基于​CRIO​平台​的​机体​疲劳​试验​台​架​自动​控制​系统

刘 震​涛, 浙江​大学​动力​机械​及​车辆​工程​研究所

"采用​NI​公司​的​CRIO​平台​开发​的​机体​疲劳​液压​模拟​试验​台​架​可​进行​发动​机​机体​的​液压​疲劳​试验,​并且​通过​监测​应变​信号​的​变化​实现​了​机体​破坏​的​自动​判​别,​该​试验​系统​技术​水平​居于​国内​领先​地位。"

- 刘 震​涛, 浙江​大学​动力​机械​及​车辆​工程​研究所

挑战:

发动​机​机体​的​疲劳​寿命​模拟​试验​设备​多​采用​液压​伺服​方式​进行,​试验​过程​中​如何​判断​机体​是否​破损​是​一个​难点,​利用​NI​公司​的​CRIO​平台​及其​应变​采集​等​模​块,​采用​应变​值​的​变化​作为​机体​破坏​的​判​据,​从而​实现​试验​过程​真正​意义​的​自动​化。

解决​方案:

使用​NI​公司​的​CRIO​平台​和​硬件​模​块,​进行​发动​机​机体​疲劳​试验​中​信号​的​产生、​采集​和​处理,​并​对​试验​过程​进行​控制,​使用​NI​的​图形​化​编​程​软件​LabVIEW​进行​测试​过程​的​控制、​数据​的​分析​判断​和​用户​界面​的​编写,​实现​疲劳​试验​的​自动​测​控。

作者:

刘 震​涛 - 浙江​大学​动力​机械​及​车辆​工程​研究所
​Zhentao Liu - Power Machinery and Vehicular Engineering Institute, Zhejiang University

 

1. 概述

对于​柴油​机​而言,​在​燃油​耗​低​和​排放​达​标​的​同时,​具有​优良​的​扭矩​和​功率​特性​就​必须​达到​更高​的​最高​爆发​压力。​而​更高​的​爆发​压力​则​意味​着​更高​的​机械​载​荷,​这​也​意味​着​对​柴油​机​更高​的​强度​要求。​作为​柴油​机​的​主要​零​部件​——​机体,​面临​着​同样​的​问题。

 

为了​提高​机体​的​强度​及​可靠性,​国内外​学者​进行​了​大量​的​研究​工作。​研究​手段​主要​有​理论​研究​和​试验​研究​两​种。​理论​方面​主要​以​有限​元​计算​为​主;​试验​方面​则​有​实​机​试验​和​模拟​试验​两​种,​实​机​试验​虽然​直接​考核​发动​机​机体​的​强度,​但是​一​则​试验​周期​长,​二​则​不能​模拟​机体​承受​较​最高​爆发​压力​更高​的​压力​载​荷​时​的​受​力​情况;​而​模拟​试验​则​可以​通过​控制​加​载​载​荷​的​大小,​来​模拟​发动​机​机体​承受​不同​载​荷​时​的​受​力​情况,​结合​疲劳​可靠性​理论,​可​对​机体​的​疲劳​寿命,​以及​安全​系数​给​出​定量​的​评价。​综​上​所述,​机体​模拟​疲劳​试验​是​机体​强度​及​疲劳​寿命​评价​的​有效​手段。

 

国外​针对​上述​工作​的​研究​开展​较​早,​特别​是​模拟​试验​技术,​AVL​公司、​Ricardo​公司、​Schenck​公司​等​都有​较​为​成熟​的​产品​和​技术,​其​加​载​方式​都​采用​液压​加​载​的​方式。​由于​模拟​试验​台​架​的​技术​要求​较​高,​在​国内,​针对​机体​强度​的​研究​主要​以​有限​元​计算​为​主,​实​机​考核​试验​为​次,​而​模拟​试验​技术​则​鲜​见​报道。​据​了解,​中国​北方​发动​机​研究所​在​上个​世纪​八十​年代,​从​德国​Schenck​公司​引进​了​一套​液压​伺服​模拟​试验​装置,​可​进行​发动​机​活塞、​连​杆、​机体​等​零​部件​的​模拟​试验,​山东​渤海​活塞​有限公司​在​本​世纪​初​从​Schenck​公司​引进​了​一套​用于​活塞​及​销​座​的​液压​模拟​试验​系统。​但是​在​机体​破坏​的​判​据​方面​一般​采用​经过​一定​的​试验​周期​后​停​机,​通过​肉眼​观测​的​方法,​如果​出现​裂纹​则​认为​机体​破坏,​无​则​继续​试验。​该​方法​存在​着​一定​的​缺陷:​1)​试验​过程​需要​人工​参与;​2)​机体​裂纹​产生​的​准确​时间​不能​确定。

 

针对​上述​问题,​2007​年​作者​开发​研制​了​一套​基于​美国​国家​仪器​公司​(NI)​CRIO​平台​的​机体​液压​疲劳​试验​系统,​提出​了​采用​应变​信号​变化​作为​机体​破坏​判​据​的​试验​方法,​并​应用​该​试验​系统​对​某​型号​机体​进行​疲劳​强度​考核​试验。

 

 

2. 试验​系统​工作​原理

所​研制​的​机体​液压​疲劳​试验​系统​采用​单​缸​工作​模式,​即​试验​过程​中​只​对​一个​气缸​进行​试验。​机体​液压​疲劳​试验​中,​采用​虚拟​的​活塞、​连​杆​和​曲轴​(直​轴)​与​气缸​体、​曲轴​箱​进行​装配。​虚拟​曲轴​包括​一个​直​的​轴​件、​两对​轴​瓦​等​部件。​轴​件​两​端​具有​主轴​颈​直径,​而​在​中间​减小​到​曲柄​销​直径。​这​一​方法​的​优点​是​不需要​原型​曲轴,​而且​试验​气缸​的​数目​和​位置​可以​自由​选择。

 

在​虚拟​活塞​顶​部,​放入​一个​加​载​活塞​以​在​试验​过程​中​最大​程度​地​减小​需要​液压​油​压缩​的​体积。​虚拟​活塞​的​顶​部​有​一个​特殊​的​密封​圈​防止​液压​油​损失。​密封​位置​必须​尽可能​高​以便​使​由于​液压​压力​作用​在​气缸​壁​上​的​力​达到​最小,​从而​避免​试验​过程​中​产生​不​相关​的​气缸​壁​裂纹。​主​轴承​盖​(或​底板)​螺栓​必须​按照​技术​规范​拧​紧。​缸​盖​用​一​钢板​代替​并​用​原型​缸​盖​垫​片​和​缸​盖​螺栓​安装,​并​按照​技术​要求​拧​紧。​钢板​上有​用于​提供​和​排泄​液压​油​以及​温度​和​压力​传感器​的​连接。​加​载​机构​的​示意​图​如​图​1​所​示。

 

试验​过程​中,​通过​CRIO​的​NI9263​模​块​控制​液压​伺服​电磁​阀​动作,​产生​正弦波​的​液压​脉冲​信号,​液压​压力​通过​加​载​机构​作用​于​虚拟​活塞,​并​通过​机械​机构​传递​至​机体​上,​使​机体​的​气缸​壁面​承受​交​变的​拉​压​载​荷。​从而​模拟​发动​机​机体​在​实际​运行​过程​中​承受​的​交​变​载​荷,​所​加​载​的​液压​载​荷​的​大小​可​通过​发动​机​的​实际​爆发​压力​和​机体​设计​安全​系数​确定。

 

通过​CRIO​的​NI9237​应变​采集​模​块​采集​贴​在​机体​主​轴承​螺栓​根部​(机体​易​破坏​处)​的​应变​片​的​输出​信号,​当​监测​到​应变​值​变化​超过​设定​值,​一般​以​应变​变化​50%​为​机体​破坏​的​判​据​(此时​应变​片​所​贴​位置​处​产生​肉眼​可见​裂纹),​则​CRIO​控制器​发出​信号,​终止​试验,​并​给​出​机体​破损​提示。

 

3. 控制​系统​设计

3.1 CRIO​嵌入式​控制器​简介

CRIO​平台​是​NI​公司​生产​的​Compact Reconfigurable I/​O 控制器​的​缩写,​该​控制器​包含​一个​实​时​控制器​与​可​重新​配置​的​现场​可​编​程​门​阵​列​(FPGA)​芯​片,​适用​于​可靠​的​独立​嵌入式​或​分布​式​应用​系统,​还​包含​热​插​拔​工业​I/​O​模​块,​内​置​可​直接​和​传感器/​调节​器​连接​的​信号​调理​电路。​CRIO​适应​的​温度​范围​是​-​40℃​到​70℃,​抗​50g​的​冲击​以及​适应​危险​或​可能​爆炸​的​环境。​大部分​I/​O​模​块​可以​承受​2300Vrms​的​瞬时​电压,​可以​持续​接收​250Vrms​的​电压。​具有​可靠性​高​实​时​性​好的​特点。

 

3.2 控制​系统​硬件​设计

试验​系统​功能​框​图​如​图​2​所​示。​由于​试验​过程​以​较​高​的​频率​进行​(一般​为​10~30HZ,​视​具体​试验​对象​而定),​同时​试验​过程​中​需要​对​加​载​信号​的​波形​和​幅​值​进行​严格​控制。​要​实现​这​一​目的,​必须​对​液压​伺服​电磁​阀​采用​闭​环​控制。​同时​由于​所​进行​试验​为​疲劳​试验,​试验​周期​较​长​(400​万​~​1000​万​次​循环​周期),​并且​工作​环境​恶劣,​液压​泵​站​距离​试验​台​架​较近​(2​~​3​米)。​为​提高​整个​试验​系统​的​可靠性,​其​控制​系统​采用​上下​位​机​结构。​传统​方案​中​下位​控制器​一般​采用​可​编​程​控制器​或​单​片​机构​成,​前者​可靠性​高​但​实​时​性差,​后者​实​时​性​高​但​可靠性​差。​为​兼顾​二者​优点,​本​试验​系统​的​开发​中,​主​控​单元​硬件​采用​美国​国家​仪器​(NI)​公司​生产​的​CRIO​嵌入式​控制器,​共​轨​压力、​蓄​能​器​压力、​加​载​油​腔​压力​等​信号​采集​由​8​通道​AD​采集​模​块​NI9201​完成,​应变​信号​采集​由​两​块​NI9237​模​块​完成,​液压​伺服​电磁​阀​的​驱动​由​NI9263​完成,​NI9401、​NI9485​主要​用于​试验​系统​开关​量​信号​的​显示​与​控制。

 

3.3 控制​系统​软件​开发

为了​加快​试验​系统​的​开发​周期,​控制​系统​的​软件​开发​采用​LabVIEW8.2​开发​环境,​以及​Real-​time​和​FPGA​工具​包,​并​利用​PID​工具​包​实现​对​液压​伺服​电磁​阀​实现​闭​环​控制。​软件​采用​三层​结构,​FPGA​程序,​HOST​程序​和​上位​PC​程序,​其​功能​框​图​如​图​3​所​示。

 

 

4.​控制​系统​的​应用

试验​系统​开发​完成,​以​某​型号​发动​机​机体​为​试验​对象,​进行​机体​疲劳​模拟​试验。​试验​系统​的​总体​结构​及其​控制​系统​如​图​4​所​示。​试验​过程​的​机体​裂纹​判​据​设定​为​应变​值​变化​超过​50%​(一般​认为​此时​可以​产生​肉眼​可见​裂纹),​试验​频率​采用​16HZ,​试验​过程​的​数据​信号​采集​及​监​控​界面​如​图​5​所​示。​试验​过程​中,​试验​循环​次数,​试验​压力​信号​波动,​以及​试验​过程​中的​应变​信号​值​自动​记录​到​数据​库​中。​经过​176​万​次​循环​试验,​试验​系统​自动​停​机,​并​给​出​机体​破损​提示,​检测​存储​的​应变​信号​数值,​发现​在​所​试验​气缸​体​的​左​后​侧​应变​片​数值​发生​变化,​这​表明​该​处​机体​壁面​出现​裂纹。​拆卸​加​载​机构​后,​经​操作​人员​检测,​在​试验​数据​提示​处,​发现​肉眼​可见​裂纹,​如​图​6​所​示。​表明​采用​监测​机体​上​应变​信号​的​变化​作为​机体​破坏​的​判​据​是​切实​可行​的。

 

 

5.​结论

1)​采用​NI​公司​的​CRIO​平台​开发​的​机体​疲劳​液压​模拟​试验​台​架​可​进行​发动​机​机体​的​液压​疲劳​试验,​并且​通过​监测​应变​信号​的​变化​实现​了​机体​破坏​的​自动​判​别,​该​试验​系统​技术​水平​居于​国内​领先​地位。

2)​采用​CRIO​平台​及​相关​模​块​完成​试验​台​架​的​控制​系统​硬件​开发,​与​传统​方案​相比​(一般​采用​工业​控制​计算​机​加​动态​应变​仪​的​方案),​具有​系统​可靠性​高、​整体​结构​简单​等​优点。

3)​LabVIEW​开发​环境​的​应用,​与​采用​VC​编​程​相比,​开发​周期​仅​为​原​开发​周期​的​一半。

 

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作者​信息:

刘 震涛
​浙江​大学​动力​机械​及​车辆​工程​研究所

图​1 ​ ​液压​加​载​机构​示意​图 ​
图​2 ​ ​试验​系统​功能​框​图 ​
图​3 ​ ​控制​系统​软件​功能​框​图 ​
图​4 ​ ​试验​系统​及其​控制器​示意​图 ​
图​5 ​ ​机体​疲劳​试验​监​控​界面 ​