（机械工程专业论文）航空轴承性能试验测试控制系统的研制.pdf

虢空毒l l l 承性髓试验测试控制系统的臻制 缡娶 航空轴承6 6 l7 0 1 怒洛阳轴研科技股份有限公司为航空工业第 6 0 8 掰磷巅翡靛空发动梳中余麓承。氇稼蕈淘李蠹承。萁瞧筵懿貔劣直 接关系到航空发动机能谮正常扁动。因此，对单向轴承6 6 l7 0 1 的试 验、控翻、漏试纂常重簧。本文采强两台电主辘，分翔摸叛航空发动 机的起动机和发动机驱动试验轴承进行试验。采用工业控制计算机测 试转速、溢度、餐、穗压力等参数。同嚣寸，详缀论谨并实藏了采潮静套 电主轴工作在发电状态实现接合试验的外套扭矩加裁和通过内粪电主 轴的电磁转矩来闻接信算岁 套加载扭铤的方法，从丽解决了高速辘系 扭矩加载装置和挝矩传感器不盛安装的技术难题，并且节省了套昂 责的高速轴系扭箱加载和检涮装置，该成巢壤补了图内商速单向轴承 试验台扭雉加载领域的空白，达到了圈内领先水平。 将实用插值算法和参数自调整算法应用予常规模糊控制系统中形 成参数自调整的在线插馕模糊控制系统，克服了常规模糊控制稳态精 度差、容易产生颤振等现象。仿真结聚表明，该系统具脊不仅上升速 度快、稳态精度商，两虽跟随性好、簪棒性强。 测控系统采用w i n d o w s 下b o r l a n dc + + b u i l d e r5 编制，界面友 好，使用方便。代码全部采用模块化设计，越方便糁攘到其它应用程 序当中。 关键词：航空轴承，模糊控制，参数自调憨，在线插值，扭矩，工控 巍 t h er e s e a r c h in ga n dm a n u f a c t u rin go f c o n tr0i iin ga n dt e s ts y s t e mf o ra via t io r b erin gt e s t e r a b s t r a c t t h ea v i a t i o nb e a r i n g 6 6 17 0 1 ”i sd e v e l o p e da si n t e r v e n i n gb e a r i n g w h i c hi sa l s oc a l l e do n ew a yb e a r i n go fa v i a t i o ne n g i n ef o rt h e6 0 8 r e s e a r c hi n s t i t u t eo fa v i a t i o ni n d u s t r yb yl u o y a n gb e a r i n gs c i e n c e a n dt e c h n o l o g yc d ，l t d t h ep e r f o r m a n c eo ft h eb e a r i n gi s d i r e c t l y a s s o c i a t e dw i t ht h es t a r t u p t h e r e f o r ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt o t e s tt h e o n ew a y b e a r i n g “6 6 i7 01 ”。t w oe l e c t r i c s p i n d l e s a r e u s e d ，o n e s i m u l a t e st h es t a r t e rm o t o r ，t h eo t h e rs i m u l a t e se n g i n et od r i v eb e a r i n g i nt h et e s t ，t h e s p e e do fr e v o l u t i o n ，t e m p e r a t u r e ，o i ls u p p l yp r e s s u r e a n do t h e rp a r a m e t e ra r em e a s u r e db yt h e i n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r 。 a tt h es a m et i m e ，i td e t a i l e dd e m o n s t r a t ea n dc a r r yo u tt h ew a y ，w h i c h a p p l yh o u s i n ge l e c t r i cs p i n d l e sa tg e n e r a t i o ns t a t et oc a r r yo u th o u s i n g t o q u el o a d i n g i nt h e j o i n tt e s t i n g a n d i n d i r e c t l y e s t i m a t i o n h o u s i n g t o r q u el o a d i n gb y t h ee l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u eo fi n n e rt u b ee l e c t r i c s p i n d l es t h u s ，t h e t e c h n i c a l p r o b l e m t h a tt h e h i g hs p e e ds h a f t i n g t o r q u el o a d i n gd e v i c ea n dt o r q u es e n d e ra r ed i f f i c u l tt oi n s t a l li s s o l v e d a n di ts a v e sas e to fe x p e n s i v eh i g hs p e e ds h a f t i n gt o r q u el o a d i n ga n d m e a s u r i n gd e v i c e t h eo u t c o m ef i l l t h eb l a n ki nt h ed o m e s t i cf i e l do f t o r q u el o a d i n g f o r h i g hs p e e do n ew a yb e a r i n gt e s t a n d i tr e a c h e s a d v a n c e dl e v e li no u rc o u n t r y 。 t h ep a r a m e t r i cs e l f - a d j u s t i n go n l i n ei n t e r p o l a t i o nf u z z yc o n t r o li s f o r m e db yt h e a p p l y i n gp r a c t i c a li n t e r p o l a t i o nm e t h o da n dp a r a m e t r i c s e l f a d j u s t i n gm e t h o dt or o u t i n ef u z z yc o n t r o ls y s t e mt h es y s t e ml o w e r t h es t a t i ce r r o ra n da v o i dt h ef l u t t e ro fr o u t i n e f u z z yc o n t r o l l e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h a t t h i s s y s t e mh a sr a p i dd y n a m i cr e s p o n s e s p e e da n dh i g hs t e a d y s t a t e ，a sw e l la sg o o df o l l o w i n gc a p a b i l i t ya n d s t r o n gr o b u s t n e s s t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r ea r ed e v e l o p e db yb o r l a n d c + + b u i l d e r5f o rw i n d o ws a n di th a sg o o di n t e r f a c ew h i c hi s e a s y t o o p e r a t e a l lt h ec o d ed e s i g n e di nm o d u l e ，a n di t c a na p p l yt oo t h e r p r o g r a me a s i l y k e yw o r d s ：a v i a t i o n b e a r i n g ，f u z z yc o n t r o l ，i n t e r p o l a t i o n o n l i n e ，p a r a m e t e rs e l f a d j u s t i n g ，t o r q u e ， i n d u s t r yc o m p u t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成粜。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包食其 毽入邑经发表或撰写道豹磅究藏栗，辔不奄含为获褥金鋈薹鼗鑫兰或萁镌教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志地零研究所做的任何 贡献均已经论文中作了明确的说明并表示谢意。 剿姗龇方l 职 蝌期：刎年厂月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解佥尴王些盍堂商关保留、使用学位论文的规 定，有投绦蟹菸囱晷豢毒关絮门或穰掏送交论文瓣复印磐稿磁凝，允许论文渡囊 阕和借阙。本人授权盒匿兰壁塞堂可以将学鬣论文的全部躐部分内容缡入有 关数据滕进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后在邋用本授权书) 学彼论文作者签名： 钏舻 譬窍融 学位论文作者毕攮屠去向： 工佟鼙盈： 通讯地址： 导师签名 玛 签字日期卿兮月 日 电话： 邮编。 致谢 对于本论文的各项工作，我的导师尹志强和徐同申教授给予了热 情豹关怀和悉心的指导，课题实施过程中得猁了洛阳轴承研究所张培 军和贾虹以及试验技术开发部全体同志的大力协助。上海师范大学张 志强教授也给与穰大帮助。课题调试过程中得到了航空工业6 0 8 研究 所的彭最花离工的大力协助，在此表示深深的感谢。 最后向百忙之中评审本论文的各位专家、教授致以诚挚的谢意! 第一章绪论 1 1 项目来源及研究意义 项目来源：株洲6 0 8 研究所“航空工业总公司技改项目”。 建国以来我国航空工业虽然有了很大发展，但由于起步较晚，跟 西方发达国家还存在很大的差距。发展我国航空工业，缩小与发达国 家的差距已迫在眉睫。新型航空发动机的研制周期一般较长，西方发 达国家需要3 0 年左右；我们要缩小差距必须用更短的时间完成发动 机型号的设计。为此我们国家非常重视航空工业的发展，加大技改投 入。其中新型试验台的研制是技改项目中重要组成部分之一，传统的 试验台不能满足新型号的试验要求，使得某些部件的型号不能进行试 验或者不能很好的模拟实际的工况，等整机试验发现问题再去设计型 号就影响了新型发动机的研制周期。所以研制新型的适合型号试验要 求的试验台成为发动机研制过程中的至关重要的一环。本课题所研究 的航空轴承是指连接航空发动机与发动机的起动机的中介轴承。也称 单向轴承。它是航空飞机的心脏一发动机的一个重要部件，它的性能 的好坏直接影响到整个发动机的综合性能【3 】；该项目的研制对于提高 我国航空发动机设计制造水平，缩小与西方发达国家的差距有着重要 意义。 目前，已研制成功航空发动机轴承试验机的种类很多【i , 2 , 3 1 ，洛 阳轴研科技股份有限公司曾为航空工业研制了z y s 1 0 2 航空发动机双 套圈旋转试验机、z y s - 1 0 3 高速航空发动机轴承试验机、z y s 一1 0 4 重 载荷航空发动机轴承试验机，还为航空工业6 0 8 所研制了转速高达 7 0 0 0 0 转分的b 7 6 6 轴承试验机。这些轴承试验机结构合理，性能先 进，采用计算机控制，变频调速，有很完善的测试控制系统。但这些 试验机均用于航空发动机主轴轴承和齿轮箱的轴承试验，而对航空发 动机起中介作用的单向轴承无能为力专门用于航空发动机航空轴承 的试验测试控制系统还末见报道。 本文研制的单向轴承试验台是国家航空工业6 0 8 所技改项目的 一部分，是为当今中国最先进的中小型航空发动机，也是世界上八九 十年代战斗机的首选动力一涡轮风扇发动机的型号设计服务的。6 0 8 所现有单向轴承试验台采用直流调速，电机最高转速2 4 0 0 r p m ，采用 齿轮箱增速后最高转速只有9 6 0 0 r p m ，远远不能满足新型单向轴承 3 6 7 0 0 r p m 的试验转速要求。且这种结构机械环节多，传动效率低， 升降速不方便，能耗大，成本高。其测控系统比较落后，转速和载荷 都是手动控制，自动化水平不高，试验效率很低，不能适应新型发动 机型号试验的需要。 电主轴是将电动机直接装在主轴头内，减少了一般主轴所需要 的皮带、齿轮、变速箱等机械结构，它具有如下特点1 4 5 j ： 1 电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮的传 动误差。 2 减小了主轴振动，减少了噪声，提高了主轴的回转精度。 3 采用交流交频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽， 功率一扭矩特性好。 4 机械结构简单，转动惯量小，能够实现很高的速度和加速度 及定角度的快速准停。 国外电主轴技术研究开发较早，如s e t c o 公司、i n g e r s o l l 公司、 f a n n c 公司等研制的电主轴已广泛应用到各个行业。我国电主轴行业 发展迅速，洛阳轴研科技股份有限公司( 原洛阳轴承研究所) 研制的 电主轴性能优良，最高转速达到1 2 0 0 0 0 r p m 以上，在高速磨床上得到 了广泛的应用。近年来，将电主轴应用到高速试验设备，代替原来的 机械增速成为试验设备发展的方向。此前，本人主持参与了航空发动 机高速轴承试验机b 7 6 6 的研制“”，直接使用电主轴驱动，不需任何 机械增速设备，获得了7 0 0 0 0 r p m 的转速，并且转速在2 0 0 0 7 0 0 0 0 r ! a m 范围内连续可调。因此，本文研制的单向轴承试验台仍采 用高速电主轴驱动，以便获得较高转速和较宽的调速范围。 随着科学技术的不断进步，人们所面临的问题越来越多，需要 加以控制的对象和过程越来越复杂，对控制质量的要求也臼益严格。 传统的控制技术对于具有非线性和不确定性的复杂的系统很难实现有 2 效耪糕礁我羧麓。餐耱耱裁 8 g a o j 壤蔗在这静醛凌下瘟运嚣生熬，它 不藏羧予被控遗嚣鼹数学模垄，将撵 擘孝戆搡稼经验簸绘控翻系统， 使系统能够根据过程状况信息利用其自身拥黼的知识作出有效的控制 攥捧。8 0 冬健瑷来，徽诗冀瓠菠零翦离速袭矮鸯察爱餐髓整剥器鳇 研制和智能掇错系统的开发提供了艘沭基础。秘前，智稚控制技术斑 妥霄疆下咒耱； 1 专家控制按拳。忿是专家系缆技术耧囊动羧耧搜零豹接会， 实霞莛簿越燕裁对象秘人搽傣控裁戆备辣黎谈来弥褡传统控稻 滩以建藏控制对象模澄的不足。 。谟赣撩蠲羧零。密是为了憝蘧复杂过秣瓣蒙麓宥散茬裁嚣褒 模糊巢鬻论基礁主发蕊起来瓣。 3 天王粹经阏络控铡援寒。它楚在现敢神经科学蓦确上结合靛 制理论发展起来的。 4 ，集袋型謦裁控裁技寒。它罴模糖签裁、专豢控裁、天工睾孛经 嘲络控制以及遗传算法的集成。 将先述的智能控制斑爝于航空发霸枫单向轴承试验静控制系统 孛，将获褥联怒静控裁效祭；势绩会先进静计冀辍技术、掰援纯较耱 接米和交流蹙灏调速蔽术歼发耪塑鞠高速高效诚验念，为新型发动褫 型母设计提供准确可靠的试验数据，触于改蛰发动枫性能，缩短发动 瓿熟辑铡懑麓，遨遮发震簸空王渡籀溅匿重耱力量鄂富羹袋戆瑰实意 义。 l 。2 本课鼷酌任务和实现方法 岑课题所涉及嬲攀巍艘承，窀蠢内套穗终塞梅成，虑錾炙能在一 个方向上带动外套转动米传递翘矩( 这种状态叫攘合) ，当外套转速超 遵蠹套转速辩，辘窳凑努套甓离，楼海辘霉逡转。( 这耱状态跨越越 分离) 。该单向轴承用予缴动机的扁动机和发动机之间，靛动机起动 前，发动枫瓣起动机首先痿动，逐避单巍轴承慕筵遂摆矩，带凄发动 极旋转；当裳动税藏动嚣，转速缝澎上舞，当转速越过怒勘壤熬转速 3 时就与起动机分离，完成启动。起动机停止运行。 本课题的任务就是完成一套满足性能要求的单向轴承试验测试控 制系统。试验测试控制系统主要性能要求如下： 1 内套转速和扭矩加载具有手动和自动控制功能，具有各种连 锁保护。 2 系统具有实时数据采集、处理、控制、报警、数据存储、打 印和实时显示功能( 包括主要参数的波形和报警源显示) 。 3 能够自动完成磨合、接合脱开、超越和动力状态的试验，各 试验的性能要求如下： 磨合试验该试验的转速及载荷的要求如表1 1 。 表1 - 1 磨合试验性能要求 内套转速( r p m )外套转速( r p m )外套扭矩( n m )运行时间( m i n ) 各蛀 5 0 0 0 带转o 2 3 状态结束停i m i n 1 0 0 0 0带转0 2 3 状态结束停i m i n 1 5 0 0 0 带转o 23 状态结束停i m i n 2 0 0 0 0 带转o 23状态结束停i m i n 02 0 0 0 0 o3 表1 2 接合试验性能要求 过渡状态 稳定状态过渡状态 内套转速( r p m )0 8 0 0 08 0 0 08 0 0 0 2 0 0 0 0 外套扭矩( )o 42 4 54 0 加载时间( s e c )415 0“ t 2t 3 图1 - 1 接合试验性能曲线 4 接合艨嚣试骏试验参数蛰淡l 一2 ，运移获态夔线鲡蘑1 一l e 超越试验 在接合脱开试验结柬时将外囊转速4 s 内由2 0 0 0 0 r p m 上升舞 3 6 6 6 7 r p m ，稳定运孬4 0 s ，关闭势囊凑力，镬乡 套转速酶必0 。 动力状态试验 在接合脱开试验结束时3 s 内将外套转速推到3 4 6 5 0 r p m ，运行 1 5 m i n ：重复上述过程2 5 次，每次溺疆1 s m i n 。 鉴于上述的性能要求，采用高髋能交频嚣和嵩速电主轴可实现内 外套转速以及外套扭矩的控制，不鬻增速器即能获得数万转的转速。 出予该系统转速及扭矩豹土转速度抉，动态毂辘要求蠢，选瘸鬻规 p i d 控截禳难满足往能要求，丽管麓控稍技术中的模糨狡铡技术发箴 迅速，并成功的运用到很多控制系统当中，尤其是交流调速系统 19 , 2 4 1 。它的最大豹优点就是不依赖予被控对魏的数学模趔，并且熊 够毙羧菲线魏瓣素鹣影豌，对调节对象懿参数黛亿不敏感，莫有鞍强 的智棒性。假是常规模糊控制的精度与跟随性能语言变燧的选择有 关，分档越绷，性能越好，但同时带来的缺点怒规则数和系统的计算 羹太大壤热，苏至手模凝矮簧| l 更难熬搓，调试爨宓霹霆建：麟者零矮模 糊控制器由予嫩化误差的影响会产嫩稳态误差和颤振现象。针对常艇 模糊控制的存在的几点不足，将实用插值算法和参数自调烂算法引入 摸凝控翻，莰谤一耪参数鑫调整熬焱绫撵蓬摸糕控剃系绞。宅摇当予 输入变量在蔡论域内的分档数趋予獭穷大，这稀不仅能够满足控制勰 则装所指定的控制规则，而且还在控制规则表肉的相邻分档之间以线 性攒值方式於兖了无穷多个新豹、缀过细分鲍按割援则，嚣热充实燕 善了踩来的控镱l 规羹l l ，弗扶根本上囊纯误差j 瞳调节死区，藏服了由予 最化误差而引起的稳态误差和稳态颧振现象，驻著的改善了系统的性 熊，尤其是稳杰性能。 1 3 本文内容安排 零文共分六睾。主要内容是銎绕款空笈动瓿攀淘麓承试验台测捺 系统的研究，重点讨论了试验台测控原理和参数自调整的在线插值模 糊控制器原理及设计，最后给出了仿真结果和现场运行数据。 第一章“绪论”，主要介绍了选题的背景、课题的任务和实现 方法。首先介绍航空工业发展对新型高速单向轴承试验台的需求，进 而介绍现有试验台的缺点和新型试验台的性能要求，最后论述了智能 控制的发展以及将智能控制运用于试验台控制系统中的实现方法。 第二章“测控系统组成”，主要介绍了试验台的主机结构、测 控原理和控制系统原理，详细介绍了扭矩的检测、加载和控制方法。 第三章“控制算法研究”，是本文的重要部分之一，介绍了模 糊控制系统组成原理和基本模糊控制器的设计方法。接着在分析常规 模糊控制器缺点的基础上讨论了常规模糊控制器的改进方法。最后详 细阐述了参数自调整的在线插值模糊控制算法的原理和实现方法，并 给出了转速和扭矩的控制查询表。 第四章“测控系统软件设计”，简单介绍了c b 开发工具，详细 介绍了测控软件的组成和各模块的设计方法。 第五章“实验结果”，介绍了仿真软件的设计方法，给出了各种 控制算法的仿真曲线，并对仿真结果进行分析。最后又对现场试验进 行了介绍，并对现场试验结果进行了分析。 第六章“结论”，总结了测控系统的仿真和现场调试结果，给 出了系统存在的不足和下一步的研究方向。 第二耄测控系统缀成 2 1 试验台整机结构 电主轴是将电机直接装在主轴头内，减少了一般主轴需要的皮带 轮、蠢轮鼓者变速赣等援壤交速捉孝鐾，提巍了转动效率。采震舞建憝 变频器和离速电难轴来驱动单向轴承试验台，不鬻增速机构便熊获得 数万转懿转速，阏嚣在涎量嚣翘篷热栽主终些毅逡，使试验台皇撬绩 构交得非常简单，从而减小了高速轴上的振动，使系统寂全平稳的运 学。 2 1 1 试验台的主机结构 试验念主撬燕要壹螽架、凑羚尝电圭麓藕试羧转揍羧组残，螽图 2 一l 所示。内套驱动选用额定功攀1 8 k w ，额定转速2 0 0 0 0 r p m 的 2 g d z 2 0 型商速魄主辘，舞鬻驱动选嗣额定功率9 k w ，额定转速 3 7 0 0 0 r p m 的高速电主轴，二者均需水冷却和油雾润滑。 萄2 - 1 试验台主视结构 2 1 2 试骏台的系统继成 试验台由计算机钡! | 控系统、电气控制系统、润滑系绕穗试骏主馋 7 部癸维成。系统摄辫魏鋈2 - 3 联示。 计舞祝测控系统由工控机和1 0 板卡组成。工控机选择研华 i p c 6 l o 聚烈( p i i l8 6 6 的c p u ，4 0 g 硬盘，2 5 6 m 蠹器) ；扳卡逡释磷 牮p c l 8 1 2 p 6 ，它包舔1 6 路a d 、1 6 踌d l 、1 6 路蚤o 灏2 路d a 。邀气 控裁系统漱接惩器耧继奄器缓藏亲援裁内褰瞧爨、努襄魄瓿、承泵惫 机、空压机、供油电机、回油电机加热器榉的起体控制和逻辑保护， 保谖承、气、润港魄瓤不开封不滟起动内、肄套邀极。灌潺系绒国莰 演聚、潮浦象、涌耱、添控纹袋帮魏热器缀袋，宠成试虢释轴承静满 滑，逯避擞热器裁溪羧纹表实壤不露潺澄瓣满溪寒鬟努黪摸l 萎 攀淘麓 承实际的工作环境。 塑2 3 试验台豢缡框鬻 2 。2 兰糨异步毫赫褫谤率、转矩葛鞔械特性势耩 电主轴与普通三相异步电动机虽然在枫械结构上存程一定的差 赠，餐其互终覆理竞众糕霹。零警怼三稳雾疹龟魏懿绩率与转艇瓣关 系，戳及机械特性进行分析。 2 2 1 三槠簿步毫秘飙翡率与转短豹荚系 1 功搴关蘸 异步电动枫运行对，从电源输入电功率p ；剃转轴上输出功率p 。 的全过稔为： 最= 墨一p c 1 一p 1 一叠。2 一热一放( 2 1 ) 其中地，为定子铜损耗 鲰，必定子铁损耗， p c ：为转予铜损耗 只为枫援授耗 以为附加损耗 强功率渡程塑表零，翔黟2 4 掰示 灏2 - 垂三提器步电动筑功搴渡程灏 由上图知，转轴上真正输出的功率可表示为： 乏= 致一致一忽 ( 2 2 ) 其中圪为机械功率。 2 。转楚关系 旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩和它的机械角速度 戆黎积，在异步邀动凝当孛，撬藏耱搴磊虢是电磁转矩t 乘叛转子税 械角速度q ，即 艺= t q ( 2 3 ) 将式( 2 - 2 ) 两边都除以q ，得转觚关系为 乏= 蠢+ 乙+ 瓦= 五十嚣( 2 一) 式中，瓦为电动机转轴输出转筑 蠢蠹稳禳黉耗转簸，圭簧由电税魏风隧摩擦损耗及轴承謦擦攘 耗引起，当转速一定时该损耗基本不变，茄外这种损耗与温度有一定 酶关系，警运行段时闻后漱度基零平衡，变化蹩不大，因而该影响 可以忽略不计。 9 r 为电动机附加损耗转矩，它是由于定、转子辩了槽和转予磁 动势中含有谐波磁动势而产生的，一般不易计算，往往根据经验估 冀，约为额定转矩的o ，5 3 。 霸= 矗+ l 为窝载转熊。 2 2 。2 墨相异步电动机的机械特性 三稽异步电机的机械特性是指在定子电聪、频率和参数固定的 条件下，电磁转矩稠转速张之闻豹函数关系。机械特性的表达式如 下： 瓦= 3 p 唧墨 s 壤陋妒m 司 ( 2 5 ) 式中，p 为壤对数 配为定予线电聪 s 梵转差零 矗为定子斑相绕组的电阻 是为转子镣辍绕缝电嫩戆拆台氆 置为定子每相漏电抗 盖：为转子胡绕缝豹潺毫挽匏舞舍壤 _ 为定子电压频宰 垂式( 2 5 ) 掰隶褥菠、受簸大转短懿下： 毛士1 2 2 葫| 墨+ 、, 3 砰p u + 2 瓯+ 墨y , 1 2 s ) 产爨最大魄磁转雉嚣夔骧赛转灌率必 驴丽寺丽霹+ 妊l 七x 冀 ( 2 - 7 ) 式( 2 - 5 ) 计算电磁转矩需知道很多参数，实际应用时，三相异步 电税浆参数不荔得蘩。若裁穗三穗努步毫税产瑟祥本审绘出煎数器， 找出它的机械特性公式，即便粗糙，但非常实用。下式为经过近似计 嬖麓豹提城特性实用公式2 1 1 ： t 2 已羔。蔓 j m s ( 2 - 8 ) 从式( 2 8 ) 知，只要知道l 和j ，就能确定异步电机的机械特性， 惫噻空载转短，l 霹崮下式确定， 乙= 忌。n ( 2 - 9 ) 其中，舀必额定转矩，哥由额定功搴磊帮额定转述求爨； 为过载能力，可从产品样本中查到。 涛额定点豹毅据伐入式( 2 - 8 ) ，搿求出 褒赛转差率为 s 。= s , v ( 老。+ 一1 ) ( 2 一le ) 可见，机械特性的实用公式简单实用，从产品样本中给出的额 定德帮过载能力便能方便熊求壅枫械特毪。 2 3 试骏台溯控系统组成及工作原理 2 3 1 测控系统组藏 测控系统包括计算机测控系统和电气控制系统。计舞机测控系统 弼图2 - 5 掰示，主要完成各模拟量和数字羹的检测并发如控制指令， 它主要由工控机和装在工控机总线上的i 0 板卡铸组成。电气控制系 统幽继电器、接触器等组成，主要实现逻辑控制、继电保护等功能。 为了接线和调试方便，专门制作了绩号转搂箱，掰有测试和控制的信 号都经过该箱与其它部分相谶，箱内装有黼子板( p c l d 一7 8 0 ) 、多通 道滤波板、继电器板( p c l d 一8 8 5 ) 、开关彀源积接线端予。信号通过 专用排线与工控机相连，通过航空插头与电气控制柜和试验台相连。 图2 6 是测控系绞绩号流程图。 2 3 2 变频器端子接线圈 内铃套均选耀芬兰v a c o n 交频器驱动，逵趣蠢速应惩宏居，该变 频嚣最高输出频密可达i 9 0 0 h z ，虽分辫露赢，低速也糍僳迁稳定运 行。系统具有自动和手动切换功能，变频器端予接线如图2 7 。 图2 5 计算机测控系统终构图 图2 - 6 测控系统信号流稳图 1 2 图2 7 变频器端子接线图 其中端子号名称如下： 1 参考值输出( 10 v )2 模拟输入 3g n d 4 、5 模拟电流输入 端6 控制电压输出( + 2 4 v ) 7g n d 8 正向起动9 反向起动 1 0 外部故障输入1 1 公共端( c m a )1 2 控制电压输出( + 2 4 v ) 13g n d 变频器的主要参数设置如下： 最小频率：o h z ；最大频率：6 5 0 h z ；上升时间：2 s ec ；下降时 间：3 s e c ；参考值定标最小：o h z ；参考值定标最大：6 5 0 h z ；频率参 考值选择：模拟输入电压：0 1o v d c ；控制方式采用恒磁通调速；其 它参数使用默认值。 2 3 3 参数测试原理 试验台测试的参数包括内套转速、外套转速、外套扭矩、试验件 垂真振动、试验件水平振动、试验件轴承温度、滑油回油温度、滑油 供油温度、高温油箱温度和试验件供油压力。 转速的测量 电主轴的转子尾部均匀的嵌入三个磁块，这就为转速的测量提 供了方便，不需使用测速发电机和其它的检测装置，简化了主机的结 构，只需将自己制作的霍尔元件传感器插入电主轴尾部( 如图2 一l 所 示) ，就能产生与转速成比例的脉冲信号。脉冲信号的检测方法有两 种，一是通过8 2 53 计数板计数得到【6 】，二是通过频压转换电路( v f ) 变成电压信号，再由a d 口进入计算机。这里采用自制v f 来实现转 速测量，v f 的对应关系为o 2 0 0 0 h z 到0 5 v 的映射。电主轴每转 一圈产生3 个脉冲，因此转速r e v 的计算公式为： r e v = 2 0 0 0 $ ( x 5 o ) 木6 0 3 = 8 0 0 0 x ： 其中x 为v f 的输出电压。 温度的测量 试验件轴承温度采用热电偶嵌入试验中进行测量，热电偶输出为 e 分度号，经调制模块输出模拟电压，经滤波板到a d 通道就变成计 算机能够识别的数字量。其它温度的测量都采用热电阻及变送器一体 化温度传感器，输出0 5 v 的标准信号经滤波板后送入a d 通道就变 成计算规熊够处理豹数字量，经软 孛标度交换抉繁出实踞懿工程量。 振动的测凝 振动懿测量袋曩拨动传感器经拨动仪鬏( 带甥方投秘教大瞧路) 输出0 5 v 的电压对用0 1 0 0m s2 的振动量，数程可 妇仪表的挡位 选撂开关选择，潮仪表竣毫黪模毅镶号经滤波援鞠盎转遴遂迸入诗冀 机，经标腋变换换算成工程量。 压力静测爨 压力的测量采用带变送器的压力传感器，输出1 5 v 的模拟电 压对应0 1b l p a ；经滤波板拳a o 逶遴送入诗冀耩，经标瘦交换就换 算成工程缴。 褪筑豹测爨 旋转轴动态扭矩的测量，通常将传感器直接安装在旋转轴上， 蔷号传输与爱量攥绘聚震集滚环或无线方式。这不仅使测量设备复 杂、易受干扰、安装调试困难，而且还使给被测轴( 这里是高速轴系) 翡设诗霸糯工帮潦极大的不镬，因为高速辎系的设计要考虑动平衡、 谐振点等囡素。鼹高转速的搬矩传感器需要进口，非常昂贵( 转速超 过l5 0 0 0 r p m 的传惑器约5 万美元左右) ，裁据本课题的蒜体情况，采 用i 司接测量的方法 ”j 。 内套电税带着单淘轴承试验件转动，加在蕈向轴承试验件外套 上的扭矩就是内套电机电磁转矩的一部分。根据2 2 1 的转矩的关 系，再考惑笺旋转轴动态和稳态运行的情况，加在单向轴承试骏件上 的扭矩t 为： r = 疋一t o 一，等 ( 2 州) “l 其中t 为内套电机的电磁转矩： k 为内套电机的空载转矩： j 是折算到电机轴上的转动惯量； 甜是电机旋转楚速度。 因此，如果陡测量电磁转矩瓦及动态转矩j 警，离线测出空载转 矩r o ，即可得到单向轴承试验件上v , j 扭矩。电磁转矩可以通过驱动内 套电橇静变频器模羧输舞口涌出，歹粤霄鬏撵每个露剩静转速采样 诹 假计算出来，因而根据式( 2 11 ) 就能计算出单向轴承试验件外套施加 蕊攮矩。稳态运行嚣j d c 。o 巍零，熬载整矩就交残 搿 r = t 一 ( 2 1 2 ) 这弛测掇方法的误差来自两个方面，一楚从变频器梭器l 电磁转 繇产生酶谖麓，二是空簸转矩计藓豹误差。考虑妥该系统揠矩检测疆 求为2 ，这种方法能够满足要撒。 2 3 4 控制嘲路组成疑点作原理 该控割系统由三个瓣环控裂圈路缝或：肉套转速控躐鏊路、舞餐 扭矩控制回路和外套转速控制回路，但三者不是同时执行的。磨合试 骏和接合试骏只有内套转速和外套扭矩控制网路，此时外套电主轴工 馋在发电状态，实现步 襄l 薹矩热载；超越亵动力获悫试黢只有舞套转 速瞬路，内凑电主轴不键供动力，处于断电状态，外套也不需要施加 掇矩，而是提供动力。 转速控裁蔫环由互撩辍、转速稽懑器、交频器窥电主毒囊等堪或， 闭环控制系统框图如图2 - 8 ，图中控制器是融软件实现的模糨控制嚣 ( 详见第三章) 。由控制器输出的控制量经p c l 8 12 的d a 豳送 至变频嚣匏模拟电艇输入端圈，变频器嘏强褥到的羧裁量辕文翘 廒瓣转速直接驱动电主辅( 交频器内部含有电流闭环) ，辩由溺量系统 将电主轴转逋反馈给控制器完成闭环控制。闭环具有很好的干扰抑止 熊力，若突加负载使电燕轴转速下降，反馈臻号y 豹毽变小，再给定 不嶷斡精嚣下，转速穰麓信号e 为歪，经控翩器懿模赣瓣涮算法褥鲻 大于上一时 图2 8 转速控制框图 弱豹控割羹，遗避板卡