LJ-2型离心机改造

2010-06-08邓志刚牛宝良黎启胜

航天器环境工程 2010年5期

陈洪，邓志刚，庄志，牛宝良，黎启胜

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）

0 引言

LJ-2型离心机在1997年由中国工程物理研究院总体工程研究所研制，其有效半径7 m，最大使用加速度150 g，最大载荷3 500 kg，用于航天器、导弹和飞机等的加速度环境模拟和气动力与离心力自动协调控制系统（以下简称协调加载系统）一起使用还可以模拟航天器受到的加速度和气动力复合环境。通过试件内的传感器获得上述环境作用下的响应，对试件的结构或性能的环境适应性做出评价。

近年来，该离心机存在电子元器件老化和故障增加；包括因上下锥法兰与筒体安装问题所导致的筒体旋转困难，离心机臂架测试电缆及信号集流环部分损坏等，已严重地影响机器的正常使用。

针对存在的问题对拖动控制系统进行了改造，在保持原有能力的基础上，增加了光纤通讯和液压旋转接头系统，增加了向离心机输送液压油的能力。

1 实施技术路线

本次改造重点针对拖动控制系统，将PLC、数字直流调速器等技术引入系统中，将PLC、数字直流调速器、测量系统和协调加载系统组成网络，网络结构如图1所示。增加了光纤通讯和液压旋转接头等措施，扩展了本离心机的能力。对离心机主体、机械传动系统及其润滑系统、直流电动机和整流变压器将不做大的改动，可适当做局部改动。

图1 系统网络结构Fig.1 The system net structure

1.1 拖动控制系统

LJ-2型离心机主驱动电机为 Z560-1直流电动机，额定功率900 kW，额定电枢电流1 455 A，额定转速1 000 rpm，电枢电压660 V，励磁电流8.83 A。

以ABB公司的DCS800四象限数字直流调速器取代 SSD590单象限直流调速器，输出额定电流1500 A，电压690 V；DCF803励磁模块最大输出电流 35 A；DCS800对应电机额定转速的给定和反馈数量为20 000 r/min，比原SSD590的转速提高了 20倍。离心机转速给定由主控计算机或 HMI通过以太网发送到PLC，PLC再通过DeviceNet传递给 DCS800，取代了以前的数字/频率和频率/电压转换模拟电路，转速给定精度大大提高，工业以太网具有很高的可靠性。转速反馈取自于与直流电动机同轴的长线驱动型编码器，分辨率为2 048。

PLC根据主控计算机或触摸屏指令完成润滑系统、直流电机风机、交流断路器、直流调速器和离心机转速等的控制，状态监测和故障诊断以及处理均由 PLC和数字直流调速器自动完成；取代了以前多个操作台和大量的继电器，提高了系统的自动化程度。

PLC为Rockwell 公司的SLC500/05型号，配置如下。

1）CPU：1747-L551C；

2）数字量输入模块：1746-IB16，2块；

3）数字量输出模块：1746-OW16，1块；

4）温度测量模块：1746-NR4，1块；

5）DeviceNet扫描模块：1746-SDN，1块。

采用 Delphi7.0软件自主开发了主控程序、PLC程序和HMI程序。主控程序集离心试验参数设置、辅助设备控制、设备状态监测和离心机运行数据库于一体。显示离心加速度、切向加速度、离心机转速、离心机 3个支撑轴承温度、直流电动机的温度和其他运行主要参数，显示离心加速度、离心机转速和电动机电流-时间曲线，查看设备运行状态。可以根据不同试验要求，设置离心机转速的上升/下降斜率。具有随时保持当时离心加速度和随时快速停机的功能。

在不影响离心机运行的情况下，可以由主控计算机切换到HMI控制。

直流电动机电枢电感只有 0.217 mH，为了提高直流电动机的转速稳定性，按电力变流理论在电枢回路中增加了干式平波电抗器（电感 3.3 mH）以限制整流输出的脉动，确保低速时输出电流连续。但又考虑到干式平波电抗器易受环境湿度影响而使电机电枢的绝缘降低，在实际改造中没有采用平波电抗器，而是在电流上环采用了自适应控制技术。改造后的实际运行表明低速时转速稳定性很好，证明了自适应控制技术的有效性。

1.2 机械系统

机械系统保留离心机主体、直流电动机与离心机主轴之间的机械传动系统等不做改动，并保留减速箱和离心机主轴承的润滑系统不动。为了向离心机输送液压油，需要对某些结构做改动；为了实现光纤通讯，也需要对某些局部做改动。

图 2为试件在离心机上的安装示意图。轴套固定在臂架上，耳轴与筒体根据试验要求旋转使试件转向与臂架水平线成某一角度α后锁紧轴套，轴套抱住锥形耳轴与筒体，将试件固定在离心机上。由于轴套与耳轴依靠摩擦力固定，筒体可以绕臂架中心线作360°旋转。

图2 安装示意图Fig.2 Test item installation diagram

耳轴与轴套表面损伤是导致筒体转动不畅的原因。测量得到筒体的上止口最大正偏差为0.35 mm，最大负偏差为-0.20 mm；下止口最大正偏差0.39 mm，最大负偏差为-0.06 mm，显然发生了变形。通过对筒体上止口最高点切削0.35 mm，下止口切削 0.39 mm的处理，解决了上、下锥法兰与筒体安装困难的问题。

此外，设计改装了位于离心机臂架中心部位以上的辅助系统，主要包括底座、仪器支架、空心轴、液压旋转接头、信号集流环、功率集流环和光纤旋转接头等。空心轴内径由80 mm增大到120 mm，以满足增加了的油管和电缆空间要求。仪器支架由以前的下大、上小的两层圆形板，改为上下一样面积的更大的正方形板，安装的仪器更多，安装更方便。离心机上旋转中的油管、电缆和光缆分别通过液压旋转接头、集流环和光纤旋转接头转接实现与地面静止的油管、电缆和光缆连接。

增加了向离心机及试件输送液压油的油源输送系统。油源具有 3路输出（1路的流量为100 L/min，2路的流量为 20 L/min）和一路回油，额定压力21 MPa。

1.3 测量系统

测量系统指对离心机中试件的位移和应变等进行测量。

为了提高数据采样率和数据传输的抗干扰能力，以及将来在离心机上开展振动试验研究的需求，增加了双通道多模光纤旋转接头、光缆和交换机，实现了离心机上仪器与地面计算机的光纤通讯，带宽100 MHz。

更换臂架内测试电缆、靠近筒体处的传感器接插件和离心机轴附近的仪器接插件。臂架内测试电缆由 400根扩容到 520根，可以同时实现测量应变（三相片）测点 60个和位移测点 40个的测量。

信号集流环由 32个通道扩大到50个，并增加 20个通道的功率集流环，其中 10个通道容量为10 A、380 V，另10个通道容量30 A、380 V，为大容量用电设备的离心试验提供了条件。以金属集流环取代碳刷接触集流环，使信号和功率集流环小巧、全封闭、免维护。

1.4 气动力与离心力自动协调控制系统

保留该系统，但离心加速度由以太网通过PLC获得，更换并重新铺设了位于离心机上的气管。

2 验收

2.1 离心机运行指标

在筒体上安装两个总质量888 kg的圆板，以开展离心机的运行调试验收试验。检定数据如表1所示，加速度时间曲线见图3。

表1 转速检定数据Table 1 Rotation speed data of verification test

图3 200 g加速度-时间曲线Fig.3 The curve of 200 g acceleration-time

表1中，最后一级（即设定加速度为200.389g）保载480 s，其他各级保载120 s。图3中还有0.50g一级也保载120 s，由于与200.39g相差太大，图中看不出这一级。在降到约165g时，点击“快速停机”后加速度下降更快了。由图3可见，离心机从静止到200.39g只需要1 040 s（除去保载时间）。为了抑制超调，只是在接近设定加速度时才逐渐放慢转速斜率，超调量不到0.28g，加速度控制精度也大大提高。

在筒体上、下端各安装了一个锥法兰（两个法兰的总质量1 440 kg），在法兰内再安装固定质量为2 100 kg的试件，筒体上的安装总重量达3 540 kg。再进行验收试验，其检定数据见表2。