輪盤低循環(huán)疲勞試驗器自動控制系統(tǒng)的開發(fā)

黎曉宇，宣海軍，凡非龍，李國強

（浙江大學工學部高速旋轉機械實驗室，杭州310027）

輪盤低循環(huán)疲勞試驗器自動控制系統(tǒng)的開發(fā)

黎曉宇，宣海軍，凡非龍，李國強

（浙江大學工學部高速旋轉機械實驗室，杭州310027）

利用高速旋轉試驗設備進行輪盤低循環(huán)疲勞試驗是開展輪盤疲勞壽命及損傷容限性能研究的有效手段。為確保此類試驗器能夠長時間穩(wěn)定運行，開發(fā)了1套可靠的、無人值守的自動控制系統(tǒng)，以觸摸屏為人機接口（H M I）完成試驗參數的設置，以可編程邏輯控制器（PLC）為主站控制設備啟停及轉速循環(huán)，監(jiān)測系統(tǒng)采用工控機（IPC）完成數據顯示和保存，并采用第3方控件實現IPC和PLC的串口通信。測試結果表明：該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性好，完全滿足設計要求。

高速旋轉試驗器；輪盤；低循環(huán)疲勞試驗；自動控制系統(tǒng)；人機接口；可編程邏輯控制器

0 引言

低循環(huán)疲勞是影響和限制輪盤使用壽命的最重要因素[1]。國外輪盤低循環(huán)疲勞壽命設計分析方法是建立在大量材料和輪盤低循環(huán)疲勞試驗基礎上的，有豐富的試驗數據支持，設計準確度較高[2]。早在20年前，美國PW公司開發(fā)的輪盤低循環(huán)疲勞壽命設計系統(tǒng)具有15000個材料試驗數據和1500個輪盤低循環(huán)疲勞試驗數據支持，設計系統(tǒng)得到美國聯邦航空局認可[3]。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，必須理論結合試驗才能進行較準確地定量分析[4]。用于輪盤低循環(huán)疲勞的試驗器已在多國研發(fā)。德國Shenck、美國TDI等公司有成熟產品，但引進國外設備價格昂貴且維修周期長。目前，國內僅有不超過10臺均從國外引進的在役試驗器并分散在多家科研機構，自行研發(fā)的只有1臺SB804型轉子高溫低循環(huán)疲勞試驗器[5]，遠遠不能滿足中國航空發(fā)動機輪盤低循環(huán)疲勞壽命分析方法和損傷容限性能研究的試驗需求。

浙江大學高速旋轉機械實驗室立足自主創(chuàng)新，研發(fā)ZUSTD系列下立式輪盤高溫低循環(huán)疲勞試驗器，尋求突破該領域內的試驗技術瓶頸。完成每件輪盤的低循環(huán)疲勞試驗需要試驗機在無人值守的情況下經歷幾天甚至幾十天連續(xù)運行，且對轉速等試驗參數的控制要求極為嚴格。

本文介紹了為該疲勞試驗器開發(fā)的1套性能可靠的自動控制系統(tǒng)。

1 試驗器

ZUST6D型試驗器（如圖1所示）采用45 kW直流電機驅動，第1、2級增速分別由高速皮帶和齒輪完成。電機最高轉速為3000 r/min，總增速比為20，主軸最高轉速為60000 r/min，允許試驗件最大直徑為500 mm，最大質量為50 kg。

圖1 輪盤低循環(huán)疲勞試驗器結構

為模擬航空發(fā)動機輪盤工況下的溫度載荷，采用陶瓷纖維加熱箱實現均溫試驗環(huán)境。與感應加熱和徑向及軸向分布式加熱方式不同，該方法的優(yōu)點是結構簡單、容易實現。其工作原理為電阻絲輻射加熱，配備高精度控溫柜，最高控溫可達800℃。為避免高溫環(huán)境影響其他結構運行，在爐體和試驗器腔蓋之間設有循環(huán)水冷卻板。采用振動監(jiān)測分析試驗器運行的狀態(tài)。振動監(jiān)測能預測輪盤裂紋的萌生與擴展[6-7]，通過監(jiān)測振動的異常突變，可以及時發(fā)現輪盤長裂紋的產生并停車，從而避免給設備造成不必要的損失。美國TDI已將此技術應用到噴氣式發(fā)動機轉子裂紋擴展監(jiān)測中[8]。

2 控制系統(tǒng)要求及方案

圖2 轉速加載方案

低循環(huán)疲勞試驗的轉速加載方案如圖2所示。其中，n1、n2為上、下限轉速；t1～t4分別為試驗升速、上限保載、降速和下限保載時間。按輪盤低循環(huán)疲勞試驗要求，下限轉速一般為上限轉速的5%～10%[9]。各參數根據不同試驗要求設定，控制系統(tǒng)根據此加載方案完成疲勞試驗，達到設定循環(huán)次數后自動停機并進行數據分析，形成試驗報告。控制系統(tǒng)不僅要求能夠實現各被控設備的開停，還需在試驗器運行過程中對轉速、振動、真空度、試驗件溫度、油壓、油溫等關鍵參數實現精確控制和實時監(jiān)測。在試驗件出現異常情況或試驗設備發(fā)生故障時，根據實測參數判定試驗件爆裂、真空度不足、油壓過低、振動超限等故障類型，實現安全停車，避免事故發(fā)生，并在監(jiān)控軟件界面上顯示故障編號，提示解決方案。

3 控制系統(tǒng)總體結構設計

3.1 硬件結構設計

為確保試驗機能夠長時間連續(xù)運行，系統(tǒng)采用觸摸屏為上位機、PLC為下位機的結構。與以往采用IPC為上位機相比，避免了因Windows多任務操作系統(tǒng)及軟件崩潰而引起的試驗中斷?？刂葡到y(tǒng)主要由觸摸屏、可編程邏輯控制器、工控機、直流電機調速器、傳感器組和其他執(zhí)行器組成。觸摸屏為人機接口，完成整個試驗過程顯示及監(jiān)控；PLC為核心控制單元，采集傳感器信號數據，控制各執(zhí)行器運作，并利用串口通信模塊通過多點接口協議和觸摸屏完成通訊；IPC為數據記錄和顯示單元，通過上位機開發(fā)的監(jiān)測軟件完成數據的分析、顯示和保存，系統(tǒng)總體結構如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體結構

3.2 轉速控制方案

直流電機在低于額定轉速時恒扭矩輸出，具有優(yōu)良的啟動和調速性能，故選為試驗器動力源，并通過增速系統(tǒng)將輪盤加載到設定轉速。轉速控制采用負反饋的閉環(huán)控制方式，PLC將試驗設定轉速與轉速傳感器采集的實時轉速信號進行比較，通過內部控制算法輸出控制電壓信號到直流調速器控制電機轉速，形成1個負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4所示。

輪盤轉速采用分段控制[10]：第1階段比例升速，快速將輪盤加速到目標轉速區(qū)域；第2階段為改進

圖4 轉速控制反饋系統(tǒng)

PID控制，確保輪盤平穩(wěn)升速至目標轉速而不超調；第3階段采用帶死區(qū)的PID控制算法，在死區(qū)范圍內認為輪盤已達到目標轉速，增加系統(tǒng)的抗干擾性能。第2階段至關重要，控制不穩(wěn)將導致試驗機的轉速超調嚴重，試驗器運行不平穩(wěn)，甚至出現轉速上下竄動的現象，從而造成試驗機故障率升高。本文采用改進的PID控制方法，能夠實現轉速的平穩(wěn)控制，其算法為

式中：Δuk為控制增量；Kp為比例系數；Kd為回調系數；ek、ek-1分別為當前偏差和前1次偏差；ΔVa、ΔV分別為加速度允許的最大值和實際值。Kp、Kd、ΔVa等參數根據試驗輪盤的轉動慣量大小計算獲得。

3.3 軟件設計

軟件控制流程如圖5所示。從圖中可見，系統(tǒng)上電以后，PLC完成系統(tǒng)初始化；通過觸摸屏設定好本次試驗任務參數并傳送給PLC；任務設定成功后，觸摸屏進入試驗監(jiān)控界面；點擊開始按鈕后進行輪盤低疲勞試驗；電機啟動前，首先開啟油泵、真空泵等輔機設備，當滿足允許啟動條件后，開啟直流電機，并調用轉速控制子程序執(zhí)行設定的轉速加載方案。在試驗過程中，程序在每次轉速加載循環(huán)結束時累加計數，判斷是否達到目標總循環(huán)次數，如達到則自動停機，否則重新進入下次循環(huán)；同時軟件具有異常判斷及處理模塊，試驗運行后該模塊即開始工作，每隔固定時間間隔對試驗狀態(tài)進行診斷，如果出現異常情況則根據相關數據分析故障類型，包括振動超限、真空不足、油站工作異常、轉速控制異常、安全保護裝置異常等。故障發(fā)生后，控制系統(tǒng)自動停機以保護試驗器。

圖5 軟件控制流程

監(jiān)測軟件利用Delphi開發(fā)，通過串口通信接收試驗數據，并完成數據的分析、顯示和保存。當轉速大于最小啟動轉速時，開始試驗數據的顯示和保存；當轉速小于最小啟動轉速時試驗結束，自動生成試驗報告。利用BDE（Borland Database Engine）數據庫引擎對數據庫進行存儲和管理，采用第3方報表控件將數據分析結果插入試驗報告模板中，生成試驗報告。監(jiān)測軟件結構如圖6所示。

圖6 監(jiān)測軟件結構

4 測試結果

控制系統(tǒng)在ZUST6D型試驗器上完成測試。試驗件是質量為8 kg、外徑為200 mm的模擬輪盤。設定的試驗參數見表1，總循環(huán)次數為1萬。試驗器累計運行近300 h，穩(wěn)定可靠。上限轉速的控制精度為±0.1%，遠低于1%的轉速保護值，性能大大優(yōu)于國內早期研發(fā)的低循環(huán)疲勞試驗器，可與國外同類產品媲美。監(jiān)控軟件對實測的5次加載循環(huán)的轉速與振動時間曲線如圖7所示。

表1 轉速加載循環(huán)試驗參數

圖7 試驗過程轉速與振動時間監(jiān)測曲線

在試驗過程中，對試驗器主軸在每次循環(huán)過程中的最大振動值進行連續(xù)監(jiān)測，考察其隨循環(huán)次數增加的變化量，用于預測試驗輪盤上裂紋的萌生與擴展。單次循環(huán)主軸最大振動與循環(huán)次數的關系曲線如圖8所示。其波動范圍為（15±2）um，最大振動出現在轉速為34000 r/min附近。實驗室環(huán)境溫度與潤滑油站油溫的監(jiān)測曲線如圖9所示。環(huán)境溫度在15～25℃變化時，油站油溫在35～42℃間波動。

圖8 主軸最大振動與循環(huán)次數曲線

圖9 環(huán)境溫度與油溫監(jiān)測曲線

5 結束語

（1）本文采用PLC與觸摸屏控制試驗過程，IPC監(jiān)測試驗數據的控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了故障率；同時，控制系統(tǒng)具有自動進行故障判斷和停機保護的功能，極大地提高了試驗的安全性，保證試驗器能夠在無人值守的情況下長時間穩(wěn)定、可靠運行。

（2）監(jiān)測試驗數據表明，本文采用的轉速分段控方法具有控制精度高、重復性好的特點。上限轉速的控制精度達到±0.1%，滿足設計要求。

（3）ZUST6D型試驗器順利完成模擬輪盤的1萬次低循環(huán)疲勞驗證試驗，主軸振動保持在較低水平，油站油溫隨環(huán)境溫度穩(wěn)定波動，表明該試驗器軸系穩(wěn)定性高，控制系統(tǒng)抗干擾性能好。

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Development of Automatic Control System for Disk Low Cycle Fatigue Test Rig

LI Xiao-yu,XUAN Hai-jun,Fan Fei-long,LI Guo-qiang
（High-speed Rotating Machinery Laboratory，Engineering Faculty,Zhejiang University，Hangzhou 310027,China）

The disk Low Cycle Fatigue(LCF)test was conducted using high-speed spin facility that was a very effective equipment for the disk LCF life and damage tolerance.In order to ensure that such a rig was stable operation for a long time,the stable and unattended automatic control system was developed.Touch screen was used for Human Machine Interface(HMI)to complete the set of testing parameters,and Programmable Logic Controller(PLC)was used as the master station to control start-stop and speed loop,the monitoring system used IPC was responsible for data display and storage.Third-party component was utilized to realize serial communication of IPC and PLC.Testing results show that stability and reliability of the control system are well,and fully meet the design requirements.

high-speed spin equipment;disk;LCF test;automatic control system；Human Machine Interface；PLC

黎曉宇（1987），男，碩士，研究方向為高速旋轉機械疲勞試驗。

211重點學科建設項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務專項資金、浙江大學自主科研計劃（2011QNA4020）資助

2012-12-17