基于LabVIEW的透平动叶装配冲击检测与研究

王佳茂，于忠海，辛绍杰，黎彭辉

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海电机学院 机械学院，上海 201306)

透平动叶装配方法及工艺对转子的性能及寿命至关重要[1-2]，动叶装配过程要求工具具有适当的冲击，使填隙条塑性变形胀紧叶片，同时要求叶根之间紧密相贴并伴有一定的扭转量，以缓解转子工作过程中的振动问题[3-4]。对于透平动叶装配冲击载荷的检测，目前尚没有合适的解决方案，因此也无法指导装配工艺的改进和工具的升级。本文基于LabVIEW虚拟仪器设计了一套检测系统，并对装配冲击进行检测，给出了硬件设计和程序开发，使用应力应变测量技术，实现了对透平动叶装配冲击的检测。

1 总体方案设计

本文基于虚拟仪器[5-6]和应力应变测量技术设计了透平动叶装配冲击检测系统[7]，以实现动叶装配的冲击检测研究。设计了一套悬臂式机械装置，悬臂设计为电阻应变式传感器，承受冲击载荷时，悬臂发生应变，继而表现为电阻变化，电桥输出电压，经电压变送器对信号进行调理和放大后，由高速采集卡高频采集信号，上传至上位机由LabVIEW进行处理。系统包括了标定和检测两部分，在测试装配冲击前先进行系统标定，然后进行检测。系统原理如图1所示。

图1 系统原理图

2 硬件设计及实现

2.1 电桥设计

在检测冲击载荷时，设计使用的悬臂式电阻应变传感器，其变形形式主要为弯曲应变，因此设计电桥的连接形式为半桥，即所搭建的电桥上面的4个桥臂中，只有两个桥臂上连接有应变片，而剩下的两个桥臂上连接的则是阻值不发生变化的电阻，仅起到连通电路的作用。半桥输出电压相比较于单臂增加了1倍，能够有效消除拉压影响。如图2所示，其中R1和R2为350 Ω电阻BX120-3AA应变片，R3和R4为阻值330 Ω的RX24黄金铝壳电阻，U为激励电压，U0为电桥输出电压。

图2 电桥连接形式

2.2 传感器设计

悬臂式电阻应变传感器[8-9]的悬臂部分，使用强度和刚度足够的45钢，经退火、正火处理后，具有一定的韧性，承受冲击载荷时的弹性变形满足要求。悬臂需使用丙酮溶液进行表面清洁，尤其对于测点表面着重清洁，在其上下表面指定位置划线定位，分别贴两个应变片，使用502胶保证其牢固性，使应变片与被测表面紧密粘合，贴好后检查有无气泡、歪斜、脱胶等现象。之后经端子焊接，将应变片与电阻用导线连接搭建好电桥之后，用万用表检测电路是否连通，有无断路、虚焊等情况，用703硅橡胶将其固化封装保护，制成性能足够的、透平动叶装配冲击检测专用的应变式传感器，其工作原理如图3所示。

图3 应变式传感器工作原理示意

将制好的悬臂应变式传感器，夹持到专用机械装置上，如图4所示，将悬臂插入方铁基座的开槽中，调整好位置，用M10螺钉进行紧定锁紧，供冲击检测试验使用。

图4 悬臂式电阻应变传感器机械装置图

2.3 数据采集系统

检测系统主要由悬臂机械装置、电桥、电压变送器、高速采集卡[10]和上位机组成，数据采集系统示意如图5所示，硬件连接如图6所示。电压变送器采用欧米茄DMD4059系列M-5000/1111电压变送器来调节信号，DMD4059性能卓越，最多可同时驱动4个电桥。在本系统中，将电桥的输入端与DMD4059的10和12端口连接，输出与9和11端口连接，一方面为电桥提供激励电压，使其能够正常工作；另一方面对电桥输出的信号进行调理和放大至0～5 mV范围，使信号能被高速采集卡所采集到。高速采集卡采用欧米茄DAQ-2416 M4803，OMB-DAQ-2416是一款优秀的16通道数据采集器，最高采集频率可达20 000 Hz，本系统使用CH0通道进行数据采集，DMD4059的3和4端口为信号输出端，在与OMB-DAQ-2416连接进行信号传输时，DMD4059的3端口为负极，与OMB-DAQ-2416的GND端连接，DMD4059的4端口为正极，与OMB-DAQ-2416的CH0H端口相连，信号经CH0通道被采集传至上位机，由LabVIEW编程实现可视化窗口，进行传感器的标定工作和透平动叶装配[11-12]冲击的检测工作。

图5 数据采集系统示意图

图6 数据采集系统硬件连接图

3 LabVIEW程序开发及数据采集

基于LabVIEW虚拟仪器设计一套可视化的透平动叶装配检测解决方案，分别设计了标定系统和冲击检测系统，在LabVIEW前面板上通过控制选板放置多个可视化控件，包括指示器和控制器，在实验中运行程序时，可以直接在输入控件上显示输入数据并经显示控件显示运算输出，形成友好的人机交互界面。在后台程序面板上，采用数据流编程方式，通过函数选板创建G语言图形化程序，设计连接端口，实现VI子程序与VI主程序之间的数据传递。

3.1 基于LabVIEW实现系统标定

为实现标定数据的可视化窗口，在前面板设置有电压通道，电压最大值最小值调节按钮，5组输入压力与输出电压的标定数据记录，后台程序设计根据最小二乘法原理，将标定数据进行拟合，计算截距及斜率，从而得到传感器输入输出特性，完成对检测系统的标定。可视化系统标定窗口面板如图7所示，LabVIEW实现程序如图8所示。

图7 系统标定窗口

图8 LabVIEW实现程序

3.2 基于LabVIEW实现冲击检测

在冲击检测面板中设置了可以根据需要调节的样本数量和采样频率，同时可以选择系统所使用的物理通道，在透平动叶装配冲击检测实验研究中，设置每秒钟采集 1 000个点，在显示面板中呈现样本电压变化图及峰值。冲击检测窗口面板如图9所示，对应的LabVIEW实现程序如图10所示。

图9 冲击检测窗口

图10 LabVIEW实现程序

4 实验结果

进行装配冲击检测时，首先对系统进行标定。使用大质量砝码对所设计的测试系统进行标定时，输入载荷与输出电压的对应关系如表1所示。

表1 标定输入载荷与输出电压关系

将标定数据使用最小二乘法进行拟合，拟合结果如图11所示。

图11 传感器特性拟合曲线

在检测透平动叶装配冲击时，使冲击载荷加载于机械装置的悬臂前端，系统即可自动采集输出电压，从而对应得到冲击载荷的具体数值，在现场实验中，使用高压第三级预扭动叶[13-14]装配工具进行冲击检测，在填隙条装配冲击检测中测得冲击载荷峰值为600 N，检测结果与理论值相近似，因此在误差允许的情况下，系统可以有效的检测透平动叶装配冲击，检测结果具有很高的参考价值，可以指导动叶装配工艺及工具的改进和升级[15]。

5 结束语

本文设计了一套透平动叶装配冲击检测系统，并对装配冲击进行检测和研究，基于应力应变测量技术给出了硬件设计及数据采集方案，基于LabVIEW虚拟仪器使用G语言完成程序开发，实现了对透平动叶装配冲击的检测，经实验验证了系统的有效性。本文所设计的机械悬臂可以根据需要自由更换不同强度刚度

的材料，实现对不同等级的装配冲击的检测，在一定程度上指导了透平动叶的装配，为动叶装配工艺升级及工具设备改进提供了参考。