基于MCGS的挠度测量系统

曾 真 * 赵子傲 柳文博 严艺飞

（武汉工程大学 机电工程学院）

0 引 言

在搅拌釜设计计算过程中，通常需要对搅拌轴的强度、扭转变形、临界转速等参数进行计算和相应的校核，但是在实际生产过程中依然会出现搅拌轴断裂等现象。导致这种问题的原因包括轴的强度不足和材料选择不当等，但是主要原因是搅拌轴在转动过程中发生共振产生激振力，使搅拌轴弯曲应力的脉动幅值达到平均值的400%。经研究发现，当搅拌轴的转速接近临界转速时，激振力成倍放大，为了防止搅拌轴发生共振从而被破坏，测量得到搅拌轴的临界转速，并使其运行时远离临界转速，可以极大降低搅拌轴产生破坏的概率[1]。使用MCGS 测量系统测量最大挠度值，可以找到搅拌轴的临界转速，进而避免共振，降低其发生破坏的概率，延长搅拌轴使用寿命。

1 搅拌轴挠度测量系统优势及组成

1.1 MCGS挠度测量系统的优势

挠度通常是指梁或杆件在受弯曲作用下发生的最大位移量[2]。挠度的传统测量方法为手动测量，采用百分表或者位移计等仪器进行直接测量[3]。该方法的优点是设备相对简单，并且可以同时进行多点检测，得到各测点的位移值及其挠度数值[4]。但是这种测量方法也存在很多缺点和不足，比如拆装工作量大，耗时长，测量精度低，并且不能应用于测量快速旋转的搅拌轴挠度[5]。

本文中介绍的MCGS 测量系统与传统的测量方法相比，优势主要在于传感器的选择，该MCGS 测量系统选用的是KD9000 系列电涡流传感器，它是根据法拉第电磁感应原理来设计的，通过测量传感器探头端面与被测物体之间相对位置，并且将机械位移或振动幅度转换成电信号输出的装置，进而得到搅拌轴的挠度[6]。其优点是频响宽，体积小，安装和拆卸方便，精度较高，并且能持续高效、稳定地工作，可以测量旋转机械等转动体的动态情况，这是因为在测量的过程中探头不需要与被测件接触，而且探头可在多种复杂介质中工作[7]。

1.2 挠度测量系统结构

搅拌轴挠度测试系统装置系统主要由5 个部分组成，分别为上位机控制系统、数据采集仪、前置处理器、电涡流传感器和激发电源，如图1 所示。

图1 搅拌轴挠度测量系统

该测量系统中的计算机软件选用工业生产中应用广泛的MCGS 工控组态软件[8]，其优点是可以实时测量，界面简单，操作难度较小，且可以持续稳定运行。数据采集仪是以多功能数据采集卡USB2010 为驱动创建的，并通过USB 接口与电脑相连[9]，将模拟量信号转换成计算机可以识别的数字量信号，用户可以清楚地观察到测量数据的实时变化情况，并且计算机可以自动绘制实时数据曲线，完成对参数的计算和数据分析工作。该测量系统能够方便、快捷地将电涡流传感器中变化的电压信号通过数据采集仪转换成数字量信号，记录在MCGS 组态软件的数据库中，并且可以根据用户需要将相应数据输出为Excel文件。

2 MCGS测量系统制作步骤

首先应安装MCGS 组态软件，同时安装与之配套的安装阿尔泰USB2010 驱动程序。然后进入MCGS组态环境中新建工程，按以下步骤于设置各个组态，设置完成后运行软件并观察结果。

2.1 设定实时数据库组态

在MCGS 挠度测量系统设置中，首先应完成实时数据组态设计，这也是该系统的基础。在设置实时数据库组态时，应先在实时数据库窗口内新增数据对象，设置挠度数据对象和相应历史组对象，在对象名称中输入“挠度”，初始值为0，小数位数为3 位，定义对象类型为数值型，存盘属性设置为“定时存盘”，按照同样的方法完成对历史组对象的设置，设置完成后的结果如图2 所示。

图2 实时数据组态

2.2 设定用户界面组态

然后在MCGS 挠度测量系统中完成对用户界面的设置。用户界面是整个挠度测量系统的有效载体，用户界面设置的好坏直接影响观测者能否清晰地观察整个MCGS 测量系统的运行情况。在用户界面窗口中，首先单击“新建窗口”按钮，完成对窗口的命名工作，双击该窗口进入动画组态界面，对交互界面进行绘制，在MCGS 自带的工具箱内选择相应的元件来对整个挠度测量系统的所需数据进行显示画面组态。输入文字为“实时数据”，在“实时数据”下方插入1 行2 列的自由表格，并在其中1 个表格中输入文字“挠度”，使另外1 个表格与“实时数据”库组态中的“挠度”相连接，在用户界面中就可以清晰地观察到搅拌轴挠度的变化情况，在工具栏中插入实时曲线，就可以更直观地看到挠度的变化情况。在实时数据曲线属性中设置X 主划线，X 次划线，Y 主划线和Y 次划线的数目及颜色，在画笔属性中把曲线1 和实时数据库组态中的挠度相关颜色改为红色，这样可以更清晰地观察挠度的实时变化情况。添加历史表格，就可以观察到之前测量的挠度值并且能够和现在测量得到的挠度值进行对比。添加按钮，在按钮的基本属性设置中，修改按钮标题为“删除历史记录”，这样可以清除历史数据库，使得每次存盘的数据都是当前的数据，使分析更加简便，设置完成后的界面如图3 所示。

图3 用户界面

2.3 设定设备组态

设备组态是MCGS 挠度测量系统的核心，也是其与外部设备连接的通道，设备组态的设计好坏直接影响到系统是否可以准确接收数据，设置设备组态的关键在于采集板卡中USB2010 的安装及使用。在设备窗口界面中双击“设备管理”按钮，选择采集板卡中的阿尔泰USB2010 作为驱动程序，通过对设备进行调试，发现其中数据变化最明显的通道，并把该通道设置为输出通道。在实际模拟中发现，当数据发生改变时，通道4 数据变化最为明显，所以把通道4设置为挠度输出通道。

2.4 运行策略组态

运行策略组态是MCGS 挠度测量系统的关键，其设计方案直接关系到数据的保存和分析，因此可以对监控系统将要运行的流程予以控制[10]。通过插入运行策略行可以使系统执行某项操作。对运行策略组态进行设置时，应在“循环策略块”下面的“策略组态窗口”中设置一定的时间进行循环运行，添加1 条策略行并将工具箱中的Excel报表输出构件添加到该策略行上，在Excel 报表设置中选择数据保存的Excel 工作表。

3 测试注意事项和结果分析

3.1 测试注意事项

在实际测试前，应该先观察设备是否正确连接，确保设备正常运行，观察金属探头和被测轴之间的位置，并调整金属探头和被测轴之间的距离，一般为0.4～1 mm，如果距离小于0.4 mm，测轴和金属探头会碰撞造成系统误差，如果距离大于1 mm，就会超过MCGS 系统的测量范围，使测量结果不准确。

3.2 测试结果和分析

为了测试MCGS 测量系统的稳定性和精确性，同时测量搅拌轴的挠度，本次实验测量以水为溶液的反应釜搅拌轴在20～380 r/min 条件下的挠度，图4所示为150 r/min 时空转搅拌轴挠度的测量结果，图5 所示为20 r/min 时搅拌轴挠度的测量结果，图6 为380 r/min 时搅拌轴挠度测量结果。对结果进行分析可知，搅拌轴较速为20～380 r/min 时其挠度相对较小，较速为150 r/min 左右时，其挠度出现峰值，震动频率陡然上升。通过重复多次测量， 150 r/min 为搅拌轴的临界转速，通过理论计算可以得到，其临界转速为149.4 r/min，与实验结果一致。

图4 150 r/min搅拌轴挠度测量

图5 20 r/min搅拌轴挠度的测量

图6 380 r/min搅拌轴挠度测量

4 结论

基于MCGS 挠度测量系统的应用并对其稳定性进行探究，采用电涡流传感器开发的MCGS 挠度测量系统可以清晰观测到搅拌轴的瞬时挠度值，通过观察实时曲线和历史数据可以分析挠度的变化情况，数据测量结果反映良好，Excel 报表输出正常，并分析了在反应釜中介质为清水时搅拌轴的挠度变化情况，从而分析出搅拌轴的临界转速为 150 r/min，而且实验值和理论计算值相差不大，也进一步说明了MCGS测量系统准确性高，稳定性好，可以进行推广和使用。