某大型減速器運(yùn)行工況及其過渡過程的測試

某大型減速器運(yùn)行工況及其過渡過程的測試

一、引言

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的測試中，除了常見的溫度、壓力信號需要測試外，轉(zhuǎn)速、扭矩及功率因是衡量不同工況工作的關(guān)鍵指標(biāo)，也占據(jù)著重要地位，有時為了潤滑、冷卻的需要，流量參數(shù)的測試也會受到關(guān)注。這樣一來，需測試的通道數(shù)不僅增多，而且信號的種類也趨多樣化，從而使整個測試系統(tǒng)的構(gòu)建亦變得復(fù)雜起來。本文介紹的某大型減速器的測試，正是這類測試中極具代表性的一個，它除了要實(shí)現(xiàn)不同工況下的監(jiān)測外，還要完成從一個工況過渡到另一個工況的測試，后者對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的出廠實(shí)驗(yàn)是非常重要的。

二、測試方案

當(dāng)被測通道信號頻率較高時，通常用測頻法，其原理如圖1所示，圖2示出了測頻工作波形。圖1中時基電路產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時基信號2，經(jīng)過門控電路后轉(zhuǎn)化為門控信號3，該門控信號在T1時間內(nèi)開通閘門，使加在閘門輸入端的被測信號fx即1通過閘門，得到被計(jì)數(shù)的方波4，進(jìn)而送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；門控信號3在T2時間內(nèi)則會關(guān)閉閘門，禁止被測信號1通過閘門，從而禁止計(jì)數(shù)，同時計(jì)算機(jī)或微處理器則可利用該時間T2從計(jì)數(shù)器中取出所計(jì)的脈沖個數(shù)Nf，并作相關(guān)操作，為下一次計(jì)數(shù)做好準(zhǔn)備；當(dāng)已知時間T1及所計(jì)的脈沖個數(shù)Nf時，可由式fx=Nf/T1算得被測信號的頻率。當(dāng)T1一定時，若被測信號fx逐漸變小，Nf的值也會隨之減小，則采用測頻法引起的±1誤差就會越來越大，當(dāng)fx低于一定值時，±1誤差可能會大得不能容忍，這時則應(yīng)選用測周法[1]。

測周原理方框圖如圖3所示，圖4示出了測周工作波形示意圖。因待測信號Tx的占空比不一定相等，故在門控電路中用二分頻電路盡可能地將其轉(zhuǎn)換為等占空比的方波3，然后去控制閘門，當(dāng)閘門開通時，經(jīng)分頻器得到的時標(biāo)脈沖1則會通過閘門，得到波形4，并送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，如計(jì)數(shù)值為NT，則Tx=NT*Ts，從而可計(jì)算出待測信號頻率fx=1/Tx；因?yàn)榇郎y信號頻率fx較小，故Tx較大，而時標(biāo)脈沖1的頻率可以很高，所以NT的值可以很大，即可使±1誤差減小，這樣就提高了待測信號的測量精度。

三、并行、多通道頻率信號測試的設(shè)計(jì)思想

基于上述測頻、測周原理，我們提出了一種并行、多通道頻率信號的測試方法，其設(shè)計(jì)思想為：在時間T內(nèi)，無論是測頻通道，還是測周通道，均要進(jìn)行一次完整而有效的計(jì)數(shù)，并且將各通道計(jì)數(shù)結(jié)果用中斷的方式快速地取出。其工作波形如圖5所示，為了討論簡單且不失一般性，圖中只給出了兩路并行輸入的頻率信號，其中一路被測信號fXH的頻率較高，用測頻法；另一路TXL頻率較低，考慮用測周法。時間T為每次測點(diǎn)的間隔，它決定了采樣率，T1為實(shí)際允許計(jì)數(shù)的時間限，T2為CPU中斷讀取各通道計(jì)數(shù)值及進(jìn)行相關(guān)操作的時間。因測頻、測周的門控信號互不相同，為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想，其關(guān)鍵在于各自門控信號的設(shè)計(jì)。

相比較而言，測頻通道門控信號的設(shè)計(jì)較簡單，可直接用時標(biāo)波形TC來合成，使其在T1時間內(nèi)開通計(jì)數(shù)，在T2時間內(nèi)引發(fā)CPU中斷，以讀取所有通道計(jì)數(shù)值，并進(jìn)行相關(guān)操作以準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)；很顯然，若采樣率一定，即測點(diǎn)的時間間隔T一定時，為了提高測頻精度，應(yīng)盡量增加T1時間，減少T2時間，但T2最小不能小于CPU執(zhí)行中斷程序所需的時間；因時標(biāo)波形TC可由標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖Tclk經(jīng)定時/計(jì)數(shù)器8254分頻得到，所以T2正好為標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖信號Tclk的一個時鐘周期，故調(diào)整Tclk的頻率，即可改變T2的值。

對于測周通道，要在每次間隔時間T內(nèi)也完成一次采集，必需在時標(biāo)波形TC的T1時間內(nèi)，對測周通道進(jìn)行一次完整而有效的計(jì)數(shù)，以便在T2時間內(nèi)，計(jì)算機(jī)能讀取其計(jì)數(shù)值，并為下一時間T內(nèi)的采集做好準(zhǔn)備。因?yàn)門XL在T1時間內(nèi)可能有一個或多個完整的Tx到來，且Tx到來具體個數(shù)是不可預(yù)知的，所以不能直接用TXL來合成測周通道的門控信號。為了保證測周通道計(jì)數(shù)的有效性，其門控信號應(yīng)滿足如下條件：即在T1時間內(nèi)，無論被測信號TXL來了多少個Tx，應(yīng)僅僅只在一個完整的Tx時間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

四、應(yīng)用舉例

根據(jù)上述思想，并針對某大型減速器的性能測試要求，我們設(shè)計(jì)了一基于ISA總線的八通道、并行頻率信號采集卡，以組成并行、多通道頻率信號測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)要求能進(jìn)行過渡過程測試和穩(wěn)態(tài)監(jiān)測，其測試精度要求為%。其中采集卡上設(shè)計(jì)有兩路測頻通道，兩路測周通道，另有四路同時測頻、測周通道，用以分別測兩路扭矩、兩路流量及四路轉(zhuǎn)速信號。經(jīng)綜合考慮，兩路測周通道時標(biāo)脈沖TS取為250KHz。四路轉(zhuǎn)速測周時的時標(biāo)脈沖TS取為。因現(xiàn)場條件惡劣，干擾大，所用傳感器均為頻率輸出型傳感器，其分別為：

1）、測輸入轉(zhuǎn)速、扭矩選用的是：JN338系列轉(zhuǎn)矩傳感器，它能同時輸出轉(zhuǎn)速、扭矩信號，其中轉(zhuǎn)速信號為50Hz~的脈沖方波，扭矩信號為5KHz~15KHz的脈沖方波。

2）、測流量選用的是：LWGY型渦輪流量傳感器，其輸出信號頻率為40Hz~450Hz。

3）、測輸出轉(zhuǎn)速選用的是：SZMB型轉(zhuǎn)速傳感器，其輸出信號頻率為50Hz~5KHz。

在進(jìn)行過渡過程測試時，其采樣率要求每秒8點(diǎn)，即要求采樣間隔T為，因計(jì)算機(jī)讀取各通道計(jì)數(shù)值及作相關(guān)操作還需一定時間T2，若分配給T21mS(實(shí)際測得只需約70μS)的時間，則T1只有，為此我們可以在保證其測量精度%的前提下，得出各通道的測量范圍：à、兩路測頻信號的測試范圍為：~KHz；á、兩路測周信號的測試范圍為：25Hz~500Hz；?、四路測頻、測周的測試范圍為：39Hz~KHz。

對于穩(wěn)態(tài)測試而言，要求每5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，為此我們實(shí)際采樣率設(shè)為每4秒測一點(diǎn)，這樣在5分鐘內(nèi)可采樣75點(diǎn)，然后取其平均值作為一次記錄數(shù)據(jù)。此時，T為4S，T2仍取1mS，則T1為，同理可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)測試時各通道的測量范圍：à、兩路測頻通道(扭矩)的測試范圍為：126Hz~；á、兩路測周通道的測試范圍為：~500Hz；?、四路測頻、測周通道的測試范圍為：39Hz~。

現(xiàn)在該測試系統(tǒng)已投入正常運(yùn)行，測試精度完全達(dá)到了預(yù)期的要求。

五、結(jié)語

本文所介紹的并行、多通道頻率信號測試方法，明顯具以下優(yōu)點(diǎn)：

1、不僅能進(jìn)行并行、多通道頻率信號測試，且僅只占用一個系統(tǒng)中斷資源。文獻(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)雙通道的測試，每通道就占用了一個中斷，這在通道數(shù)少的情況下是可行的，如果通道數(shù)較多，由于系統(tǒng)可用中斷資源有限，這顯然是行不通的。此外，因本文設(shè)計(jì)的多通道采樣是由硬件電路通過時標(biāo)Tc統(tǒng)一來控制的，在時間上為等間隔采樣，所以可不用作任何數(shù)學(xué)處理，即可將多通道的測試數(shù)據(jù)同時顯示在一個時域窗內(nèi)，以便于分析、比較各通之間的相互關(guān)系。

2、測試范圍顯著增大。雖然變M法能拓寬測頻范圍，但其拓寬的僅是高頻端，因它實(shí)質(zhì)上仍只是測頻法，受