem 办每格酚擅2葫薇调2 (南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京210009;南京工业 大学机械与动力工程学院,江苏南京210009) 摘要:针对现有轴承实验台的加载力不可按照任意载荷谱调节的缺 陷,提出了PLC与虚拟仪器共同控制的方案.下位机采用PLC...

　　【word】 轴承变载荷压力实验系统设计 轴承变载荷压力实验系统设计 轴承变载荷压力实验系统设计孙冬梅,等 轴承变载荷压力实验系统设计 DesignoftheBearingVariableLoadPressureExperimentalSystem 办每格酚擅2葫薇调2 (南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京210009;南京工业 大学机械与动力工程学院,江苏南京210009) 摘要:针对现有轴承实验台的加载力不可按照任意载荷谱调节的缺 陷,提出了PLC与虚拟仪器共同控制的

　　.下位机采用PLC 进行简单可靠控制,上位机采用虚拟仪器进行复杂的加载控制.详细 阐述了控制方案及与PLC传输协议协调的实现方法.在允许的 载荷输入范围内,该方案通过实验台加载力的可调输入,进行设定载 荷谱试验,使试验时间有效缩短.试验结果表明,该方案灵活,且 成本低,满足了产品测试需求. 关键词:PID控制虚拟仪器PLC信号采集传感器 中图分类号:TH137.9文献标志码:A Abstract:Toovercomethedefectsoftheexistingbearingtestbedthattheloadi ngforcecannotnotbeadjustedinaccordancewitharbitrary loadspectrum-thecontrolschemecombiningPLCandvirtualinstrumentisproposed.SimpleandreliablecontrolisconductedbyPLCinlower level,andbyadoptingvirtualinstrumentinupperlevelforcomplexloadingcontro1.ThecontrolschemeandcoordinatedimplementationofPLC transmissionprotocolaredescribedindetail.Underpermissiveloadrange,thi sschemeisconductingsettingloadspectrumexperimentthrough adjustableinputofthetestbad,thismakesthetesttimeeffectivelydecreased.T heresultofexperimentsshowthatthismethodisflexible,low costandmeetstherequirementsforproductstests. Keywords:PIDcontrolVirtualinstrumentPLCSignalacquisition 0引言 大型工程机械中,由于转盘轴承体积庞大和安装位 置不易折装等原因,致使其维修的难度非常大,而且转 盘轴承一旦发生故障,将影响机械系统的工作性能,甚 至造成停机.国内外许多研究者从磨损累积,裂纹形成 与展成等角度对转盘轴承作了大量研究,然而这些 研究结论大多基于大量经验数据.特殊应用场合是否 适用还有待试验的验证.同时,企业必须在实验台上经 过大量试验,获取产品综合性能的试验数据,在此基础 上结合理论

　　和参数修正,从而建立轴承设计方法. 研发相应的故障检测诊断系统已迫在眉捷,以确保 生产的顺利进行.为此,人们使用了多种有效的方法和 技术来对轴承进行诊断].其中,文献[5]提出的疲 劳轴承实验台,其大部分实验台采用手动螺杆移动加载 活塞来调节加载油压,自动化程度低.文献[6]提出的 基于数采卡的实验台方案,数采卡的安全可靠性较弱, 且由于加载活塞存在渗漏,加载油压会逐渐降低,要求 江苏省教育厅产业化推进基金资助项目(编号:JH09—12). 修改稿收到日期:2011—05—09. 第一作者孙冬梅,女,1975年生,2004年毕业于南京理工大学测试计 量技术及仪器专业,获博士学位,副教授;主要从事测控技术与智能仪器 方面的研究. 人工移动活塞进行保压,不能自动设定载荷谱,试验加 载系统的稳定性差. 本文从控制方案,模拟加载,信号采集等方面介绍 了轴承变载荷实验台的开发.实验台可模拟实际工况 产生可变载荷进行试验.采用PLC与工控机虚拟仪 器共同控制的方案,能够自动控制油压,真正实现了实 验台的载荷连续自动可调可靠控制. 1实验台的硬件机械结构方案 寿命检测实验台系统由机械装置,液压部分,控制 系统以及测试系统4部分组成.实验台控制系统设计 原则是便于负荷的加载,传感器的安装,试验操作以及 能够模拟实际工作环境.试验装置主要包括试件装夹 机构,加载系统,数据采集与测量系统以及基于虚拟仪 器的测控系统4个部分.系统结构框图如图1所示. fI’tI1fII 测控系统 图1系统结构框图 Fig.1Structureofthesystem 70PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVoL32No.8Augus t2011 轴承变载荷压力实验系统设计孙冬梅,等 其中液压控制系统包括液压缸加载回路和液压马 达调速换向回路2部分.根据试验对象和试验项目, 实验台的液压控制系统硬件由实验台,液压加载机构, 驱动机构,PLC和工控机组成.系统实现的功 能有以下几个. ?手动控制:PLC通过机械面板实现,完 成基本液压机构的操控.在系统设计中,轴向力的加 载由2个拉缸同时作用实现,径向力的加载由,个推 缸来实现,一个拉缸和一个推缸实现倾覆力矩的加载. 轴向力,径向力和倾覆力矩加载回路各自独立,可单独 加载进行试验.在机械面板上通过电位器调节比例减 压阀的输人电流大小来调节回路的压力大小以及液压 马达的转速. ?自动加载:自动调节4个油缸的压力,产生符 合实际工况的动态载荷,如半正弦波形,并能自动调节 转速. ?数据采集:通过安装在实验台上不同位置的传 感器,监测回转支承工作状况并做数据保存和处理. 系统控制回路简图如图2所示. 图2系统控制回路示意图 Fig.2Controlloopoftheoiljar 图2中,当YV得电,压力油通过比例减压阀5进 入油缸,使工作台产生轴向向右的正向压力,压力大小 由比例减压阀5和比例溢流阀11调节;当YV得电 时,压力油使工作台产生轴向向左的反向压力,压力大 小同样可调. 2实验台测控系统硬件方案 测控系统实现的基本测控功能包括数据采集与数 据处理,系统故障诊断和事故报警,图形组态控制以及 实时数据与历史数据显示等.目前用于测控功能的大 部分是通过商业组态软件(如Fix,组态王等)来实现, 《自动化仪表》第32卷第8期2011年8月 其在功能上存在一定的缺陷:组态软件能设计友好的 界面,但它按照L/O点数来计费,对于中小型系统而 言,性价比较低.其次,小型组态系统可靠性不高,不 能脱离PC机单独运行. 为了避免由停电等突发事件造成大型液压系统生 产停顿和重大经济损失,本文中系统下位机采用PLC 实现系统监控,上位机采用LabVIEW开发基于虚拟仪 器的实时监控系统. 系统硬件结构如图3所示. 实验台 IIl比例放大板H液压加载机构 —L—上上上上上 压液 力压比比电电电 变系例例磁磁磁 送统溢减溢开换 触流压流关向 器点阀阀阀阀阀 TTTr—一TT AII)1AODO S7.200PLC Prot1bus总线系统硬件结构图 Fig.3Hardwarecomponentofthesystem 系统上电后,液压加载机构中的液压泵开始向液 压机构中油路供液压油,电磁阀的正向油路接通,操作 者观察检测的压力并调整压力,使其调整后达到要求. 试验结束后,关闭正向油路后关闭液压泵,整个工作过 程结束. 3实验台测控软件设计 3.1通信方案 采用LabVIEW的工具包——数据记录与监控模 块,用LabVIEW开发的软件作为上位机测控软件; 采用先进的网络通信技术DataSocket,通过NI的OPC 服务器接口,实现现场数据共享以及测控软件 LabVIEW与现场智能组件之间的数据通信;通过OPC 配置项建立上位机与底层设备数据采集点的一一对应 关系,建立与每一个PLC端口和中间继电器连接的 OPC标签. 3.2下位机控制软件设计 手动控制中,按钮与压力传感器直接与PLC的输 入端口连接.继电器线圈与输出端子相连接.机械控 制面板由按钮与指示灯组成,进行操纵和机械状态的 显示. PLC的软件结构如图4所示. 71 轴承变载荷压力实验系统设计孙冬梅.等 主程序 SM0.11I非第一个lIf机械就绪手动,自动机械就绪i仁关Pc机控制主T泵关首次扫赳扫描周期Jr总是执总是执行控制非急停状态, PLC初始化急停报警机械面板调用子程序 中间继电器置初值指示灯显示控制中间继电器一动作手动控制PC控制 l? 基本执行程序机械面板按钮上位机程序面扳 操作一中间继电器操作一中问继电器 ll 图4PLC的软件结构图 Fig.4SoftwarestructureofPLC PLC上电,初始化系统后,在每一个扫描周期均调 用基本执行程序,完成机械面板的报警,急停,中间继 电器到执行等动作操作.机械面板上手动按钮和PC 控制按钮选择控制方式是指不同的控制方式完成面板 按钮到PLC中间继电器的操作.在系统运行过程中, PLC始终处于运行状态,手动控制和PC机控制始终 共用一段基本执行程序,能够保证手动控制与Pc机 控制动作执行的一致性,PLC的程序代码能达到最大 的重用率. 3.3上位机测控软件设计 软件系统充分发挥了LabVIEW在数据处理与智 能控制方面的优势:一方面,LabVIEW对采样数据点 进行数字滤波,保证测试数据的准确度,满足型式试验 和出厂试验的精度要求;另一方面,LabVIEW对产生 的载荷采用PID控制,实现了压力,转速的自动给定, 提高了测试效率. 3.3.1与下位机的连接 首先在LabVIEW项目中新建库,并创建I/OServert 和共享变量,链接到由前述的NIOPC服务器创建的 OPC标签上.PLC的端口和中间继电器可在LabVIEW 软件中当作变量进行处理和控制.利用LabVIEW提供 的丰富的前面板控件,如:数据连接,按钮,

　　画面,使人机界面更友好. 3.3.2软面板功能实现方法 软件系统分2部分,一部分用于实现常规的控制, 通过计算机编程在屏幕上建立图形化的仪器面板,实 现与机械面板功能完全相同的手动控制,完成上位机 软面板按钮到PLC的中间继电器控制,由下位机的基 本程序部分完成对执行单元的操作,从而使用户可以 通过屏幕操作实现现场实验台系统控制;另一部分用 于实现PC机的自动控制,通过PLC的模拟输入模块, 测量液压缸压力,采用闭环控制方式控制实验台转速 和变载荷加载值,生成可变载荷谱信号,通过PLC模 拟输出模块加载至比例阀输入端. 选择执行程序 r—Ps lde=e—e一1(1) ldde=e一e一2 L?=K p xde+Ki×+xdde 4加载试验 系统通过软件生成

　　的正弦波,幅值为?5V. 由于液压系统动态响应速度慢,因此可生成0.1Hz的 低频率正弦波形压力信号源.经过PID的控制模块, 模块的参数经过优化配置为Kp=1.5,K=0.001,= 72PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVo1.32No.8Augus t201l 轴承变载荷压力实验系统设计孙冬梅,等 0.002.每ls送出一个压力值至PLC的AO端口,经 比例放大板送至比例溢流阀,通过调节阀的输出流量, 控制实验台按给定的速率加减荷,实现系统的闭环控 制.系统每10s完成一个周期的变载荷.由压力变 送器输出的压力值经PLC的AI端口读入系统,产生 的载荷符合系统要求.同时,设置参数值,得到系统的 阶跃响应压力波形.实验曲线所示. , H一 _ (a)正弦波加载波形图(b)阶跃畸应波形图 图5实验曲线Experimentalcui”ves 从图5可以看出,当K.增大时,系统的响应灵敏 度增大,动态跟踪误差减小,这在有静差的情况下有利 于减少静差.但过大的比例系数会使系统有较大的超 调和振荡,破坏稳定性.增大积分系数K有利于减少 超调和振荡,使系统更加稳定,但过大的积分系数会使 系统变得不稳定.增大微分系数有利于加快系统 的响应,使超调量减少. 5结束语 本文设计的轴承变载荷压力实验系统采用LabVIEW 的图形化编程环境,可实现动态变载荷加载.经实际 运行证明,它是使用灵活,画面质量和表现形式丰富多 样的测控系统,与PLC组成的下位控制系统实现了实 验台的双动控制,可靠性高.采用DSC模块所提供的 诸如图库,VIs以及实时数据库等功能可以使系统功 能得到加强.利用PID模块进行压力控制,精度高,实 时性强. 目前,此实验台系统已成功运用于某轴承生产企 业进行型式试验和出厂检验,满足了现场轴承测试的 各种需要. 参考文献 [1]王兴东,刘源,严爱军.大型回转支承寿命预测方法的研究[J]. 湖北工业大学:工学版,2006,21(3):33—36. [2]HarrisTA,KotzalasMN.Rollingbearinganalysis[M].Taylor& FrancisGroup,2006. [3]KuncR,ZerovnikA,PrebilI.Verificationofnumericaldetermina—ernalJournalofFatigue,2007(29):1913—1916, 1919. [4]姚德臣,杨建伟,殷玉枫,等.基于多方法融合的铁路轴承故障 诊断[J].机械设计与研究,2010,26(3):70—73. [5]褚连娣.轴承变荷压力试验机液压加载系统设计[J].机床与液 压,2010,38(12):81—83. [6]刘畅,杨淑敏,陈永会.径向柱塞泵液压试验台虚拟仪器测试系 统的研制[J].机床与液压,2010,38(8):75—77. [7]张洁浩,李平康.基于OPC技术的控制系统PID参数优化[J]. 自动化仪表,2009,30(11):54—56. (上接第69页) 4结束语 本文研制了一个测量真空电流的罗氏线圈,对罗 氏线圈的骨架材料,绕线材料进行了选择,对线圈的结 构参数进行了设计,同时对其等值电路和提高其测量 精度的方法进行了分析.罗氏线圈具有低电感,无二 次开路危险;可测量不规则导体;没有铁芯饱和问题, 线性度高等优点. 以设计的罗科夫斯基线圈为核心,建立了真空电 弧伏安特性测量系统,获得了真空电弧的正伏安特性; 同时很好地验证了罗科夫斯基线圈在测量冲击电流方 面是一种很好的选择. 参考文献 [1]王季梅.真空开关理论及其应用[M].西安:西安交通大学出版 社,1986. [23TH,GreenwoodA,CrouchDW.eta1.Developmenbtofpowervac— HWIIinterrupters[J].PowerApparatusandSy8terns,1962,81(3): 《自动化仪表》第32卷第8期2011年8月 629—636. [3]王章启,何俊佳,邹积岩,等.电力开关技术[M].武汉:华中科 技大学出版社,2003. [4]武建文,王毅.用于预测真空电弧形态的高速图像微机采集系 统的研究[J].高压电器,1995,31(3):3—8. [5]王钰,张适昌,严萍,等.用自积分式罗氏线圈测量纳秒级高压 脉冲电流[J].强激光与粒子束,2004,16(3):399—400,401— 403. [6]李维波,毛承雄,陆继明,等.Rogowski线圈的结构,电磁参数对 其性能影响的研究[J].高电压技术,2004,40(2):94—97. [7]邹积岩,段雄英,张铁.罗柯夫斯基线圈测量电流的仿真计算及 试验研究[J].电工技术,2001,16(1):81—84. [8]李芙英,陈翔,葛荣尚.基于Rogowski线圈和压频变换的电流测 量方法[J].清华大学:自然科学版,2000,40(3):11—13. [9]韩持宗,刘庆想,藏杰锋,等.采用罗戈夫斯基线圈诊断径向束 流[J].强激光与粒子束,2008(6):985—988. [10]范林涛,陈海清.直流大电流现场测量的研究[J].华中理科大 学:自然科学版,2000,28(1O):67—69. [11]何津云,朱长春.罗柯夫斯基线圈频率响应特性的测量方法『J]. 强激光与粒子束,1992,4(2):233—238. 73

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