航发高速轴承试验机测控系统设计

时间：2024-07-28

李丁成，李辉，戚社苗，侯碧辉2,3，郭亮2,3，刘恒

(1.西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049； 2.洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039；3.航空精密轴承国家重点实验室，河南洛阳 471039)

航空发动机主轴滚动轴承是发动机的关键零部件，对发动机的性能、寿命、可靠性有重要影响。随着航空发动机的发展，发动机主轴轴承的使用条件更加苛刻，其寿命和可靠性问题受到极大的重视[1]。因此航空发动机主轴轴承在出厂之前必须经过严格的试验检验。高速航发轴承试验机是为了模拟航空发动机主轴轴承在高温、高速、重载等复杂恶劣工况下的工作状态设计的，测控系统作为高速航发轴承试验机系统的核心部分，主要负责试验机的驱动、加载、数据采集和试验机的状态监测。

本研究的试验机分为大型航空发动机轴承试验台和小型航空发动机轴承试验台，其中小型航空发动机高速轴承试验台设计转速为50000 r/min，极限转速达70000 r/min，转速误差不超过±0.5%F.S，可对径向和轴向进行0～20 kN可变加载，加载误差波动不超过±1%F.S，动态响应时间不超过2 s，对测控系统具有较高的要求。关于试验机测控系统，梅宏斌[2]给出了基于Turbo C语言和汇编语言的高速铁路车辆轴承试验机微机监控和诊断系统；贾卫，等[3]基于LabVIEW和PLC设计了风电轴承试验机测控系统，其通过PID控制和程序间的循环嵌套实现了不同工况之间的自动切换；陆旻[4]基于LabVIEW开发了等速万向节总成性能试验台测控系统，采用了模块化编程，开发效率较高，维护简单。

为了保证本试验机测控系统能够稳定工作，测控系统采用较为成熟的软硬件技术，硬件以NI工控机和测控终端计算机为上位机，对PLC、变频器组成的下位机系统进行调度控制；以NI数据采集卡进行数据采集；以LabVIEW软件作为上位机软件的开发平台，开发基于C/S(Client/Sever)模式的远程测控软件，实现对试验机测控、数据管理等功能。

1 测控系统设计

1.1 试验机物理结构

本高速轴承试验机结构如图1所示。其工作过程如下：试验轴承接受电机(图1中未给出)及增速箱传来的动力，达到试验所要求的转速。转动之前，轴向加载系统对试验轴承施加轴向预载荷，转动后，根据试验要求径向加载系统对试验轴承施加径向载荷。根据企业方所提供的载荷谱，系统自动设置主轴转速、轴向加载力、径向加载力以及试验轴承供油温度，对航空发动机主轴轴承进行模拟试验，试验过程中主要监测设备轴承轴瓦温度、试验轴承外圈温度和回油温度、振动信号的变化，记录并保存试验数据。

图1 高速轴承试验机主要结构示意图

1.2 试验机测控需求与测控系统硬件组成

1.2.1 试验机测控需求

本试验机主要用于模拟航空发动机主轴轴承的高速、高温及重载工况，在此类工况下进行性能试验和耐久性试验。各子系统的测控需求如表1所示。

1.2.2 测控系统硬件组成

航发高速轴承试验机测控系统硬件主要由监控终端计算机、现场工控机、PXI数据采集卡、PXI高性能通信卡、信号调理电路、传感器、PLC、变频器等组成，如图2所示。

表1 试验机子系统及测控需求

图2 测控系统硬件组成

由于测控终端计算机距离现场试验机大约50 m，一般数据采集卡到传感器距离不应超过10 m，且RS485通信速率与通信距离负相关[5]。因此，测控系统采用“现场工控机+控制室终端计算机”方案。

传感器采集的信号经过信号调理电路后，由PXI数据采集卡进行A/D转换后进入现场工控机，经以太网将数据传输到监控终端计算机，通过LabVIEW处理、显示并保存，并根据实时信号对系统进行闭环控制。

PLC、变频器与现场工控机之间采用RS485通信协议，通过PXI高性能通信卡进行连接。监控终端计算机与现场工控机通信，进而向其发布命令。

1.3 软件总体构架

根据测控需求，软件架构采用C/S(Client/Server)模式远程测控方式。以测控终端为Client，NI工控机(Industrial Personal Computer，IPC)为Server。测控终端软件提供用户控制界面，通过Modbus TCP协议向IPC发布命令，并通过TCP/UDP协议接受IPC的响应数据，并对信号进行处理和显示，根据分析结果做出预警，在试验信息异常时自动报警并做出响应动作。IPC的作用是中转和执行，一方面接收来自终端的命令，通过串口通信将命令发送至执行设备；另一方面，执行设备的响应结果再返回至IPC，IPC再将执行结果进行转码发送给测控终端计算机。

1.4 试验主程序界面

本测控系统的主界面以图表和数值两种形式显示润滑系统温度、振动加速度、振动位移、载荷、压力等试验数据，同时显示载荷谱执行状态和系统运行状态，以方便试验人员观察。由于被监测参数较多，需要对界面进行合理布置，将重要参数显示在当前界面，以便试验人员观察；将次重要的被监测参数放置选项卡控件内，如子单元监测、单元系统报警信息及停机流程，工作人员可以根据需要进行查看。测控系统主界面如图3所示。

图3 测控系统主界面

2 程序功能实现

本试验机测控程序的主体功能是测控终端与NI工控机通信、串口通信、试验数据存储、数据库存储和报警及停机功能。

2.1 测控终端与工控机之间的通信

2.1.1 命令流通信

测控终端与现场IPC之间的距离为50 m左右，二者通过以太网进行通信。根据通信内容的不同分别采用不同的通信协议。其中，对各个子系统的命令控制通过Modbus TCP协议，该程序框图如图4所示。

图4 Modbus TCP协议程序框图

通过此子VI，测控终端向IPC工控机发布命令，命令内容包括要控制对象的单元ID、寄存器起始地址和寄存器的值。润滑系统的启停、供油温度和压力的设置、加载系统启停和压力的设置等命令均通过此VI发布。

驱动系统的启停和参数设置命令发布VI和此VI相似，唯一的不同是，此VI设定寄存器值为多个，驱动系统的启停和参数设置VI设定的寄存器的值为单个。

2.1.2 数据流通信

试验过程中需要测控的参数有温度、压力等慢变信号以及主轴位移、加速度、声发射等快变信号。因为慢变信号数据量相对较小，数据传输可采用TCP/IP协议，数据传输可靠[6]，TCP数据传输程序控制框图如图5所示。通过设定TCP连接的参数，读取数据的字节和数据类型，将数据从IPC传输到测控终端。

图5 慢变信号命读取令及响应程序框图

快变信号数据量庞大，TCP/IP协议的传输速度已不能够满足需要，故采用传输速度更快的UDP协议[7]，UDP协议可能会存在丢包的情况，但丢包率很小，经过验证满足试验要求。UDP数据传输程序控制框图与慢变信号类似，通过设定UDP连接的参数、读取的字节数和数据类型，将数据从IPC传输到测控终端。

2.2 串口通信

本测控系统中，驱动单元、增速箱单元和液压单元通过各自的控制器(变频器与PLC)直接测控，工控机通过NI PXI-8431/4高性能通信卡与子单元的控制器连接，向控制器发布命令实现对试验设备的控制。驱动单元、增速箱单元和液压单元的控制器分别在不同的通信协议下工作，因此将3个单元的控制器分别连接在RS485通信卡上的3个端口，组成串口通信网络，并在LabVIEW中分别编程实现。串口通信的程序控制具体流程如下：

① 应用配置串口VI设定通信端口、波特率、终止符、奇偶检验等；

② 应用清空I/O缓冲区VI清空接收缓冲区、传输缓冲区；

③ 应用VISA写入VI发送请求；

④ 应用VISA读取VI读取响应帧，根据控制代码判定通信是否正常；

⑤ 应用关闭VI结束通信。

2.3 试验数据存储

轴承试验机运行时各项参数，如温度、压力、主轴振动位移、加速度等会产生大量的数据，这些数据必须按照要求存储。根据本测控系统的特点，试验数据存储采用数据管理流(TDMS)文件格式存储。TDMS格式文件具有高速、易存取、占用磁盘空间小的优点，存储速度能达到600 MB/s[8]，能够通过LabVIEW、C、Matlab编程语言读取，便于后续的数据处理程序开发。

2.4 数据库存储

试验中存在较多需要被频繁调用和存储的试验信息参数，例如设定试验机运行的载荷谱、试验时间和试验人员等基本试验信息、测试对象报警参数等，为了管理规范化，同时便于信息记录和查询，使用数据库存储系统运行参数。本测试系统采用Microsoft SQL数据库，其优点为支持的数据量大，查询速度快，占用资源少，非常适合用于存储测试数据量。开发时通过LabSQL工具包，结合SQL命令语句访问数据库，访问流程程序框图如图6所示。

图6 数据库访问流程程序框图

2.5 报警及紧急停机

为了保证试验机的安全运行，需要选择某些被测物理量对试验机进行超限保护，试验中比较重要的保护性参数为设备轴承回油温度、主轴振动位移等。设置两级报警级别，当第一级报警发生时，试验机运行，但产生声光报警，提醒试验人员对试验机进行检查；当第二级报警发生时，测控系统产生声光报警的同时，自动进入停机流程，并将报警信息存储至数据库。该模块提高了系统应对意外情况的能力，并可在意外发生后查询异常信息内容，便于故障的排除。

3 测控系统测试结果与分析

对某航空发动机轴承试验的流程是：① 将试验轴承安装在试验机上，安装形式如图1所示；② 通过监控终端计算机进入航空发动机轴承试验测控系统启动界面，录入试验日期、轴承型号、试验人员等基本信息，设定初始工况，设定要执行的载荷谱；③ 进入子单元自检与启动，润滑系统和动力系统打开；④ 子单元加载完毕后，系统进入测控系统主界面如图2所示，系统自动循环加载载荷谱，设定主轴转速、轴向及径向加载、试验轴承供油温度，并进行数据采集；⑤ 如果产生故障，会触发声光报警，根据故障类型选择是否启动自动停机流程；⑥ 载荷谱运行完毕后，自动进入停机流程，依次关闭各个子单元。

试验完毕后，可以通过子单元历史数据查询界面，对温度、加载力、轴承振动位移、加速度等数据进行查询。历史数据查询界面部分结果如图7所示。

图7 历史数据查询部分界面

图7(a)为轴向加载力的测试数据，可以看出，加载响应稳定。图7(b)为转速设定在12000 r/min下的振动加速度的数据采集及其频谱分析，可以看出，振动信号采集比较稳定，基频与倍频比较明显，试验台运行稳定良好。