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轮盘低循环疲劳试验器自动控制系统的开发

黎晓宇;宣海军;凡非龙;李国强

【摘要】利用高速旋转试验设备进行轮盘低循环疲劳试验是开展轮盘疲劳寿命及

损伤容限性能研究的有效手段.为确保此类试验器能够长时间稳定运行,开发了1套

可靠的、无人值守的自动控制系统,以触摸屏为人机接口(HMI)完成试验参数的设置,

以可编程逻辑控制器(PLC)为主站控制设备启停及转速循环,监测系统采用工控机

(IPC)完成数据显示和保存,并采用第3方控件实现IPC和PLC的串口通信.测试结

果表明:该控制系统稳定性高、可靠性好,完全满足设计要求.

【期刊名称】《航空发动机》

【年(卷),期】2013(039)005

【总页数】4页(P18-21)

【关键词】高速旋转试验器;轮盘;低循环疲劳试验;自动控制系统;人机接口;可编程

逻辑控制器

【作者】黎晓宇;宣海军;凡非龙;李国强

【作者单位】浙江大学工学部高速旋转机械实验室,杭州310027;浙江大学工学部

高速旋转机械实验室,杭州310027;浙江大学工学部高速旋转机械实验室,杭州

310027;浙江大学工学部高速旋转机械实验室,杭州310027

【正文语种】中文

低循环疲劳是影响和限制轮盘使用寿命的最重要因素[1]。国外轮盘低循环疲劳寿

命设计分析方法是建立在大量材料和轮盘低循环疲劳试验基础上的，有丰富的试验

数据支持，设计准确度较高[2]。早在20年前，美国PW公司开发的轮盘低循环

疲劳寿命设计系统具有15000个材料试验数据和1500个轮盘低循环疲劳试验数

据支持，设计系统得到美国联邦航空局认可[3]。实践表明，疲劳寿命分散性较大，

必须理论结合试验才能进行较准确地定量分析[4]。用于轮盘低循环疲劳的试验器

已在多国研发。德国Shenck、美国TDI等公司有成熟产品，但引进国外设备价格

昂贵且维修周期长。目前，国内仅有不超过10台均从国外引进的在役试验器并分

散在多家科研机构，自行研发的只有1台SB804型转子高温低循环疲劳试验器[5]，

远远不能满足中国航空发动机轮盘低循环疲劳寿命分析方法和损伤容限性能研究的

试验需求。

浙江大学高速旋转机械实验室立足自主创新，研发ZUSTD系列下立式轮盘高温低

循环疲劳试验器，寻求突破该领域内的试验技术瓶颈。完成每件轮盘的低循环疲劳

试验需要试验机在无人值守的情况下经历几天甚至几十天连续运行，且对转速等试

验参数的控制要求极为严格。

本文介绍了为该疲劳试验器开发的1套性能可靠的自动控制系统。

ZUST6D型试验器（如图1所示）采用45kW直流电机驱动，第1、2级增速分

别由高速皮带和齿轮完成。电机最高转速为3000r/min，总增速比为20，主轴最

高转速为60000r/min，允许试验件最大直径为500mm，最大质量为50kg。

为模拟航空发动机轮盘工况下的温度载荷，采用陶瓷纤维加热箱实现均温试验环境。

与感应加热和径向及轴向分布式加热方式不同，该方法的优点是结构简单、容易实

现。其工作原理为电阻丝辐射加热，配备高精度控温柜，最高控温可达800℃。

为避免高温环境影响其他结构运行，在炉体和试验器腔盖之间设有循环水冷却板。

采用振动监测分析试验器运行的状态。振动监测能预测轮盘裂纹的萌生与扩展[6-

7]，通过监测振动的异常突变，可以及时发现轮盘长裂纹的产生并停车，从而避免

给设备造成不必要的损失。美国TDI已将此技术应用到喷气式发动机转子裂纹扩

展监测中[8]。

低循环疲劳试验的转速加载方案如图2所示。其中，n1、n2为上、下限转速；

t1～t4分别为试验升速、上限保载、降速和下限保载时间。按轮盘低循环疲劳试

验要求，下限转速一般为上限转速的5%～10%[9]。各参数根据不同试验要求设

定，控制系统根据此加载方案完成疲劳试验，达到设定循环次数后自动停机并进行

数据分析，形成试验报告。控制系统不仅要求能够实现各被控设备的开停，还需在

试验器运行过程中对转速、振动、真空度、试验件温度、油压、油温等关键参数实

现精确控制和实时监测。在试验件出现异常情况或试验设备发生故障时，根据实测

参数判定试验件爆裂、真空度不足、油压过低、振动超限等故障类型，实现安全停

车，避免事故发生，并在监控软件界面上显示故障编号，提示解决方案。

3.1硬件结构设计

为确保试验机能够长时间连续运行，系统采用触摸屏为上位机、PLC为下位机的

结构。