减速器试验中某动态信号测试分析系统的应用

文/姚智 胡斌 黄安 周巍巍

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

1 引言

减速器是直升机传动系统的核心组成部件，作为三大关键动部件之一，其在研制、验证、检验过程中涉及到的新构型、新材料、新工艺的运用，大多都需要得到传动台架试验（核心试验科目）以及其它相应试验科目的验证。应用研究一种能够实时采集、准确快速分析各类传动试验科目所需数据的动态信号测试分析系统显得尤为必要。

本文即依据传动系统试验的关注要点，展示了一种能够适应多种试验工况，且具备应变、振动、温度、压力、扭矩、电流等类型信号采集分析能力的动态信号测试分析系统。通过评估试验数据，判断其实用性。

2 技术背景

2.1 传动系统

直升机传动系统由两大主要部分组成，即：减速器和传动轴。如图1所示，与常规机型的构型（一般只配有主减速器、尾减速器）不同，吨位较大机型还配有中减速器。另一方面，传动轴主要指的是对应减速器所配属的动力轴及尾传动轴。

减速器结构复杂，改良提升空间大，是传动系统研究中所关注的重点。其中，主减速器结构最为复杂多变，一般为1～4级传动结构，所需监测的试验参数也最多。以某2级传动结构主减速器为例，其传动齿轮结构大致如图2所示。与之相比，中、尾减速器较为简单，仅为1级螺旋锥齿轮传动结构，多采用飞溅润滑，热量经由机匣散出，可起到减速和换向的作用。

而传动轴结构相较简单，多由金属或复合材料薄壁管组成，主要用于连接各部件并传递功率。

总体而言，传动系统将直升机的旋翼、发动机以及机身平台紧密的联系在一起，有序的分配和传递动部件载荷，从而实现了直升机最基本的功能。因此，传动系统（尤指主减速器）性能的优劣对直升机整体性能的影响重大。

2.2 通用型传动台

通用型传动试验台，是一种能够开展不同类型减速器功能、性能试验的试验装置。其不仅能准确模拟减速器装机状态下的功率、转速、外部载荷（含桨毂中心载荷），而且能依照循环试车表精确控制试验状态。除主要的台架试验科目外，该型传动试验台还可完成齿轮印痕调整、超功率、疲劳、温度场、润滑系统、耐久性、干运转等试验科目，是直升机减速器研制、验证、检验过程中最为重要，也是最为复杂的试验装置。借助该通用型传动试验台的强大功能，能较大幅度地提高减速器试验的试验效率，同时还能显著地提升小吨位级直升机传动系统的综合试验能力。

它的主要组成是：

（1）电机驱动系统，含驱动电机、整流单元、逆变单元等；

（2）加载系统，含输出轴加载、轴向加载、主减加载、尾减加载系统等；

（3）自动化测控系统，含控制单元、PLC、数据采集卡、传感器等；

（4）辅助系统，含塔架、底板、液压缸、风机等。

图1：传动系统简图

图2：减速器传动齿轮结构示意图

其中，本文所关注的传动试验台台体测控系统，是一套集数据采集（不含试验件参数数据采集）和功率、载荷、转速等控制功能于一体的自动化测控系统，其电气组成参照图3。

该传动试验台通用性较强，只需对部分结构进行改造就能装配、运转不同构型的试验件。以某双发驱动结构主减速器分扭均载试验为例，其台架整体（不含试验件）的测控线路组成如图4所示。由于各试验科目的试验目的和关注点各不相同，因此，除试验台运转所必须关注的试验台台体参数外，其余参数（主要指试验件参数）数据均由另一套通用型测试系统灵活采集补充。至此，鉴于各试验件、试验科目的测试参数类型多样且数量繁多，应用研究一套多功能、多通道的动态信号测试分析系统（DH5923N）就显得十分必要。

2.3 小结

综上，传动系统试验是直升机研制过程中非常重要的一个环节，其实质是减速器试验。此外，传动试验台的测试系统由两个互为补充的子系统组成，即：

（1）自动化测控系统中的数据采集子系统；

（2）DH5923N动态信号测试分析系统。

其中，后者是传动试验台测试分析的主要组成系统，也是本文的应用研究对象。

3 DH5923N测试分析系统

3.1 系统概述

如图5所示，系统主要由3台34通道的DH5923N数据采集器组成，其中：①、②号采集器均由2通道转速信号数据采集模块和32通道模拟信号数据采集模块构成；③号采集器则由2通道信号源模块和32通道模拟信号数据采集模块构成。此外，该系统还配备了上位机、HUB、同步时钟盒（内置于采集器机箱）、适调器、传感器、各类电源线及数据线等。

系统运行时，用户通过上位机的动态信号测试分析软件对DH5923N数据采集器的各个测试通道进行参数设置及统一数据采集。指令发出后，进入同步时钟，先收到的同步时钟会向其它两台数据采集器的同步时钟传递指令，以确保采集同步进行，其同步时间达到10ns量级，同时，各采集器通过HUB连接，所采集的数据经由以太网统一传输至上位机内，从而确保了测试数据的同步性和完整性。

因为该系统的功能非常强大，仅一套系统，就可完成应力应变、振动（加速度、速度、位移）、冲击、温度（各类热电偶、铂电阻）、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等物理信号的实时采集和事后分析，同时，数据采集软件监控界面还可自由组合配置以同时监测多类型信号。所以，DH5923N动态信号测试分析系统是一套通用型的测试分析系统，可适应传动试验台各类试验的数据采集需求。

3.2 系统特性

（1）高度集成：硬件模块化设计，单模块配备32个模拟信号通道；

（2）高度实时：实时采集、实时储存、实时显示、实时分析等；

（3）多通道并行、连续、同步高速采样，同步时间达10ns量级，单通道采样率可达51.2kHz；

（4）先进的DDS数字频率合成技术，同时，采用DMA传送方式实时传输数据，确保数据传输的高速、稳定、无漏码；

（5）配套各类程控的信号适调器，自动识别通道；

（6）具备长时间高速采集记录（海量存贮）及分析各类信号的功能；

（7）单通道16bit独立A/D，可消除通道间串扰的影响，提高系统的抗干扰能力；

（8）连接脉冲/频率输出型传感器或计数器，可作转速、脉冲计数或频率测量；

（9）信号源各通道输出互不相关，可输出多种信号，包括：正弦、半正弦、正弦扫频、随机、伪随机、猝发随机、方波等，并可与多种试验仪器搭配使用。

4 系统应用

4.1 测试系统组成

试验台测试部分由两个互为补充的子系统组成，即：

（1）自动化测控系统的数据采集子系统；

（2）DH5923N动态信号测试分析系统。

前者直接采集各类减速器试验均需关注的试验台台体参数（含增速箱、加载机构等相关测试参数，如驱动或加载转速、扭矩等），此部分测试需求相对固定，其余测试参数（主要指试验件参数，尤指主减速器参数）均根据各个试验的具体要求由后者灵活采集。系统运行时，PLC将测控系统HBM采集到的扭矩、转速、压力等信号数值，通过电压的形式传输至DH5923N测试系统，经其采集并汇同其他测试信号一并发送至上位机动态信号测试分析软件处理。其系统组成如图6所示。

试验过程中，在上位机进行采集、存储及显示的同时，可将测试数据经以太网实时发送至局域网内装有监控软件（具有时域波形显示，平均值显示，动态值超限显示，FFT图谱实时显示等基本功能）的其它计算机，以达到多端实时监控或远程监控的目的。

4.2 某减速器试验中的应用

4.2.1 试验概述

图3：自动化测控系统电气结构图

图4：台架线路组成图

以测试参数要求较为全面的某双功率输入型减速器分扭均载试验为例，该试验主要考核各阶段功率谱和单、双驱动形式下，主减速器构型呈对称结构的各级传动轴均载状况。试验要求测量：

（1）试验件内的各级传动轴载荷（因其与扭矩呈正向线性关系，故采用应变型桥式传感器测得扭矩后再行换算）；

（2）其它多处结构的振动；

（3）各电机功率输入、输出处，轴承转速、扭矩；

（4）主减滑油温度、压力、流量等参数。试验后，通过评价试验数据，判断该测试系统的准确及可靠程度。

4.2.2 测试系统安装

受试验台前期设计、中期改造及试验经费等因素的影响，在该试验中，大部分模拟信号均未进行前端放大调理，故因信号衰减及干扰，其传输距离受限。

系统安装时：

（1）将非旋转件上的各类接触式及非接触式传感器经工装、支架固定；

（2）将旋转件上的传感器及滑环按相关规范固定并将两者按规范线序连接；

（3）将两个子系统中，除传感器及其附属电源、信号线之外的其它部分，参照图5、图6连接并安装至距台架不远处的测试柜内。

系统调试成功后，试验需要的全部模拟、数字信号数据均经DH5923N动态信号测试分析系统采集，通过以太网传输至测控间计算机进行监测与分析。

图5：DH5923N动态信号测试分析系统

图6：测试系统组成图

图7：振动信号频谱分析

4.2.3 试验状态及判据

该试验主要包括以下几个运转状态：

（1）双发最大功率状态；

（2）双发连续功率状态；

（3）单发应急功率状态；

（4）超转状态。

试验时，实时监测各个试验状态下，相关测点的扭矩、振动、温度、压力等参量的时域或频域波形。试验后，对相关数据进行计算分析。最后，结合有限元分析，对分扭传动系统多个运转状态下的试验数据结果进行评价。其主要的评价指标是：

（1）传动轴的功率分布和传递效率；

（2）分扭传动系统的载荷分配特性；

（3）各结构点相应频率范围内的振动有效值。

以上指标的计算方式分别是：

（1）依据功率P与转速n、扭矩T的换算关系：P =9549nT，即可计算出各传动轴功率，通过计算统计可得各级传动轴的功率分布和传递效率；

（2）采用主减速器分扭传动系统左、右分支双联轴上的功率P1、P2来定义分扭传动系统的均载系数α1、α2，其换算公式为：

α1=2P1/(P1+P2)，α2=2P2/(P1+P2)；

（3）如图7所示，利用采集软件中的频谱分析功能，判断各个试验状态下的频域振动值是否合理。

4.2.4 试验结论

尽管试验现场工况较为恶劣，存在多种干扰，如：

（1）各类驱动、加载电机强电的电磁干扰；

（2）变频器的高频脉冲干扰；

（3）润滑油路污渍侵蚀线缆带来的信号干扰；

（4）试验件长期运转的温度干扰；

（5）旋转轴系对电波的反射干扰等。

但是经测试系统软、硬件滤波、屏蔽、隔离、共模抑制等技术处理后，测试系统运行稳定，各类信号均无误码且能被正常采集，同时，波形和数值都基本正确。结合有限元理论分析后，试验数据符合预期，表明该套测试系统能够满足传动试验台及分扭传动试验参数监测分析的要求。

5 结束语

实践证明，以DH5923N数据采集器为核心的动态信号测试分析系统是一套符合技术要求的通用型测试系统。其不仅能同时测量、分析多类型信号，还可以在复杂工况的减速器试验现场发挥优良性能，今后可在条件允许的范围内作进一步试验验证。此外，如何将该系统与台架自动化测控系统进一步融合将是下一阶段应用研究的重点。