裝配圖風機狀態(tài)測試系統的總體設計
裝配圖風機狀態(tài)測試系統的總體設計,裝配,風機,狀態(tài),狀況,測試,系統,總體,整體,設計
風機狀態(tài)測試系統的總體設計
摘要
風機狀態(tài)測控系統是在風機運轉的過程中，實現風機性能基本參數的采集、分析、計算風機性能參數并繪制性能曲線(流量——全壓曲線、流量——功率曲線、流量——效率曲線)并通過采集與處理的信號信息對風機的轉速的變頻調速控制的過程。風機性能試驗對于成品的檢驗和新產品的設計開發(fā)都至關重要，特別是對于大型、特型風機以及單件、小批量而且氣流特性有特殊要求的情況，性能試驗尤為重要。目前，我國風機性能檢測大多以手工為主，存在試驗手段落后，勞動量大和測試結果不準確等缺點。采用先進的虛擬儀器技術，將傳感技術、儀器技術和測試技術結合起來，進行風機性能參數的自動檢測，試驗數據的自動處理和性能曲線的自動繪制是本文研究的重點。
本文采用虛擬儀器技術，進行了風機性能試驗自動測試系統的硬件及軟件設計。硬件上在風機機械結構基礎上采用壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器檢測各試驗數據，實現了試驗數據的自動采集;利用變頻調速技術控制變頻調速器輸出信號的頻率，實現了風機轉速的自動調節(jié)。軟件上在Labview虛擬儀器開發(fā)平臺上，采用模塊化設計方法，實現了采集信號的實時顯示、控制信號的準確輸出、試驗數據的正確處理及應用最小二乘法對性能參數進行擬合從而實現了性能曲線的自動繪制。整個系統具有界面友好、操作方便、功能齊全等優(yōu)點，試驗結果表明研制基于虛擬儀器的風機性能自動測試系統，增加了試驗過程的穩(wěn)定性，避免了人為的讀數誤差、計算誤差以及相關數據不能同時記錄所引起的試驗結果的偏差.提高了測試精度和試驗效率?？蓮V泛應用于科研院所和風機生產廠家，具有較高的推廣與應用價值。
關鍵詞：風機性能；風機測試；風機控制；虛擬儀器；數據采集；Labview。
Abstract
Fan Performance measurement and control system is functioning in Blower in the process of achieving fan of the basic parameters of the collection, analysis, calculated performance parameters and the mapping of fan performance curve (flow - all of pressure, flow - power curve, traffic - the efficiency curve) And through acquisition and processing of signals to the speed of the fan VVVF control of the process. Fan performance test for the finished product testing and new product design and development are crucial, especially for large, special-fan and a single, small volume and flow characteristics of the special requirements of the situation, the performance test is particularly important. At present, China's Fan Performance testing mostly manual-based, test means there behind, and the labor of inaccurate test results and other shortcomings. Using advanced virtual instrument technology, sensor technology, instrumentation and test technologies, a fan performance parameters of automatic detection, automatic processing of test data and performance of the automatic drawing is the focus of this paper.
In this paper, virtual instrumentation, a fan of automatic test system tests the hardware and software design. Hardware on the use of pressure sensors, pressure sensors and torque sensors detect the test data, and the test data collected automatically the use of Frequency Control Technology Control VVVF output signals in the frequency, the fan speed to achieve the automatic adjustment. In Labview software development platform virtual instrument, the modular design, and the acquisition of real-time signal that the exact output control signals, the test data processing and application of the correct method of least squares fitting parameters to achieve the performance Curve of automatic drawing. The entire system is user-friendly, easy to operate, fully functional advantages, test results showed that the development of virtual machines based on the fan performance automated test systems, to increase the stability of the trial process, to avoid the artificial reading error, error and related data can not be Records of the test results caused by the deviation. Improve the accuracy of the test and test efficiency. Can be widely used in scientific research institutes, and fan manufacturers, and the promotion of high value.
Key words: Fan performance; Fan testing; fan control; virtual instruments; data collection; Labview.
目錄
摘要（中文）-------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
（英文）--------------------------------------------------------------------------------------Ⅱ
第一章 概述------------------------------------------------------------------------------------1
1.1 風機簡述--------------------------------------------------------------------------------1
1.2 風機測試系統的發(fā)展-----------------------------------------------------------------1
1.3 基于虛擬儀器的風機測試系統-----------------------------------------------------1
第二章 系統總體方案的設計------------------------------------------------------------3
2.1 風機性能測試方法--------------------------------------------------------------------3
2.2 虛擬儀器技術及其應用--------------------------------------------------------------5
2.3 風機測試系統的總體方案-----------------------------------------------------------5
第三章 風機硬件系統的設計------------------------------------------------------------7
3.1 風機機械硬件總體設計--------------------------------------------------------------7
3.2 機械結構設計計算--------------------------------------------------------------------7
3.3 風機轉速調節(jié)裝置的設計--------------------------------------18
3.4 風機測試傳感器的設計選用------------------------------------20
3.5 風機測試系統數據采集卡--------------------------------------23
第四章 系統軟件的設計-----------------------------------------------------------------25
4.1 虛擬儀器的硬件系統---------------------------------------------------------------25
4.2 虛擬儀器的軟件系統---------------------------------------------------------------26
4.3 Labview簡介-------------------------------------------------------------------------26
4.4 測試系統主界面的設計------------------------------------------------------------27
第五章 結束語------------------------------------------------------------------------------29
參考文獻------------------------------------------------------------------------------------------30
第一章 概述
隨著機械技術、微電子技術和信息技術的飛速發(fā)展，機械技術、微電子技術和信息技術的相互滲透也越來越快。要實現系統或產品的短、小、輕、薄和智能化，達到節(jié)省能源、節(jié)省材料、實現多功能、高性能和高可靠性的目的，機械與電子結合就成為了現代科技發(fā)展的趨勢。對于風機的自動測控系統就是一個機械電子結合的范例。
1.1風機簡述
風機是把原動機的機械能轉變?yōu)闅怏w能量的一種機械,它是用來提高氣體壓力,并輸送氣體的機械,是透平機械中的一種[1]。
風機按工作壓力提高的程度來分,可以分為四種：
1） 風扇(<100Pa)
2） 通風機(0.1-15kPa)
3） 鼓風機(15-250kPa)
4） 壓縮機(>250kPa或壓比>3.5)
壓縮機的壓比又稱壓縮比，是壓縮機出口與進口處氣體壓力之比。
風機使用面廣，種類繁多，在工業(yè)生產中利用風機產生的氣流做介質進行工作，可實現清選、分離、加熱烘干、物料輸送、通風換氣、除塵降溫等多種工作[2]。
1.2風機測試系統的發(fā)展
由于風機理論至今仍欠完善，所以風機性能參數的獲取主要依賴于性能試驗。風機性能試驗是在風機轉速不變的情況下，改變風機的流量，檢測風機各性能參數，并繪制性能曲線的過程。目前，風機用戶為了提高經濟效益，在選擇風饑時對它的各項性能指標提出了更為嚴格的要求．如壓力，流量，轉速，功率．噪聲，可靠性等[3]。同時，風機生產廠家為了提高產品的競爭能力，在努力改進氣動設計，提高機械加工的同時，也對風機性能試驗的研究和開發(fā)給予了高度的重視。并且在電氣拖動設備的運行過程中, 經常遇到這樣的問題, 即拖動設備的負荷變化較大, 而動力源電機的轉速卻不變, 也就是說輸出功率的變化不能隨負荷的變化而變化。在實際中這種“大馬拉小車”的現象較為普遍, 浪費能源。在許多生產過程中采用變頻調速實現電動機的變速運行, 不僅可以滿足生產的需要, 而且還能降低電能消耗, 延長設備的使用壽命。鼓風機系統采用變頻調速, 并應用PLC或者單片機構成風壓閉環(huán)自動控系統, 實現了電機負荷的變化變速運行自動調節(jié)風量, 即滿足了生產需要, 又達到了節(jié)能降耗的目的[1]。由此可見，風機性能測控系統對于成品的檢驗和新產品的設計開發(fā)都至關重要，特別是對于大型、特型風機以及單件、小批量而且氣流特性有特殊要求的情況，性能試驗尤為重要。虛擬儀器(VI)技術是目前測控領域中最為流行的技術之一，它利用I／O接口設備完成信號的采集、測量與調理，利用計算機軟件實現信號數據的運算、分析和處理，利用顯示器豐富的顯示功能來多形式地表達和輸出檢測結果，在此基礎上，構成一個具有完整測試功能的計算機儀器系統，即虛擬儀器。虛擬儀器具有傳統儀器的基本功能，同時又能根據用戶的要求隨時進行定義，實現多種多樣的應用需求，具有擴展靈活、界面友好、操作簡便、性價比高等特點，目前，虛擬儀器技術在許多領域都得到廣泛應用[4]。
1.3基于虛擬儀器的風機測試系統
現代科學技術的進步以計算機技術的進步為代表，不斷更新的計算機技術從各個層面上影響、引導各行各業(yè)的技術更新?；谟嬎銠C技術的虛擬儀器以不可逆轉的力量推動著測控技術的革命。虛擬儀器系統的概念不僅推進了以儀器為基礎的測控系統的改造，同時也影響了以數據采集為主的測試系統構造方法的進化，過去獨立分散、互不相干的許多領域，在虛擬儀器系統的概念下，正在逐漸靠攏、相互影響，并形成新的技術方法和技術規(guī)范。虛擬儀器技術能充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機融為一體，構成一臺從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器相同，同時又充分享用計算機智能資源的全新儀器系統。應用虛擬儀器技術，可以用較少的資金、較少的系統開發(fā)和維護費用，用比過去更少的時間開發(fā)出功能更強、質量更可靠的產品和系統[5][6]。所以，為提高風機性能試驗測試系統的性能，并考慮到風機生產廠家及科研院所的實際需求，本課題采用在現有風機性能試驗臺的基礎上利用計算機技術、電子技術、儀器技術的結合(即虛擬儀器)，設計一種具有如下特點的計算機輔助風機性能自動測試與分析系統。
(1)自動采集風機性能試驗數據，且各項參數指標達到國家規(guī)定標準。
(2)自動控制風機轉速。
(3)自動進行數據處理，且實現數據的存儲、打印、查詢等功能。
(4)自動繪制風機性能曲線。
(5)系統界面友好，操作方便，便于用戶使用。
論文的主要任務是以虛擬儀器為設計目標，選用適合的測試手段與測試方法，進行風機性能試驗臺的軟硬件設計，實現試驗數據自動采集與數據處理并最終生成風機性能曲線。
第二章 系統總體方案的設計
2.1風機性能測試方法
本文針對中、小型風機性能測試的研究，充分利用原有的風室型出口式風機性能試驗裝置，融入現代虛擬儀器技術[6]，通過虛擬儀器的DAQ數據采集模塊，建立了一套基于PC機的風機性能自動采集系統。該系統能自動采集風機的原始參數即動壓、靜壓、轉矩、轉速、溫度，并計算出相應的流量、效率、軸功率，繪制出壓力、效率、軸功率隨流量的變化的有因次和無因次曲線，打印輸出曲線及數據報表。
2.1.1風機主要性能參數[1][2]
風機性能試驗是以測試試驗數據，繪制風機性能曲線為主，所以正確理解風機主要性能參數和性能曲線尤為重要。風機的主要性能參數有流量、全壓、功率、轉速及效率。
(l)流量:單位時間內風機所輸送的流體量稱為流量。常用體積流量Q表示，其單位為“耐/s”或“m3/h”。嚴格地講，風機的流量，特指風機進口處容積流量。
(2)全壓:單位體積的氣體在風機內所獲得的能量稱為全壓或風壓，以P表示，單位為Pa。 (3)軸功率:原動機傳遞給風機轉軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，以p表示單位為kw。
(4)有效功率:單位時間內通過風機的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，單位為kw。
(5)效率:風機輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸送的氣體實際所得到的功率比原動機傳遞至風機軸端的功率要小，他們的比值稱為風機的效率，以幾表示。風機效率越高，則氣體從風機中得到的能量有效部分就越大，經濟性就越高。
(6)轉速:風機軸每分鐘的轉數稱為轉速，以n表示，單位為r/min。風機的各性能參數一般都不是在試驗臺上直接測量的，而是通過對試驗數據進行計算而得到。得到風機性能參數后，繪制風機的性能曲線為風機性能試驗的最終結果，風機的性能曲線有兩種，包括有因次性能曲線和無因次性能曲線。
(7)有因次性能曲線:將風機在各工況下的性能參數值用曲線連接起來，繪制在直角坐標系中，用以表示風機流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關系曲線。
(8)無因次性能曲線:為了選擇、比較和設計風機，經常采用一系列無因次參數。風機的無因次性能曲線是去掉各種計量單位的物理性質而表示的風機流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關系曲線。因為這些性能參數去除了計量單位的影響，所以對每一種型式的風機，僅有一組無因次性能曲線。無因次性能曲線與計量單位、幾何尺寸、轉速、氣體密度等因素無關，所以使用起來十分方便。無因次性能曲線在風機的選型設計計算的應用中尤為廣泛。
2.1.2風機性能測試裝置
風機性能試驗裝置分為風室式和風管式兩類[7]。風室式試驗裝置由流量測試管路、風室、輔助通風機、流量調節(jié)器和整流器等組成，根據腔室與通風機進口和出口的連接方式不同，分為進氣風室和出氣風室兩種試驗裝置;風管式試驗由測試管路、流量調節(jié)裝置、整流裝置及錐形連接管等組成，根據試驗管路與通風機進氣口和出氣口的連接方式不同，分為進氣、出氣、進出氣三種試驗裝置。
(l)進氣試驗:這種布置形式只在風機進口裝設管道，如圖2-1所示。氣體從集流器l進入吸風管道2，再流入葉輪3，在管道進口處裝有調節(jié)風量用的錐形節(jié)流門4，并在吸風管道中放置測量流量用的畢托管5和靜壓測管6。
(2)排氣試驗:這種布置形式只在風機出口設置管道，如圖2-2所示。氣體從集流器1進入葉輪2，由葉輪流出的氣體從排風管道3流出，用出口錐形二冷流門4調節(jié)流量，并在管道上裝設靜壓測管5和畢托管6。
(3)進排氣聯合試驗:這種布置形式是在風機進出口都裝設管道，如圖2-3所示。氣體由集流器1進入吸風管2。經葉輪3流入排風管道4，然后排出，在出口裝一錐形節(jié)流門5調節(jié)風量。并在進出口管道上裝設靜壓測管6和畢托管7。
在試驗中采用哪一種布置形式，可根據各自的習慣及現場的試驗條件來決定。例如送風機是從大氣吸入空氣，經管道送入爐膛，應采用排氣試驗裝置。引風機是抽出爐膛的煙氣使之排入大氣，則應采用進排氣聯合試驗裝置。因本系統原有試驗臺為一風管式試驗臺，所以，本系統采用風管式排氣試驗裝置。
由風機性能試驗方法可以看出，風機性能試驗應主要完成試驗數據的測量、風機試驗臺的控制、風機性能參數的計算和風機性能曲線的繪制四部分內容。所以，如何使這四部分功能自動實現是系統設計的關鍵。
2.2虛擬儀器技術及其應用
2.2.1虛擬儀器概述
20多年前，美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出“軟件即是儀器”的虛擬儀器（VI）概念，引發(fā)了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。 所謂虛擬儀器，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計算機性能以摩爾定律（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統儀器遠遠拋到后面，如表2-1，并給虛擬儀器生產廠家不斷帶來較高的技術更新速率。
表2-1 虛擬儀器與傳統儀器的比較
虛擬儀器
傳統儀器
開放、靈活，可與計算機技術保持同步發(fā)展
封閉、儀器間相互配合較差
關鍵是軟件，系統升級方便
關鍵是硬件，升級成本高，不方便
價格低廉，儀器間資源可重復利用率高
價格昂貴，儀器間一般無法相互利用
用戶可定義儀器功能
只有廠家能定義儀器功能
可以與網絡及周邊設備方便連接
功能單一，只能連接有限的獨立設備
開發(fā)與維護費用降至最低
開發(fā)與維護費用高
技術更新周期短（1-2年）
技術更新周期長（5-10年）
虛擬儀器具有傳統獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢，但它并不否定傳統儀器的作用，它們相互交叉又相互補充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領域，虛擬儀器可取代一部分獨立儀器的工作，但完成復雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統的獨立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。 專家們指出，在這個計算機和網絡時代，利用計算機和網絡技術對傳統的產業(yè)進行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統正是計算機和網絡技術與傳統的儀器技術進行融合的產物，因此，在21 世紀，虛擬儀器將大行其道，日漸受寵，將會引發(fā)傳統的儀器產業(yè)一場新的革命[8]。
2.2.2基于虛擬儀器的測試系統
基于虛擬儀器的諸多特點，并結合國內外應用虛擬儀器開發(fā)的測試與分析系統的實例，本課題采用虛擬儀器技術對風機性能試驗中試驗數據自動采集、風機工況自動調節(jié)、試驗數據自動處理等進行研究，研制一套風機性能計算機自動檢測與分析系統，以實現試驗過程的自動化，解除以往人工試驗的繁瑣過程，且消除試驗過程中測量及計算誤差，提高試驗結果的可靠性。
為適合現代測試系統的要求，需進行風機試驗臺的改造并設計適合的測試手段與測試方法，即進行系統總體方案的設計。由風機性能試驗的過程可知其測試系統主要完成以下工作:風機性能參數的測量，風機運行工況的調節(jié)，風機轉速的控制，風機性能曲線的繪制[9]。
2.3風機測試系統的總體方案
主要研究內容有：設計風機整體機械構架，系統硬件部分是整個測試試驗的基礎。在系統中，硬件部分主要由風機、風管、電動機、傳感器、步進電機、流量調節(jié)擋板、變頻調速器、計算機、數據采集板等組成。硬件設計主要完成了風機工況的調節(jié)、風機轉速的調節(jié)、風機各試驗數據的采集等工作。其中風機工況的調節(jié)利用了原有系統，風機轉速的調節(jié)采用變頻器實現[7]。
設計并選擇傳感器（檢測風機基本運行參數），試驗數據的檢測所采用的測量儀器多為傳感器。系統采用的傳感器包括壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器。壓差傳感器主要用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率信號[2]。
選用數據采集板卡，通過數據采集板獲取數據在虛擬儀器中又稱為PC—DAQ(Data ACquisition數據采集)式儀器。數據采集板作為儀器系統硬件的主要組成部分，是外界電信號與PC機之間的橋梁。它不僅具有信號傳輸的功能，還具有信號轉換和譯碼的功能。
軟件控制與處理顯示（利用LABVIEW編制程序對傳感器檢測到的信號進行處理及顯示）。
系統功能：自動采集風機的原始參數即動壓、靜壓、轉矩、轉速、溫度，并計算出相應的流量、效率、軸功率，繪制出壓力、效率、軸功率隨流量的變化的有因次和無因次曲線，打印輸出曲線及數據報表。系統總體結構如圖2-4。
1）根據擬定工作環(huán)境和工況設計風機整體機械結構；
2）風機性能測試的方法選擇進排氣式測試方法；
3）風機全壓采用電容式壓力傳感器測量；
4）風機流量通過法蘭式標準板孔壓差測量裝置采集壓差信號，在通過換算得到風機流量；
5）風機的轉矩與轉速采用在電機與風機之間安裝轉速與轉矩測量傳感器裝置；
6）傳感器與計算機之間的通信采用虛擬儀器產品：PCI數據采集板卡（虛擬儀器DAQ數據采集模塊）；
7）風機的轉速的調節(jié)采用PCI數據采集卡對變頻器進行控制進而實現調速控制；
8）信號的處理、分析、顯示、控制采用虛擬儀器軟件Labview。
壓差傳感器
PCI數據采集板卡
靜壓傳感器
扭矩、轉速傳感器
大氣壓力、溫度、濕度
變頻器
電動機
風機
計算機
圖2-4系統總體示意圖
第三章 風機硬件系統的設計
3.1風機主體硬件結構的設計
具體機械硬件結構設計內容：1、根據功率選擇電動機
2、連軸器的選型
3、漸開線鼓風箱的設計計算
4、風機葉片的設計與選型
5、風機進風管的設計計算
6、風機軸承的設計計算及選型
7、風機變頻器的選擇與設計
8、壓力與壓差傳感器的選型與設計安裝位置
9、數據采集板卡的選擇
進風調節(jié)柄
進風管
壓力傳感器
風管支座
鼓風室
聯軸器
出風口
葉片
后支座
電動機
轉速 轉矩傳感器
風機機械結構如圖3-1。
圖3-1風機機械結構示意圖
3.2風機機械結構的設計計算[1][2]：
3.2.1風機主要性能參數的確定。
1、 流量qv
根據風機擬定的工作環(huán)境選擇qv=88.93m3/s。風速選擇為：近風口v=7~15m/s，出風口v=10~30m/s。
2、 壓力Ptf
風機全壓為 Ptf=49kp。
3、 工作介質
干燥空氣：
ρ=1.293kg/m3
M=28.967kg/kmol
R=0.28713kg/(kg k)
Cp=1.005KJ/(kg k)
C1=0.716KJ/(kg k)
K=Cp/C1=1.40
4、 轉速
初選電機型號為：Y100L2-4電機 N=1430r/min。
5、 功率
初選電機的功率為3kw 風機效率一般為80%~90%。
3.2.2風機工作輪的設計計算與選型。
初選葉輪大徑D2=0.405m作為設計基準。葉輪如圖3-2。
1、 風機葉輪周速：
2、 風機全壓系數：
圖3-2風機葉輪示意圖
3、 風機流量系數：
4、 風機的比轉數：
5、 風機進口軸向速度：
6、 風機進口當量直徑：
7、 內孔直徑：
其中Nah =8。
8、 風機葉輪輪轂外徑：
9、 風機工作輪進口直徑：
10、 風機工作輪密封處外徑：
11、 風機葉片進口直徑：
12、 風機葉片進口線速度：
13、 風機葉輪葉片數：
14、風機葉片厚度：
根據以上計算可以通過風機設計手冊選型為 S1064.25 葉輪，并且確定為型軸盤。
3.2.3風機進出氣機殼的設計計算與選型
1、 蝸室橫截面積當量直徑的計算：
（式3-1）
2、 風機進風管直徑：
長度：L=3500mm。
3、 風機近風口的選型：
根據風機設計手冊選擇 ST0701×04
3.2.4風機傳動組的設計計算
1、 風機主軸的設計計算
根據以上已經選擇的風機葉輪與軸盤，選擇軸的最小直徑為d=32mm.
軸的強度計算：
（1） 葉輪的質量
(將前盤曲面略看作直面計算)
葉輪軸盤因為選用的為4c型 型軸盤 查風機手冊可知：
因此可以計算葉輪總質量為：
（2） 風機葉輪轉速
N=1430r/min
（3） 風機主軸的最大彎矩以及最大轉矩的計算
① 主軸的最大彎矩的計算，主軸受力如圖3-3。
作用在風機主軸上的主要作用力是葉輪重力與其不平衡力，葉輪經過平衡后，仍有允許的殘余不平衡重力。該重力可以造成風機葉輪重心與主軸旋轉中心線有一定的偏移距離。此距離一般為：。為安全起見，計算時取：，因此，由于葉輪重心與主軸旋轉中心線不一致產生的不平衡力F1 為：
（式3-2）
圖3-3風機主軸受力示意圖
葉輪重力與其不平衡力之和：
軸端與聯軸器重力之和：
軸承之間軸的重力：
主軸與葉輪連接處軸的重力：
圖3-4風機主軸受力彎矩圖
主軸支撐座反力計算：
主軸彎矩計算：
主軸彎矩如圖3-4
②風機主軸的轉矩計算
③風機主軸的復合應力
風機主軸的材料選用45鋼 查得其許用扭轉切應力[τ-1]=155MPa 許用彎曲應力[σ-1]=275MPa。
主軸扭轉切應力為：
主軸的最大彎曲應力為：
按照第三強度理論計算風機主軸的最大復合應力：
（4） 風機主軸剛度校核計算
① 風機主軸的彎曲剛度校核計算
圖3-5主軸階梯
主軸的當量直徑：
圖3-6主軸撓度示意圖
彎曲撓度：
主軸撓度如圖3-6
偏轉角：
②風機主軸的扭轉剛度的校核計算
（式3-3）
其中：
T為扭矩 T=20.04N m
G為鋼的剪切彈性模量
Ip 為主軸的截面的極慣性矩
（5）主軸的臨界轉速的計算
所以風機主軸運轉安全。
3.2.5風機葉片強度計算
因為在此設計的風機葉片與葉輪前后盤的連接為焊接，所以葉片的最大彎矩應產生在梁的兩端。葉片受力如圖3-7。
當葉輪以角速度ω旋轉時單個葉片因本身質量產生的離心力F為：
（式3-4）
其中ρ=7.85×103 kg/m3ω為葉輪角速度 b為葉片長=141mm L為葉片寬度=82mm δ為葉片厚度=3mm R為葉片重心到葉輪中心的距離=296mm。C=ρω2 鋼的C=86.08n2 。
圖3-7風機葉片受力示意圖
如圖葉片的重心假定在葉片工作面的O點，將F分解成沿葉片的法向力F1和切向力F2。
葉片在F1和F2的作用下，在相應的方向彎曲。由F2產生的彎曲應力，因葉片的抗彎截面模量大，故可忽略。只計算F1產生的彎曲應力。葉片彎矩如圖3-8。
葉片的抗彎截面模量為：
葉片的最大彎矩：
圖3-8葉片受力及彎矩圖
葉片的最大彎曲應力：
3.2.6風機輪盤的強度計算
1、輪盤本身的離心切應力
2、葉片離心力在圓盤中心產生的應力
（式3-5）
半圓盤重心所在半徑
半圓盤的離心力
單個葉片的離心力
所以
后盤共計最大切應力
3.2.7軸盤材料的選用計算與軸盤上鉚釘強度的校核計算
1、軸盤材料的選用計算
軸盤最大直徑d處的線速度為：
所以線速度小于30的軸盤選擇一般灰鑄鐵 HT250。
圖3-9軸盤
2、后盤與軸盤之間的鉚釘強度計算（切應力計算）
軸盤上的轉矩為：
（式3-6）
在鉚釘分布的圓周半徑R上，鉚釘所受的切應力為：
（式3-7）
鉚釘初選材料為Q215，Z個鉚釘所承受的平均切應力為：
3.2.8風機聯軸器的選型與校核計算[10]
由于風機的工作環(huán)境為載荷較小、沖擊較小，因此可以選擇剛性土緣聯軸器。
風機電機的輸出的功率為：3KW 風機輸出轉矩為：T=20.04N m。
1、聯軸器的計算轉矩
（式3-8） KA為風機的工作工況系數
鼓風機工作轉矩變化小，即為透平空氣壓縮機械。并且原動機為電動機，因此可選KA為1.5。
2、風機聯軸器型號的確定與校核
從GB/T4323-84中查得GY5型剛性凸緣聯軸器的許用轉矩為400Nm。許用最大轉速為8000r/min。適合軸徑為32mm。故合用。
3.2.9鍵的強度校核計算[10]
1、風機主軸軸徑為：32mm，根據國家標準軸徑在30~38mm中，選擇的鍵的規(guī)格為：b*h=10*8,從鍵的長度系列中選擇鍵的長度為L=45mm。
2、鍵的強度計算
最脆弱的聯接端為軸盤（灰鑄鐵）其許用強度為50~60Mpa。所以鍵連接部分滿足要求。
3.2.10滾動軸承的選型與校核計算[10]
1、滾動軸承的選型
因為風機主軸的軸端為風機葉輪，所以主軸為一懸臂梁徑向載荷較大而軸向載荷較小。風機要求的轉速不是很高。因為主軸軸端承受懸臂力，所以要求軸承有一定的調節(jié)主軸彎曲的能力。
綜上，可選擇調心輥子軸承，根據軸徑可選擇22209軸承。
2、軸承的壽命計算
（式3-9）
n為軸承轉速n=1430r/min。C為軸承的基本額定動載荷ε為指數，球軸承為3，對于磙子軸承為10/3。P為軸承載荷，在這里既為徑向載荷，在前面計算的軸的載荷時已經計算過為216.18N。
風機長期連續(xù)工作機械，可選預期壽命為：
軸承應具有的基本額定動載荷為：
因此，所選軸承滿足要求。
3、軸承的潤滑方式的選擇
因為dn=32*1430=45760mm/r min-1 。所以選擇油脂潤滑方式。
3.3風機轉速調節(jié)裝置的設計
3.3.1總體設計
在風機測試過程中，要求風機的轉速不變。但是在實際應用當中，風機需要有不同的轉速，當然也是為了節(jié)能方面的考慮。因此，對風機的交流異步電機的調速就是對風機的調速過程。隨著新型電力電子器件的發(fā)展，交流變頻調速技術已經崛起，它幾乎和計算機控制一樣，成為了現代交流傳動調速技術領域的主要標志之一。
20世紀70年代后，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現代控制理論的應用，使得交流電力拖動系統逐步具備了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能，在調速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調速技術中，變頻調速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節(jié)電效果明顯，而且易于實現過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞[11]。變頻器調節(jié)風機轉速原理如圖3-10。
圖3-10風機轉速調節(jié)裝置流程圖
3.3.2風機變頻調速控制設計
3.3.2.1?交流變頻調速的優(yōu)異特性
(1)?調速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩(wěn)定性好。
(2)?調速范圍較大，精度高。
(3)?起動電流低，對系統及電網無沖擊，節(jié)電效果明顯。
(4)?變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。
(5)?易于實現過程自動化。
(6)?必須有專用的變頻電源|穩(wěn)壓器，目前造價較高。
(7)?在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。
3.3.2.2變頻調速原理[12]
變速調速也稱為變頻調速系統，它主要由變頻器和控制器兩大部分組成。變頻調速的基本原理是根據電動機轉速與輸入頻率成比例的關系，通過改變供給電動機三相電源的頻率值來達到改變電動機轉速的目的。
1、變頻器
變頻器的作用是將所接收的三相電源（如380V，50Hz）轉換為頻率可調節(jié)的三相電源。變頻器根據其變頻的原理分為直接變頻和間接變頻。直接變頻為交——交變頻；間接變頻為交——直——交變頻。間接變頻是指將交流經整流器后變?yōu)橹绷?，然后再經逆變器調制為頻率可調的交流電。
交——直——交頻器由順變器、中間濾波器和逆變器三部分組成。順變器就是整流器，它是一個晶閘管感想一橋式電路，其作用為將定壓定頻的交流電變換為可調直流電，然后作為逆變器的直流供電電源；中間濾波器由電抗器或電容組成，其作用是對整流后的電壓或電流進行濾波；逆變器也是三相橋式整流電路，但它的作用與順變器相反，綜將直流電變換（調制）為可調頻率的交流電，它是變頻器的主要部分。
2、控制器
控制器是根據變頻調速的不同方式產生相應的控制信號，控制逆變器中各功率開關元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預定頻率和預定電壓的交流電源。控制器有二種控制方式：一種是以各種集成電路構成的模擬控制方式；另一種是以單片機、微處理器構成的數字控制方式。市場銷售的微電腦變頻器，就是使用單片微機或微處理器為控制核心的變頻器。
決定功率開關器件（如晶閘管）動作順序和時間分配規(guī)律的控制方法稱為脈寬調制（PWM）方法。用這種方法通過改變矩形脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；通過改變調制矩形脈沖波形的頻率（或周期）可以控制交流基波電壓的頻率。控制器輸出一組等幅而脈沖寬度隨時間按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，用此脈沖電壓去觸發(fā)逆變器中的功率開關器件，起到了功率放大作用。由于各個矩形脈沖波下的面積接近于正弦波下的面積，因此，逆變器的輸出電壓就接近于正弦波，這樣就能滿足變頻調速對電壓與頻率協調控制的要求。
3.3.2.3變頻器控制
在此選擇交流變頻器型號為：RNB3000 電機為Y100L2-4
主回路端子接線圖、控制回路接線圖如圖3-11、各端子說明如表3-1。
圖3-11 變頻器接線說明
表3-1變頻器端子說明
3.4風機測試傳感器的設計選用
本系統采用的傳感器包括壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器。壓差傳感器主要用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率信號。
3.4.1壓差測量[13]
差壓式流量計(以下簡稱DPF或流量計)是根據安裝于管道中流量檢測件產生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對DPF分類，如孔扳流量計、文丘里管流量計及均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器和流量顯示及計算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計既可用于測量流量參數，也可測量其他參數(如壓力、物位、密度等)。
3.4.1.1壓差測量工作原理
充滿管道的流體，當它流經管道內的節(jié)流件時，如圖3-12所示，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產生了壓差。流體流量愈大，產生的壓差愈大，這樣可依據壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關，例如當節(jié)流裝置形式或管道內流體的物理性質(密度、粘度)不同時，在同樣大小的流量下產生的壓差也是不同的[14]。
圖3-12壓差測量工作原理
式（3-10）
式（3-11）
式中 qm--質量流量，kg/s;
qv--體積流量，m3/s;
C--流出系數；
ε--可膨脹性系數；
β--直徑比，β=d/D;
d--工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D--工作條件下上游管道內徑，m；
△P--差壓，Pa；
Ρ1--上游流體密度，kg/m3。
由上式可見，流量為C、ε、d、ρ、△P、β 6個參數的函數，此6個參數可分為實測量[d，ρ，△P，β(D)]和統計量(C、ε)兩類。
3.4.1.2風機壓差測量方式
此測試系統采用法蘭取壓的標準板孔如圖3-13。
圖3-13標準板孔的法蘭取壓
3.4.1.3壓差測量傳感器
由以上論述看出，通過孔板的流體的流量與孔板兩端的壓力差的平方根成正比。本試驗裝置中，此壓差信號由壓差式變送器測量。壓差式流量傳感器是目前工業(yè)上技術最成熟、使用最多的一種，其使用量約占全部流量測量儀表的70-80%。他不僅可以用來顯示，而且可以經壓差變送器轉換成統一的標準信號為20mA(或l-5V)以便送到單元組合儀表及計算機進行上業(yè)過程控制。差壓式節(jié)流裝置的特點是:結構簡單，使用壽命長，適應能力強，幾乎能測量各種工作狀態(tài)(包括高溫、高壓)下。
本測試裝置采用氣壓傳感器C268、RANGE:+/-1000Pa。
3.4.2風機靜壓測量與傳感器
壓力傳感器用來測量管道的靜壓。壓力傳感器的種類繁多，本系統采用電容式微壓傳感器不，其特點如下:
(1)測量范圍大。金屬應變絲的極限一般為l%，而半導體應變片可達20%，電容傳感器相對變化量大于100%。
(2)靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測出電容值，其相對變化量可達IE-7
(3)動態(tài)響應時間短。由于電容式傳感器可動部分質量小，因此其固有頻率很高，可月J幾動態(tài)信號的測量。
(4)機械損失小。電容式傳感器極間相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自熱墳應極微，可保證電齊式傳感器具有較高的精度。結構簡單，適應性強。電容式傳感器一般使用金屬材料做電極，以無機材料做絕緣支撐，故能承受很大的溫度變化和各種形式的強輻射作用，適合在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器一般可分為三種形式:變截面型、變介質介電常數型、變極板間距型。本系統選用變截面接口靜壓傳感器，其型號為:C268、RANGE:0-50Pa，技術指標如下:
作溫度:-18-+65℃
測量介質:空氣或類似的非導電性氣體
輸入電源:9-3V DC
輸出電流:4-20mA
量程:0-5OPa
接線方式為兩線式，傳感器采用24V直流電源供電，數據采集卜的模擬輸入通道采集25OΩ精密電阻兩端的電壓信號，此電壓信號進入到計算機中進行處理[15]。
3.4.3風機扭矩測量
本測試裝置采用在電機與風機之間接入扭矩轉速測量儀的方法，對于風機的扭矩與轉速的測量是進行風機功率與效率計算的必要數據。通常采用的扭矩與轉速測量傳感器有機械測功機、渦流測功機、磁粉測功機、電機測功機等。但這些測功機都只適用于測量靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)力矩，而現如今多用電阻應變式扭矩傳感器和電磁轉換扭矩傳感器[15]。
這里采用電磁式扭矩傳感器，其型號為：ZJ50NM、0-5000r/min。ZJ型轉矩轉速傳感器是根據磁電轉換和相位差的原理，將轉矩、轉速機械量轉換成兩路有一定相位差電壓訊號的精密儀器。由于信號的檢測與軸之間是通過非接觸的方式進行的所以沒有接觸環(huán)和電刷，具有維修保養(yǎng)簡單，使用壽命極長等優(yōu)點。
傳感器的轉矩測量精確度分0.1級和0.2級，其基本參數如下表所列：
精確度等級 0.1級 0.2級；
靜校誤差 ±0.1 ±0.2；
轉速變化引起的轉距誤差 ±0.2 ±0.2；
同心度誤差 套轉“同心度”誤差 ±0.1 ±0.2；
軸“同心度”誤差 ±0.1 ±0.2。
3.5風機測試系統數據采集卡[16]
DAQ（Data ACQuisition）數據采集，指的是基于計算機標準總線（如ISA、PCI、PC/104等）的內置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統的靈活性和擴展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計算機的儀器（Computer-Based Instruments），實現“一機多型”和“一機多用”。 在性能上，隨著A/D轉換技術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調理技術的迅速發(fā)展，DAQ的采樣速率已達到1Gb/s，精度高達24位，通道數高達64個，并能任意結合數字I/O，模擬I/O、計數器/定時器等通道。儀器廠家生產了大量的DAQ功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數字萬用表、串行數據分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在ＰＣ計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應的軟件，就可以構成一臺具有若干功能的ＰＣ儀器。
本測試系統采用PCI-8310數據采集卡。PCI-8310?模入接口卡適用于提供了PCI?總線插槽的PC系列微機，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系統可選用目前流行的?Windows?系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統以及專業(yè)數據采集分析系統LabVIEW?等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡單，使用時只需將接口卡插入機內任何一個PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號電纜從機箱外部直接接入。
PCI-8310?模入接口卡允許采用32路單端輸入方式或16路雙端輸入方式。用戶可根據需要選擇測量單極性信號或雙極性信號。其輸入的模擬信號由卡前端的37芯D型插頭直接接入。本卡還提供了TTL電平的16路輸入和16路輸出信號通道，這些信號通道由卡后端的40芯扁平電纜轉換為37芯D型插頭提供給用戶。
特性?：
模入部分：（?標＊為出廠標準狀態(tài)，下同?）?
??????輸入通道數：單端32路＊；雙端16路
??????輸入信號范圍：?0V～10V＊；－5V～＋5V；?-10V～＋10V
??????輸入阻抗：≥10MΩ
???????A／D轉換分辨率：12位
??????A／D轉換速率：10μS
??????A／D啟動方式：程序啟動
??????A／D轉換非線性誤差：±1LSB
??????A／D轉換輸出碼制：單極性原碼＊／雙極性偏移碼
??????系統綜合誤差：≤0.1％?F.S
開關量部分
??????輸入路數：16路TTL電平
??????輸出路數：16路TTL電平
電源功耗：＋5V（±10％）?≤500mA
環(huán)境要求：
??????工作溫度：??10℃～40℃
??????相對濕度：??40％～80％
??????存貯溫度：-55℃～＋85℃
外型尺寸（不含檔板）：長×高＝164.8mm×106.7mm。
第四章 系統軟件的設計
本測試系統采用美國NI公司研發(fā)生產的虛擬儀器數據才具系統與數據分析系統。
4.1虛擬儀器的硬件系統
虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能
收藏