一種新型風(fēng)電傳動(dòng)軸扭矩測試設(shè)備開發(fā)研究

張 勇，張賢明

（重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067）

0 引言

合作企業(yè)研發(fā)出一種新型風(fēng)電傳動(dòng)軸，用于連接風(fēng)力機(jī)組和發(fā)電機(jī)組，傳遞風(fēng)力機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩到發(fā)電機(jī)組。該軸分為左右半軸兩部分，依靠內(nèi)置摩擦片連接，傳遞動(dòng)力及過載保護(hù)，其傳動(dòng)扭轉(zhuǎn)性能直接影響所傳遞動(dòng)力的大小、工作壽命及過載保護(hù)性能等[1,2]，因此，需檢測該傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)性能，測試、驗(yàn)證所研發(fā)軸的性能是否滿足要求。本試驗(yàn)臺(tái)擬定傳動(dòng)軸的滑動(dòng)扭矩（滑扭）、靜態(tài)扭矩（靜扭）及滑動(dòng)扭矩（滑扭）耐久性能參數(shù)作為檢測指標(biāo)，為研發(fā)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。由于所測指標(biāo)參數(shù)不僅要實(shí)時(shí)采集顯示，還需計(jì)算、存儲(chǔ)和再現(xiàn)，結(jié)合開發(fā)成本，不宜選擇Labview控制系統(tǒng)[3,4]或PLC控制系統(tǒng)[5]，而選擇基于工控機(jī)（采用板卡和VB軟件）的控制系統(tǒng)[6]，并采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)提供可靠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸。該方案不僅簡化試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)技術(shù)的復(fù)雜性，還提升了測試的自動(dòng)化程度，較好的滿足了性能測試的要求。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)總體方案示意圖

1 試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示為試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案，風(fēng)力傳動(dòng)軸左右兩部分依靠內(nèi)置摩擦片摩擦傳遞動(dòng)力，其扭轉(zhuǎn)性能測試方案設(shè)計(jì)、配置如下：

機(jī)械部分，平臺(tái)采用槽鋼框架結(jié)構(gòu)，安裝各子系統(tǒng)。并在底座平臺(tái)上安裝各零部件，包括安裝支撐座及輸出軸、力臂、待測傳動(dòng)軸、液壓馬達(dá)等。主要涉及調(diào)整馬達(dá)輸出軸與支撐座旋轉(zhuǎn)軸間的同軸度。

驅(qū)動(dòng)部分，主要采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸右半部軸旋轉(zhuǎn)，由摩擦片帶動(dòng)左半部軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過調(diào)整液壓系統(tǒng)的輸出油壓、流量和輸出時(shí)間，可以分別滿足滑扭和靜扭的測試要求。

控制部分，主要采用工控機(jī)作為上位機(jī)，配置采集控制卡，通過數(shù)據(jù)線與電控箱連接，采集信號(hào)和輸出指令；而測試過程的控制由VB軟件實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用采集卡動(dòng)態(tài)鏈接庫驅(qū)動(dòng)函數(shù)操作板卡，進(jìn)行信號(hào)采集和輸出控制。

傳感器采集，主要利用光電編碼器采集傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，采用拉壓傳感器采集傳動(dòng)軸傳遞的動(dòng)力，計(jì)算得到扭矩大小。

輸出控制，主要控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，控制輸出壓力、流量、方向及時(shí)間等。

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)性能主要指標(biāo)為滑扭與靜扭，滑扭的測試條件要模擬風(fēng)力機(jī)組提供的瞬時(shí)沖擊力，如啟動(dòng)、風(fēng)力躍變等情況提供的動(dòng)力狀況，靜扭的測試需要逐步緩慢加載。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要采用能提供瞬時(shí)沖擊動(dòng)力，還能實(shí)現(xiàn)逐步加載動(dòng)力，且有緩沖保護(hù)作用的動(dòng)力系統(tǒng)。以滑扭測試為主作為設(shè)計(jì)條件考慮，機(jī)械系統(tǒng)屬于剛性動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，如需提供瞬時(shí)沖擊動(dòng)力，需加蓄能器，且緩沖保護(hù)性能較差，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。綜合考慮，采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)模擬風(fēng)力機(jī)組提供瞬時(shí)沖擊動(dòng)力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，有以下特點(diǎn)：

圖2 液壓動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

1）采用蓄能器4儲(chǔ)能，與Y型三位四通電磁換向閥7的中位機(jī)能配合，測試時(shí)，需首先對系統(tǒng)加壓，達(dá)到設(shè)定壓力后，再將換向閥左位或右位接通，突然釋放高壓油，推動(dòng)液壓馬達(dá)瞬時(shí)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出瞬時(shí)沖擊動(dòng)力，此時(shí)才可測試滑扭特性。

2）靜扭測試時(shí)，直接將換向閥左位或右位接通，同時(shí)蓄能器也在逐步吸收一部分壓力油，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出到馬達(dá)的油液壓力和流量逐步緩慢增加，馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速和扭矩也逐步增加，此時(shí)滿足靜扭的測試條件，可以測試靜扭特性。

3）采用齒條-齒輪式馬達(dá)，齒輪及輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍在正負(fù)180度，滿足傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角范圍，可以順時(shí)針、逆時(shí)針擺動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)輸出動(dòng)力也較大，還可在測試時(shí)過載保護(hù)。

傳動(dòng)軸滑扭最大設(shè)計(jì)值約為30000N ·m，以此作為計(jì)算、選型依據(jù)，選擇的電機(jī)額定功率為7.5kw，采用柱塞變量泵（額定壓力為25MPa），其他計(jì)算、選型此處不再敘述。

3 基于工控機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)采用工控機(jī)作為上位控制機(jī)，在PCI、ISA插槽中插入采集控制卡，對測試過程進(jìn)行控制并采集信號(hào)，而對采集卡的操控采用VB程序調(diào)用其動(dòng)態(tài)庫實(shí)現(xiàn)。下面介紹電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制原理圖如圖3所示，包括上部的強(qiáng)電電路部分和下部的弱電電路部分。

強(qiáng)電電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電、停止、急停、過載保護(hù)等電源供給部分控制功能，同時(shí)對以下負(fù)載供電，如對液壓動(dòng)力系統(tǒng)油泵電機(jī)三相供電，其他的單相供電，如報(bào)警燈、交流接觸器KM2、繼電器KA1/KA2以及正5V/正負(fù)12V、24V直流電源等弱電電路部分，主要采用北京雙諾公司的AC1080采集卡，有兩個(gè)16位模擬量采集端口采集壓力傳感器的模擬電壓信號(hào)，并通過開關(guān)量控制固態(tài)繼電器，從而控制前述負(fù)載的啟動(dòng)、停止。其模擬量采集配套接線卡為AC157，采用電纜連接，而開關(guān)量的控制配套卡為AC140，其上有8個(gè)固態(tài)繼電器，接收主卡的控制信號(hào)并執(zhí)行輸出，采用扁平線連接。另外，還采用AC6644脈沖采集卡采集光電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖數(shù)量，以便換算成傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

3.2 控制軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

控制軟件程序主要利用前述板卡的VB動(dòng)態(tài)庫驅(qū)動(dòng)程序，對板卡I/O端口進(jìn)行操控，從而根據(jù)測試流程建立測試過程，并在測試過程中適合狀態(tài)下采集特性參數(shù)，進(jìn)行曲線繪制、展示，最后保存、查詢、打印及分析等。

1）軟件功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊主要包括性能測試模塊（滑扭特性、靜扭特性測試），參數(shù)設(shè)置（測試條件參數(shù)設(shè)置，如滑扭特性的保護(hù)扭矩、終止角度、保護(hù)時(shí)間、坐標(biāo)設(shè)置、采集角度和時(shí)間間隔、正反轉(zhuǎn)設(shè)置、濾波扭矩?cái)?shù)量設(shè)置，以及耐久設(shè)定次數(shù)、采集間隔等，靜扭參數(shù)設(shè)置也類似）、手動(dòng)設(shè)置（用來手動(dòng)調(diào)試各采集、控制通道的性能是否正常）、數(shù)據(jù)庫查詢、存貯及打印模塊。

圖3 電氣控制原理圖

制定測試流程時(shí)，需考慮以下兩點(diǎn)：

（1）提供不同的測試條件，滑扭測試時(shí)需先啟動(dòng)液壓泵對回路蓄能器增壓蓄能，滿足壓力條件時(shí)，突然接通驅(qū)動(dòng)油路，沖擊馬達(dá)加速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)開始采集數(shù)據(jù)、繪制曲線；而靜扭測試時(shí)，則需先手動(dòng)操作，對系統(tǒng)卸荷至較小壓力，換算成扭矩不超過200N ·m時(shí)，可接通馬達(dá)油路，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)逐步緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)同步采集數(shù)據(jù)、繪制曲線。

（2）測試過程退出條件，需考慮保護(hù)扭矩、終止角度、保護(hù)時(shí)間等退出條件，保證測試過程的穩(wěn)定、可靠，并對測試系統(tǒng)及試件進(jìn)行保護(hù)。

圖4 滑扭-角度特性測試界面

如圖4、圖5所示，為開發(fā)的扭轉(zhuǎn)特性測試系統(tǒng)及界面，可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集、繪制、展示傳動(dòng)軸滑扭、靜扭與轉(zhuǎn)動(dòng)角度、時(shí)間的特性曲線及其特性參數(shù)，便于研發(fā)企業(yè)分析、改進(jìn)等。其中，圖4顯示滑扭-角度特性曲線，圖5顯示滑扭-時(shí)間特性曲線。

下面介紹滑扭耐久測試模塊和參數(shù)設(shè)置模塊的主要特點(diǎn)。

2）耐久試驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

圖5 滑扭-時(shí)間特性測試界面

本試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的滑扭耐久試驗(yàn)屬于附加試驗(yàn)，傳動(dòng)軸研發(fā)企業(yè)嘗試對傳動(dòng)軸多次打滑后引起的傳動(dòng)性能退化的情況進(jìn)行測試。經(jīng)研究分析，按要求開發(fā)了耐久測試模塊，在滑扭特性模塊中可以選擇測試。如圖6所示為滑扭耐久試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果（如最大滑扭、靜扭剛度等）查詢、顯示、打印等，其他測試結(jié)果也可通過該模塊查詢、打印。經(jīng)試驗(yàn)，該類傳動(dòng)軸經(jīng)過約5-10次的正反轉(zhuǎn)打滑后，滑動(dòng)扭矩驟然下降，且摩擦片發(fā)熱、變形，不能繼續(xù)測試，待恢復(fù)一段時(shí)間后才能繼續(xù)工作、測試。試驗(yàn)表明，該類傳動(dòng)軸不適宜短時(shí)間內(nèi)多次打滑（多次重載沖擊），為研發(fā)企業(yè)提供了可靠的性能參數(shù)，便于改善和提出使用規(guī)范等。

3）參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)計(jì)

針對試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、保存、更新及調(diào)用等，采用VB數(shù)據(jù)控件與數(shù)據(jù)庫表綁定設(shè)置、保存、更新；并對參數(shù)設(shè)置表數(shù)據(jù)參數(shù)初始化，測試程序啟動(dòng)后直接生成類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的記錄體，便于在測試過程中進(jìn)行調(diào)用并顯示；另外，如測試程序中止退出時(shí)，需及時(shí)更新記錄體中的完成次數(shù)參數(shù)等，以便下次調(diào)用。

圖6 滑扭耐久試驗(yàn)結(jié)果查詢-打印界面

3.3 實(shí)施效果

扭矩測試設(shè)備外觀如圖7所示，采用槽鋼框架結(jié)構(gòu)，模塊化安裝各子系統(tǒng)，包括機(jī)械部件（底座平臺(tái)及其上安裝的各部件）、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、軟硬件控制系統(tǒng)等。整套系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，且便于運(yùn)輸。該試驗(yàn)臺(tái)已交付傳動(dòng)軸研發(fā)企業(yè)使用，取得了較好的試驗(yàn)效果，獲得了可靠的研發(fā)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

圖7 傳動(dòng)軸扭矩測試設(shè)備外觀圖

本試驗(yàn)臺(tái)主要用于檢測一種新型風(fēng)電傳動(dòng)軸的扭矩傳動(dòng)性能，包括滑扭（一次或耐久）特性和靜扭特性。圍繞測試要求，對試驗(yàn)臺(tái)的總體方案、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、基于工控機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試流程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討，實(shí)現(xiàn)了不同特性測試條件的準(zhǔn)備，測試過程的建立，特性參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、曲線繪制、展示，測試結(jié)果的計(jì)算、存儲(chǔ)及動(dòng)態(tài)再現(xiàn)、打印等。研發(fā)的測試設(shè)備已投入運(yùn)行，取得了較好的檢測效果，為新型風(fēng)電傳動(dòng)軸的研發(fā)提供了可靠的性能指標(biāo)。同時(shí)，也為其他相關(guān)產(chǎn)品的檢測設(shè)備開發(fā)提供了可行的技術(shù)思路，能有效減少開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間，提升測試自動(dòng)化水平和可靠性。

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