基于LabVIEW 的机械密封试验装置测控系统研究* ＊

王 伟 刘士国 涂桥安 马晨波 孙见君

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京210037)

作为旋转设备中不可缺少的密封装置，机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点，在泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用［1］。随着机械密封技术的发展，对机械密封试验装置的性能也提出了更高要求。测试系统作为机械密封性能试验机的重要部分，应具有高的可靠性及精确性，以实现准确评价机械密封性能的要求。

近年来，虚拟仪器技术［2］在测试测量系统开发应用方面得到了长足的发展。作为虚拟仪器开发平台，LabVIEW 软件以其简单灵活、高效快速的优势得到了高度关注［3-6］。LabVIEW 是由美国NI 公司推出的一款基于图形化语言编程，实现虚拟仪器软件开发的工具。该软件包含了大量的工具与函数，用于实现数据采集、分析、显示与存储等功能，在汽车、通信、航空、半导体、电子设计生产和过程控制等领域应用广泛［7］。本文针对机械密封的性能测试，采用LabVIEW2009 设计开发了一套摩擦磨损试验机的测控系统。

1 机械密封试验机简介

机械密封试验机的结构示意图如图1 所示［8］。该试验机密封腔直径为120 mm，可测试的机械密封轴径范围为40 ～70 mm。该试验机有两大特征:

(1)具有转速调节装置:电动机由变频器进行无级调速，速度范围为0 ～6 000 r/min。

(2)具有密封端面压力调节装置:端面压力主要由介质压力和弹簧压力组成，介质压力的调控由氮气瓶和稳压罐共同完成;密封腔通过拖板在导轨上的移动来改变动、静环的相对位置或压紧力。

2 测控系统原理与硬件设计

本文开发的测控系统实现的功能包括:机械密封转速的调节;密封端面温度、密封端面比压、介质温度、介质压力、扭矩及泄漏量参数的采集、存储与处理;信号图形显示、试验报告生成。

测控系统设计思路为:根据系统测量各参数的需要选配传感器，调理传感器检测到的信号并送入数据采集卡，经A/D 转换后形成数字信号送入计算机，最后利用LabVIEW 程序实现系统功能。系统的总体结构图如图2 所示。

需说明的是，端面压力主要是由弹簧压力和介质压力组成。弹簧压力由弹簧刚度和弹簧压缩量求得;介质压力由压力传感器测出。因此系统的端面比压由式(1)计算得出。

式中:Ph为端面比压;fo为弹簧力;do为密封面外径;di为密封面内径;db为安装轴径;p介为介质压力。

综合考虑各个物理量的测量要求，对传感器的具体选择见表1。

表1 传感器的选择

系统采用NI 公司的M 系列多功能数据采集卡USB - 6221 和温度采集模块USB - 9211A。USB -6221 是一款基于USB 串行总线的多功能采集卡，它有单端16 路(或差分8 路)、16 位分辨率的A/D 通道，采样频率为250 kS/s;USB -9211A 是一款专门用于温度采集的高速数据采集卡，它有单端8 路(或差分4路)、24 位分辨率的A/D 通道，采样频率为12S/s。两款采集卡均可直接使用LabVIEW 自带的驱动进行编程工作。为避免接地回路及环境干扰，系统选择差分测量系统。

3 测控系统软件设计

以美国NI 公司的LabVIEW2009 软件为测试平台，进行测控系统的软件设计。

3.1 测控系统软件流程

软件总体采用模块化结构进行设计，软件流程如图3 所示。

3.2 系统软件程序设计

为满足对机械密封性能参数进行实时采集、显示、记录、查看及生成报表这一多步骤、多任务的需求，在编写程序时将每个功能划分为子VI，在主程序中动态调用这些功能模块VI，从而完成系统的功能要求。

软件的主界面设计如图4 所示，界面中主要分为显示和控制两个区域。界面的左边主要是显示各参数的数值和实时显示图，界面的右边主要为控制软件运行的功能按钮。

右边可操作的10 个按钮中，帮助、电源管理、参数设置、数据处理和现场视频5 个按钮都是用来触发事件结构从而调用相应的子VI。传感器标零、保压试验、动态试验和退出系统4 个按钮触发的事件处理代码在主程序中。

子VI 设计包括电源管理VI、参数设置VI、数据处理VI 和帮助VI。其中电源管理VI 是用数字输出高低电平以控制继电器的闭合，在上位机上达到以弱电控制强电的效果;参数设置VI 的主要作用是进行轴承扭矩标定和位移标定。轴承扭矩标定的原理为:记录2 组以上试验机在不同转速下的扭矩值，运用最小二乘法进行曲线拟合，得到试验机转速N与空载扭矩T的曲线图。将此曲线的参数保存到系统文件中，在后面的动态试验中将值取出，从而计算出动态试验下密封环的摩擦扭矩值。位移标定是根据密封环刚刚接触处扭矩值很小的原理进行:电动机以500 r/min 的转速转动，试验人员缓慢移动密封腔，扭矩值发生变化，当扭矩值保持在很小的范围内时，记录下此刻位移传感器的值，作为标定值;数据处理VI 主要是用来查看历史数据、另存为TXT 格式及生成实验报告;帮助VI是为了方便操作人员了解系统各传感器的原理、软件运行环境、实验步骤等。

3.3 数据处理

对测试系统采集的信号进行处理主要包含两方面:一是将采集的电压信号或频率信号根据传感器特性及数据处理方法转化为相应的弹簧力、介质压力及介质温度等各个物理量值;二是对轴承扭矩和端面温度应用最小二乘法进行拟合。

弹簧力由弹簧刚度乘以位移传感器测得的位移量得出;平均泄漏量由总量除以时间得出;介质压力与介质温度由传感器测得;密封摩擦功耗由摩擦扭矩乘以角速度得出。程序框图如图5 所示。

轴承扭矩由最小二乘法拟合得出，原理如上文所述;端面温度的拟合方法如下:在静环密封面背面周向均布加工4 个不同深度的轴向盲孔，使用绝缘胶将K型热电偶埋入盲孔中，信号线沿静环座内壁引出。将试验过程中4 点测得的温度拟合成温度T与距离端面深度h的曲线T=f(h)，求取h=0 处的温度即为端面温度。本系统中端面温度的曲线拟合采用LabVIEW函数库中的“无约束指数拟合”和“广义多项式拟合”，两种方式均通过最小二乘法进行拟合，而后选取均方差较小的函数作为拟合函数。曲线拟合前面板如图6所示。试验结果表明在摩擦面温度显著上升时得到的拟合曲线是可信的。

4 测试范例

为验证本系统的可靠性，特选取一对机械密封环进行试验，试验条件和试验结果如表2 所示。由表中数据可知测试系统具有较高的精度和可靠性，达到了国家标准GB/T14211 -93 的测试要求。

表2 试验条件和试验结果

5 结语

机械密封性能测试是一项要求高、难度大的工作。传统的机械密封性能试验装置的测控系统不但构建周期长，而且测试结果的准确性和可靠性也难以保证。本文利用虚拟仪器技术开发机械密封性能试验装置的测控系统，缩短了开发周期、提高了试验精度。同时在该系统中，采用了通过温度曲线拟合得到密封端面温度的新方法，相对于传统测量方法，测量精度和可靠性有较大提高。此外，本系统具有较强的通用性，可广泛应用于其他测控系统。

［1］孙见君，魏龙，顾伯勤.机械密封的发展历程与研究动向［J］.润滑与密封，2004(4):128 -134.

［2］路亚峰，陈义军，温新岐，等.虚拟仪器技术研究现状与展望［J］. 国外电子测量术，2011，29(11):35 -37.

［3］马亮，李云涛，杨雪峰. LabVIEW 的电子设备故障检测系统［J］. 计算机系统应用，2012，21(8):152 -155.

［4］吴桂清，朱院娟，郭斯羽，等.基于LabVIEW 的旋转机械振动在线监测系统设计［J］.传感器与微系统，2012，31(6):104 -107.

［5］Mohamed Z，Yousry A，Abdullah A H，et al. LabVIEW based monitoring system applied for PV power station［C］.Proc.of the 12th WSEAS International Conference on Automatic Control，Modelling ＆ Simulation.Catania，2010:65 -70.

［6］Ayse Y，Aynur A.Web based real time remote laboratory with LabVIEW access for analog and digital communication courses［J］.Istanbul University-Journal of Electrical ＆Eletronics Engineering，2008，8(2):671-681.

［7］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20 程序设计从入门到精通［M］. 北京:清华大学出版社，2007.

［8］孙见君，魏龙，朱洪生.弹簧比压可控振动可测型机械密封试验装置［J］.石油机械，2002，30(2):25 -30.