曾 真 * 趙子傲 柳文博 嚴(yán)藝飛

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引 言

在攪拌釜設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，通常需要對(duì)攪拌軸的強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)變形、臨界轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和相應(yīng)的校核，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中依然會(huì)出現(xiàn)攪拌軸斷裂等現(xiàn)象。導(dǎo)致這種問題的原因包括軸的強(qiáng)度不足和材料選擇不當(dāng)?shù)龋侵饕蚴菙嚢栎S在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中發(fā)生共振產(chǎn)生激振力，使攪拌軸彎曲應(yīng)力的脈動(dòng)幅值達(dá)到平均值的400%。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌軸的轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，激振力成倍放大，為了防止攪拌軸發(fā)生共振從而被破壞，測(cè)量得到攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速，并使其運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，可以極大降低攪拌軸產(chǎn)生破壞的概率[1]。使用MCGS 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量最大撓度值，可以找到攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速，進(jìn)而避免共振，降低其發(fā)生破壞的概率，延長(zhǎng)攪拌軸使用壽命。

1 攪拌軸撓度測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及組成

1.1 MCGS撓度測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

撓度通常是指梁或桿件在受彎曲作用下發(fā)生的最大位移量[2]。撓度的傳統(tǒng)測(cè)量方法為手動(dòng)測(cè)量，采用百分表或者位移計(jì)等儀器進(jìn)行直接測(cè)量[3]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，得到各測(cè)點(diǎn)的位移值及其撓度數(shù)值[4]。但是這種測(cè)量方法也存在很多缺點(diǎn)和不足，比如拆裝工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，測(cè)量精度低，并且不能應(yīng)用于測(cè)量快速旋轉(zhuǎn)的攪拌軸撓度[5]。

本文中介紹的MCGS 測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，優(yōu)勢(shì)主要在于傳感器的選擇，該MCGS 測(cè)量系統(tǒng)選用的是KD9000 系列電渦流傳感器，它是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理來設(shè)計(jì)的，通過測(cè)量傳感器探頭端面與被測(cè)物體之間相對(duì)位置，并且將機(jī)械位移或振動(dòng)幅度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，進(jìn)而得到攪拌軸的撓度[6]。其優(yōu)點(diǎn)是頻響寬，體積小，安裝和拆卸方便，精度較高，并且能持續(xù)高效、穩(wěn)定地工作，可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械等轉(zhuǎn)動(dòng)體的動(dòng)態(tài)情況，這是因?yàn)樵跍y(cè)量的過程中探頭不需要與被測(cè)件接觸，而且探頭可在多種復(fù)雜介質(zhì)中工作[7]。

1.2 撓度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

攪拌軸撓度測(cè)試系統(tǒng)裝置系統(tǒng)主要由5 個(gè)部分組成，分別為上位機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀、前置處理器、電渦流傳感器和激發(fā)電源，如圖1 所示。

圖1 攪拌軸撓度測(cè)量系統(tǒng)

該測(cè)量系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)軟件選用工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的MCGS 工控組態(tài)軟件[8]，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)測(cè)量，界面簡(jiǎn)單，操作難度較小，且可以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集儀是以多功能數(shù)據(jù)采集卡USB2010 為驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建的，并通過USB 接口與電腦相連[9]，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)，用戶可以清楚地觀察到測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況，并且計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)繪制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，完成對(duì)參數(shù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析工作。該測(cè)量系統(tǒng)能夠方便、快捷地將電渦流傳感器中變化的電壓信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，記錄在MCGS 組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)庫中，并且可以根據(jù)用戶需要將相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出為Excel文件。

2 MCGS測(cè)量系統(tǒng)制作步驟

首先應(yīng)安裝MCGS 組態(tài)軟件，同時(shí)安裝與之配套的安裝阿爾泰USB2010 驅(qū)動(dòng)程序。然后進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境中新建工程，按以下步驟于設(shè)置各個(gè)組態(tài)，設(shè)置完成后運(yùn)行軟件并觀察結(jié)果。

2.1 設(shè)定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組態(tài)

在MCGS 撓度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置中，首先應(yīng)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組態(tài)設(shè)計(jì)，這也是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組態(tài)時(shí)，應(yīng)先在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫窗口內(nèi)新增數(shù)據(jù)對(duì)象，設(shè)置撓度數(shù)據(jù)對(duì)象和相應(yīng)歷史組對(duì)象，在對(duì)象名稱中輸入“撓度”，初始值為0，小數(shù)位數(shù)為3 位，定義對(duì)象類型為數(shù)值型，存盤屬性設(shè)置為“定時(shí)存盤”，按照同樣的方法完成對(duì)歷史組對(duì)象的設(shè)置，設(shè)置完成后的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組態(tài)

2.2 設(shè)定用戶界面組態(tài)

然后在MCGS 撓度測(cè)量系統(tǒng)中完成對(duì)用戶界面的設(shè)置。用戶界面是整個(gè)撓度測(cè)量系統(tǒng)的有效載體，用戶界面設(shè)置的好壞直接影響觀測(cè)者能否清晰地觀察整個(gè)MCGS 測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在用戶界面窗口中，首先單擊“新建窗口”按鈕，完成對(duì)窗口的命名工作，雙擊該窗口進(jìn)入動(dòng)畫組態(tài)界面，對(duì)交互界面進(jìn)行繪制，在MCGS 自帶的工具箱內(nèi)選擇相應(yīng)的元件來對(duì)整個(gè)撓度測(cè)量系統(tǒng)的所需數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示畫面組態(tài)。輸入文字為“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”，在“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”下方插入1 行2 列的自由表格，并在其中1 個(gè)表格中輸入文字“撓度”，使另外1 個(gè)表格與“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”庫組態(tài)中的“撓度”相連接，在用戶界面中就可以清晰地觀察到攪拌軸撓度的變化情況，在工具欄中插入實(shí)時(shí)曲線，就可以更直觀地看到撓度的變化情況。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線屬性中設(shè)置X 主劃線，X 次劃線，Y 主劃線和Y 次劃線的數(shù)目及顏色，在畫筆屬性中把曲線1 和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫組態(tài)中的撓度相關(guān)顏色改為紅色，這樣可以更清晰地觀察撓度的實(shí)時(shí)變化情況。添加歷史表格，就可以觀察到之前測(cè)量的撓度值并且能夠和現(xiàn)在測(cè)量得到的撓度值進(jìn)行對(duì)比。添加按鈕，在按鈕的基本屬性設(shè)置中，修改按鈕標(biāo)題為“刪除歷史記錄”，這樣可以清除歷史數(shù)據(jù)庫，使得每次存盤的數(shù)據(jù)都是當(dāng)前的數(shù)據(jù)，使分析更加簡(jiǎn)便，設(shè)置完成后的界面如圖3 所示。

圖3 用戶界面

2.3 設(shè)定設(shè)備組態(tài)

設(shè)備組態(tài)是MCGS 撓度測(cè)量系統(tǒng)的核心，也是其與外部設(shè)備連接的通道，設(shè)備組態(tài)的設(shè)計(jì)好壞直接影響到系統(tǒng)是否可以準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，設(shè)置設(shè)備組態(tài)的關(guān)鍵在于采集板卡中USB2010 的安裝及使用。在設(shè)備窗口界面中雙擊“設(shè)備管理”按鈕，選擇采集板卡中的阿爾泰USB2010 作為驅(qū)動(dòng)程序，通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其中數(shù)據(jù)變化最明顯的通道，并把該通道設(shè)置為輸出通道。在實(shí)際模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，通道4 數(shù)據(jù)變化最為明顯，所以把通道4設(shè)置為撓度輸出通道。

2.4 運(yùn)行策略組態(tài)

運(yùn)行策略組態(tài)是MCGS 撓度測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)方案直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的保存和分析，因此可以對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)將要運(yùn)行的流程予以控制[10]。通過插入運(yùn)行策略行可以使系統(tǒng)執(zhí)行某項(xiàng)操作。對(duì)運(yùn)行策略組態(tài)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)在“循環(huán)策略塊”下面的“策略組態(tài)窗口”中設(shè)置一定的時(shí)間進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，添加1 條策略行并將工具箱中的Excel報(bào)表輸出構(gòu)件添加到該策略行上，在Excel 報(bào)表設(shè)置中選擇數(shù)據(jù)保存的Excel 工作表。

3 測(cè)試注意事項(xiàng)和結(jié)果分析

3.1 測(cè)試注意事項(xiàng)

在實(shí)際測(cè)試前，應(yīng)該先觀察設(shè)備是否正確連接，確保設(shè)備正常運(yùn)行，觀察金屬探頭和被測(cè)軸之間的位置，并調(diào)整金屬探頭和被測(cè)軸之間的距離，一般為0.4～1 mm，如果距離小于0.4 mm，測(cè)軸和金屬探頭會(huì)碰撞造成系統(tǒng)誤差，如果距離大于1 mm，就會(huì)超過MCGS 系統(tǒng)的測(cè)量范圍，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

3.2 測(cè)試結(jié)果和分析

為了測(cè)試MCGS 測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，同時(shí)測(cè)量攪拌軸的撓度，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量以水為溶液的反應(yīng)釜攪拌軸在20～380 r/min 條件下的撓度，圖4所示為150 r/min 時(shí)空轉(zhuǎn)攪拌軸撓度的測(cè)量結(jié)果，圖5 所示為20 r/min 時(shí)攪拌軸撓度的測(cè)量結(jié)果，圖6 為380 r/min 時(shí)攪拌軸撓度測(cè)量結(jié)果。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，攪拌軸較速為20～380 r/min 時(shí)其撓度相對(duì)較小，較速為150 r/min 左右時(shí)，其撓度出現(xiàn)峰值，震動(dòng)頻率陡然上升。通過重復(fù)多次測(cè)量， 150 r/min 為攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速，通過理論計(jì)算可以得到，其臨界轉(zhuǎn)速為149.4 r/min，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖4 150 r/min攪拌軸撓度測(cè)量

圖5 20 r/min攪拌軸撓度的測(cè)量

圖6 380 r/min攪拌軸撓度測(cè)量

4 結(jié)論

基于MCGS 撓度測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行探究，采用電渦流傳感器開發(fā)的MCGS 撓度測(cè)量系統(tǒng)可以清晰觀測(cè)到攪拌軸的瞬時(shí)撓度值，通過觀察實(shí)時(shí)曲線和歷史數(shù)據(jù)可以分析撓度的變化情況，數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果反映良好，Excel 報(bào)表輸出正常，并分析了在反應(yīng)釜中介質(zhì)為清水時(shí)攪拌軸的撓度變化情況，從而分析出攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速為 150 r/min，而且實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值相差不大，也進(jìn)一步說明了MCGS測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，穩(wěn)定性好，可以進(jìn)行推廣和使用。