基于NI测控系统的风电主轴轴承试验机

　　摘　要：从试验机的组成结构、电控系统、测控系统等三个主要方面，详细介绍了我们自行研制的风电主轴轴承试验机。在NI测控系统中，从测控原理、软件简介、软件设计等三个方面介绍了基于LabVIEW的测控系统。
　　关键词：工控机；LabVIEW；PLC；传感器；比例阀；比例阀功率放大板；串口通信；数据采集
　　0　引言
　　风力发电是新能源技术中Z成熟、Z具规模开发和商业化发展的发电方式，其发电成本已接近常规发电方式。在风机制造水平上，我国生产的Z大风电机组功率为750kW，主流机型兆瓦级风电设备在我国还处于研发阶段。但可以预计，随着兆瓦级风电设备的国产化和应用推广，中国将成为世界风电发展Z令人瞩目的国家之一。现在风机需求的快速增长给风机零部件造成了空前的压力，而零部件的扩产也远非易事，零部件的配套整合能力成了制约整机厂商产能的重要因素。目前风电轴承（主轴轴承和变桨轴承）是Z明显的瓶颈。
　　在风力发电用轴承中，主轴轴承和变浆轴承技术难度Z大，现在基本依靠进口，是风机国产化的难点之一。目前德国的FAG和瑞典的SKF是风电轴承的主要供货商。我国在这一领域发展比较缓慢，除我公司外，少数企业致力于风电轴承的开发，目前都处在起步阶段，没有相应配套的试验手段。因而很难获得用户的认可和市场准入，为此我公司为配合产品的开发和研制，提出研制开发风电主轴轴承试验机。
　　1　风电主轴轴承试验机组成结构
　　我们开发研制的这台试验机所试验的轴承型号，其尺寸、转速、加载载荷差异较大，各自具有非常鲜明的特性，在满足每个轴承试验要求的前提下，本试验机在组成结构上有以下特点：
　　a.可象征性模拟1.5MW-2MW主轴轴承的工况。可同时施加两个变化的轴向载荷和径向载荷，通过压力传感器测出被试轴承力的变化。
　　b.施加变化的载荷，采取液压比例加载完成。综合考虑液压系统的压力以及结构，经计算得出合理的设计参数。
　　c.为了控制试验轴承和陪试轴承的温度，专门配置润滑装置和注脂泵。
　　d.试验机主轴部分采用一体式轴结构，便于轴承的安装和拆卸，利于做各种型号轴承的试验。
　　e.为了便于安装维修，加载装置水平放置。
　　试验机的结构组成如图1所示。 　　2　试验机电控系统
　　试验机的电控系统由驱动、液压、润滑系统组成，通过PIE编程，来完成试验机的各种动作。
　　2.1 试验轴承驱动系统
　　试验轴承由变频器驱动主轴电机带减速箱驱动一体轴来运转。由于在一体轴侧安装了速度传感器，并实现了工控机与PLC、变频器的通讯，对主轴电机的转速、电流能够进行监控，操作者在应用软件主画面上不但可以输入轴承的转速设定值，还可以实时观察轴承的实际转速、主轴电机的工作电流。
　　2.2 液压控制系统
　　液压控制系统完成试验机轴向、径向载荷的加载功能。由液压电机、轴向、径向比例阀功率放大器、比例阀、压力传感器、起停开关、加载开关等组成的控制系统，可实现手动和自动加压。油路压力可控、可调。此次选用的比例阀功率放大器和电液比例阀，自带反馈信号，控制压力稳定、精确。通过所设计的软件系统画面，输入加载设定值，经过数据处理转化成比例阀功率放大器所能接受的电压信号，对比例阀进行流量控制，Z终达到控制加载压力大小的目的。压办值大小可通过压力传感器反映到测控系统的画面上。我们所设计的液压控制系统的加载范围：轴向载荷0kN-600kN；径向载荷0kN-1000kN。
　　2.3 润滑控制系统
　　润滑控制系统提供试验机陪试轴承的润滑功能。由主油泵、回油泵、流董传感器、温度传感器、起停开关等组成的控制系统，润滑油流量可调，润滑油温度、流量可显示。
　　3　试验机的测控系统
　　3.1 测控系统原理
　　本试验机的测控系统以Nl公司的PX18106嵌入式控制器为核心，结合多功能数据采集模块、信号调理模块，开发出满足要求的测控系统。同时，利用串口通讯，实现主机对润滑油流量、试验轴承实际转速、主轴电机运转电流的检测与控制。测控系统原理如图2所示。 　　3.2 测控系统LabVIEW软件简介
　　此试验机测控系统软件在NI的Z新LabVIEW2009平台上进行开发。LabVIEW是虚拟仪器领域中Z具代表性的图形化开发平台。是目前上首先推出和应用Z广的数据采集和控制开发软件之一。以此为平台开发的测试软件具有直观、友好、容易操作、显示内容清楚直观等特点的人机交互界面。通过人机界面就可控制整个试验过程，如同直接操作仪器。控制信息和测试结果可以以数据、图形、各种仪表的形式在界面上显示。同时还可对数据进行实时存储并打印。
　　3.3 软件设计
　　本试验机软件设计本着操作简捷、界面实用、编程方便的原则，主程序框架有四种工作状态构成：测量开始、测量结束、打开记录文件、退出。在测量开始的工作状态主要由数据采集、显示、记录、通讯等四大部分组成。下面从应用的角度对所设计的软件作一简单介绍。
　　3.3.1 主画面简洁、实用
　　该试验机开始工作时，首先需输入一些测试前数据，如轴承的型号、轴径向所能承受的Z大载荷、试验轴承的载荷谱、载荷谱循环的次数等，首页完成这些基础功能。数据输入便捷、灵活。
　　3.3.2 数据显示界面方便直观
　　在本试验机中，主要要求是对试验轴承、陪试轴承温度、振动；轴向、径向压力；润滑油的流量、温度进行测试、记录并打印。检测点较多，所以要求所测试数据的显示方便直观、一目了然。如对试验轴承、陪试轴承所测试温度以温度计和数据相结合的方式显示。所采集的振动值以图形的方式显示。图3为试验轴承部分检测数据显示界面。 　　3.3.3 设计软件数据处理功能强大
　　我们所设计的此软件对测试数据有着强大的存储、分析、处理功能。该试验机对轴承作疲劳试验，正常工作时。要求连续运转42h，对数据的处理要求较高。在本软件的数据处理中，引用了生产者/消费者程序架构，从而实现了数据的高速采集、数据的实时显
示、重要数据的分析、处理与存储功能。试验完毕，打开记录文件，可根据需要查看全部或部分测试数据，并将这些数据打印输出。
　　3.3.4 高性能串口通信
　　此测控系统选用NI PXI-8431作为串行通讯卡，通过485通讯协议，从而实现了与PLC、变频器、仪表的串行通信。与PIC通讯，可将试验轴的实际转速、各报警信号等参数传输到工控机，与变频器通讯，可通过工控机控制试验轴承的转速并读出主轴电机的电流。图4为与变频器通讯的程序示意图。 　　4　结束语
　　我们所设计的风电主轴轴承试验机可模拟1.5MW-2MW风电主轴轴承的工况，对旋转的被测轴承可同时施加变化的轴向载荷和径向载荷。运用图形化的编程语言LABVIEW，通过各硬件设施实现对试验轴承、陪试轴承承受的载荷、温度、振动、转速，润滑油的流量、油压、温度等主要参数的测量、显示、控制及打印。该NI测控系统可完成多项测试项目，并极具扩展性。
　　风电主轴轴承试验机的研制成功使用户不但能按照要求完成轴承试验，而且为风电主轴轴承的设计与改型提供重要的试验数据，为其工艺方法验证提供重要的判定依据。
　　参考文献：
　　[1]乔瑞萍,等译.LabVIEW大学实用教程[M].北京:电子工业出版社,2008.(6).
　　[2]李江全,刘思博,胡蓉.LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实践[M].北京:人民邮电出版社.
　　[3]三菱通用变频器使用手册[z].三菱电机自动化有限公司.