基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统​的​开发​与​应用

- 跃​钢 周,

"我们​应用 NI cDAQ9172 平台,​经受​了​发动​机​台​架​试验、​整​车​道路​试验​严酷​的​电磁​环境​干扰、​高原、​高温​和​振动​考核。"

- 跃​钢 周,

挑战:

发动​机​部件​测试,​需要​创建​测试​方法、​开发​测试​平台,​解决​常规​测试​方法​无法​实施​的​测量​项目。​目前​可供​发动​机​部件​测试​借鉴​的​试验​方法​和​测试​技术,​不能​完全​满足​部件​商品​改进​和​产品​开发​需求,​存在​的​主要​问题: ①​重视​整​车、​整​机​测试,​轻视​部件​测试。​部件​测试​技术​前期​开发​不足,​构​建​测试​系统​应付​了​事。​测试​功能​由​厂商​定义​的​菜单​式​仪器,​不​具备​二次​开发​特性,​设备​资源​利用​率​低。​②​测试​数据​重复​性差。​导致​部件​同一​测量​部位,​同一​测试​工​况​测量​数据​比对​一致性​差。​③​测试​效率​低。​存在​数据​采集​与​计算​存储​速率​匹配​矛盾,​高​频​采样​与​冗​余​数据​产生​矛盾。​④​部件​测试​核心​技术​储备​不足。​急需​开展​的​部件​测试​因​存在​技术​瓶颈​无法​实施,​开发​测试​方法​面临​一​无​经验​二​无​专​项​测试​技术​传承,​存在​应用​空白。

解决​方案:

创建​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​开发​用户​软件​自​定义、​以​LabVIEW 软件​为​核心​的​自动​化​测试​系统​架构​设计,​设计​研制​测试​机械​装置,​开展​部件​测试​传感器​制作。​在​一个​开放​式​的​cDAQ​平台​上​集成​多种​I/​O 模​块​和​测试​功能,​创建​测试​方法、​设计​控制​算法、​编​程​测​控​软件,​为​发动​机​部件​测试​复杂​技术​问题​提供​软件​自​定义​的​灵活​解决​方案。​项目​实施​过程​中,​应用​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​开展​中型​柴油​发动​机​主​轴承​座​及​端​盖​应力、​中型​和​重型​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试,​中​重型​柴油​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度、​缸​盖​温度、​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试,​拓展​应用​于​整​车​车​架​应力​测试,​形成​了​具有​自主​知识​产权​的​一​整套​从​发动​机​部件​测试​系统​开发、​测量​方法​创建​到​测试​应用​评价​体系​建立,​项目​综合​体现​了​发动​机​部件​测试​系统​最新​测​控​技术​的​实际​应用。

1.​引言

    发动​机​质量​水平​依赖​于​各个​部件​质量​优​劣,​部件​测试​越​深入,​整​机​可靠性​耐久性​暴露​问题​越​少。​随着​商品​发动​机​改进、​新品​发动​机​开发​和​竞​品​发动​机​分析​的​测试​需求​增加,​发动​机​部件​测试​的​作用​日趋​凸显。​这​给​传统​的​发动​机​部件​测试​带来​了​前所未有​的​挑战,​发动​机​部件​测试​必须​与​时​俱​进、​拓展​新​功能​和​进行​方法​的​创新。

 

发动​机​部件​测试,​一种​是​使用​菜单​式​仪器​拿来​即​用,​无​需​编​程、​使用​简单。​第二​种​需要​构​建​测试​平台,​根据​控制​对象​灵活​组合​测​控​模​块,​在​同一​平台​实现​软件​自​定义​的​多​参数​测量​控制​和​不同​采样​率​设置、​可​定义​的​分析、​可​视​化​和​文件​I/​O,​该​方式​代表​了​当今​国内外​发动​机​部件​测试​的​主流​技术。

 

开发​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​首先​一个​通用​平台​满足​各种​测试​需求。​用户​根据​测试​对象​组合​测​控​模​块,​进行​各种​测试​的​控制​程序​开发,​开展​发动​机​部件​测试​方法​创新。​其次​解决​测试​数据​重复​性差​的​问题。​应用​比值​测量​消除​A/​D 量化​误差、​比值​计算​增加​测量​数据​稳定,​提高​测量​精度。​第三​解决​如何​提高​测量​效率​的​问题。​创建​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法,​队列​的​缓冲​作用,​兼顾​数据​采集​与​计算​存储​的​速率​匹配​矛盾,​采集、​计算​存储​并行​进行。​创建​自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法,​设置​高​频​采样​和​降​频​采样​频率,​进行​傅​里​叶​功率​谱​密度​函数、​互​相关​函数、​相关​系数、​均​方​差​计算,​开展​频​域​时​域​相关​性​分析。​相关​性​吻合​采用​降​频​采样​频率,​减少​无​谓​的​冗​余​数据​海量​计算​存储。​第四​应用​于​技术​难度​大​过去​无法​实施​的​测试​项目。​发动​机轴​向​负荷​加​载​测试​打破​技术​壁垒​封锁,​攻克​部件​传感器​制作​瓶颈​开拓​测试​新​功能,​部分​项目​填补​了​发动​机​部件​测试​的​应用​空白,​是​面向​特殊​测试​的​创新​技术​应用​范​例。

 

基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统​的​开发​与​应用,​解决​由​使用​固定​软件​且​功能​厂商​定义​的​测试​平台​无法​完成​的​测试​难题,​开展​发动​机​部件​测试​系统​开发、​测试​方法​创建​和​测试​应用​评价​体系​的​建立。

 

2.​测试​系统

2.1 cDAQ 平台

    
​cDAQ(Compact Data Acquisition)​平台,​美国​国家​仪器​公司​创建​的​多功能​便​携​式​数据​采集​平台,​见​图​2.1。​包含​NI CompactDAQ 机​箱、​NI c 系列​热​插​拨​I/​O 模​块,​USB 接口​控制,​连接​基于​LabVIEW 图形​化​编​程​语言​的​主机。​基于​cDAQ 平台​的​测试​及​控制​解决​方案,​可以​实现​用户​软件​定义​的​数据​采集、​数据​记录、​数据​分析​和​测量​显示,​适合​于​多功能​的​数据​采集​应用​和​信号​控制。

 

 

 

NI CompactDAQ 机​箱​控制​用户​自​定义​定​时、​同步​和​多​达​8 个​c 系列​I/​O 模​块​之间​数据​传输,​同时​管理​多个​定​时​引擎,​在​相同​系统​内​运行​多​达​7 个​不同​采样​率​的​硬件​定​时​I/​O 任务。

 

NI C 系列​50 多种​热​插​拨​I/​O 模​块,​BNC 接口​或​螺丝​端子​接口​直接​连接​传感器,​模​块​内​置​抗​混​叠​滤波​器、​信号​调理​和​A/​D 转换​器,​通道​间​隔离​或​组​隔离、​带有​终端​连接​器,​测量​信号​包括​温度、​负荷、​压力、​应力、​扭矩、​加速度、​数字​I/​O、​计数​和​定​时、​CAN 通讯​等,​适应​不同​类型​的​物理​信号​测试​系统​要求。

 

cDAQ 平台​需要​根据​控制​对象​和​检测​功能​积木​式​组合​I/​O 接口​模​块,​测试​效率​取决​于​测试​方法​创建、​LabVIEW 软件​结构​设计​和​编​程​技巧。

 

2.2 系统​开发

应用​美国​国家​仪器​公司​NI cDAQ 开放​式​模​块​化​数据​采集​硬件​平台​和​LabVIEW 图形​化​编​程​软件,​开发​用户​软件​自​定义​的​发动​机​部件​测试​系统,​见​图​2.2。​该​系统​体现​以​LabVIEW 图形​化​编​程​软件​为​核心​的​自动​化​测试​系统​架构​设计,​在​cDAQ 平台​上​根据​部件​测​控​参数​组合​接口​模​块,​用户​只做​部件​测试​方法、​控制​算法​和​控制​程序​的​顶​层​设计,​以及​部件​测试​机械​装置​开发​和​测试​传感器​制作​的​底层​设计,​为​发动​机​部件​测试​复杂​技术​问题​提供​解决​方案。​应用​创新​技术​实现​部件​产品​应力、​压力、​负荷、​温度、​转​速、​扭矩、​数字​I/​O、​振动​和​加速度​等​性能​参数​测试​考核,​解决​由​使用​固定​软件​且​功能​由​厂商​定义​的​传统​测试​平台​无法​完成​的​测试​难题。

 

基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​包含​NI cDAQ 9172 机​箱​和​NI c 系列​模​块,​图形​化​编​程​软件​LabVIEW2011,​完成​部件​测试​开发​研制​的​发动​机轴​向​负荷​加​载​装置,​制作​发动​机​缸​盖、​止​推​片​K 型​热电​偶​温度​传感器​和​高压​油管​应变​传感器,​以及​Pt100 铂​电阻、​1/4 桥​电阻​应变​片​和​应变​花、​压力​变​送​器、​K​型​铠​装​热电​偶​等​传统​传感器。​cDAQ 9172 机​箱​8 槽​位,​能​控制​多​达​8 个​热​插​拨​c 系列​I/​O 模​块​之间​数据​传输​以及​模​块​数据​采集​的​定​时、​同步​功能。​NI c 系列​NI 9219、​NI 9234、​NI 9235、​NI 9237、​NI 9477 等​即​插​即​用​模拟、​数字​I/​O 测​控​模​块,​满足​发动​机​部件​测试​需求。​未来​还​将​根据​部件​测试​功能​拓展,​在​线​缆​式​cDAQ​平台​上​增加​NI c 系列​模​块​或​升级​至​CompactDAQ​控制器。​主机​PC​运行​用户​自​定义​开发​的​LabVIEW​测​控​程序,​通过​USB 接口​控制​cDAQ 平台​实现​数据​采集,​在​同一​平台​实现​多​参数​测量​控制​和​不同​采样​率​设置。​LabVIEW 测​控​程序​通过​调​用​系统​服务​与​驱动​层​底层​驱动​函数,​与​硬件​I/​O 模​块​实现​无缝​集成​控制。

 

 

3.​测试​技术

3.1 比值​测量​计算​方法

3.1.1 比值​测量

发动​机​台​架​试验​扭矩​及​压力​测量、​轴​向​负荷​加​载​测量、​主​轴承​座​及​端​盖​应力​测量、​共​轨​压力​测量​和​燃油​消耗量​称​重​测量,​以及​整​车​车​架​应力​测量,​所用​传感器​由​四​个​桥​臂​的​惠​斯通​电​桥​组成。​根据​检测​组​件​配置​的​单​桥​臂、​双​桥​臂​或​四​桥​臂​电阻​应变​片,​构成​1/4 桥、​半​桥​或​全​桥​电路,​目前​存在​的​问题:

①​测量​接口​模​块​与​测​点​应变​传感器​之间​导线​压​降,​导致​应变​传感器​激励​电压​和​A/​D 转换​器​基准​电压​非​等​电位,​A/​D 转换​量化​结果​引入​测量​误差。

② 应变​传感器​测量​值​计算,​取​激励​电压​设定​常数,​激励​电压​波动​变化​引入​计算​误差。

 

上述​因素,​导致​部件​同一​测量​部位,​同一​测试​工​况​测量​数据​比对​一致性​差。

比值​测量​计算​方法,​见​图​3.1。​比值​测量,​根据​运算​放大器​输入​阻抗​高​输入​电流​为​零​致使​传输​导线​不​产生​压​降​特点、​应用​基准​电压​检测​器​检测​应变​传感器​激励​电压​Vcc,​检测​值​实​时​跟踪​激励​电压​波动​其​输出​驱动​作为​A/​D 转换​器​基准​电压​Vref。​Vcc 等于​Vref,​A/​D 转换​补偿​激励​电压​至​应变​传感器​导线​电阻​Rlead 产生​的​压​降​引起​的​增益​误差,​消除​激励​电压​变化​和​温度​飘移​对​A/​D 量化​结果​的​误差​影响。

 


 

比值​测量​方法​的​优势​增加​测量​稳定​性。​激励​电压​变化,​激励​电压​被​检测​并​反馈​到​A/​D 转换​器​基准​电压​端,​激励​电压​Vcc 与​A/​D 基准​电压​Vref 等​电位,​A/​D 量化​精度​不受​激励​电压​变化​影响。

 

3.1.2 比值​计算

应用 Vin/​Vcc 比值​计算​方法,​计算​车​架​应力、​发动​机​扭矩、​轴​向​负荷、​缸​体​应力​和​高压​油管​应力,​将​传感器​输出​电压​对应​的​各种​物理​参数​替换​成​比值​对应,​其​线性​表达​式:

y = kx + b

式​中,​y 为​测量​物理​值,​x 为​应变​传感器​输出​比值​Vin/​Vcc,​k 为​增益​系数,​b 为​应变​传感器​零点​失调​物理​值。

比值​计算​方法​的​优势​标定​测量​数据​重复​一致性​好。​对应 A/​D 模拟​输入,​比值​计算​与​传感器​激励​电压​Vcc 变化​无关,​对应​N、​Nm、​lb、​kg、​Pa 及​Psi 各种​物理​量的​检测​计算​稳定,​减少​重复​标定​次数​或​分段​标定​区域。

发动​机​部件​应变​应力​测量,​应用 NI 9237 模​块​比值​测量​和​LabVIEW 测​控​程序​比值​计算​算法,​提高​测量​数据​重复​一致性​和​精确​度。

 

3.2 基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法

发动​机​部件​测试,​在​数据​采集​和​计算​存储​并行​执行​的​程序​结构​中,​通过​局部​变量​传递​数据,​数据​采集​速率​大于​数据​计算​存储​速率,​产生​遗漏​计算​采集​数据;​数据​采集​速率​小​于​数据​计算​存储​速率,​产生​重复​计算​采集​数据。​由于​存在​数据​采集​与​实​时​计算​存储​的​速度​匹配​瓶颈,​导致​测试​效率​降低。

 

设计​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法,​见​图​3.2。​生产​者​主​循环​实现​数据​采集,​并​将​数据​放入​队列;​消费​者​从​循环​依次​从​队列​中​取出​数据,​实现​数据​计算​存储。​联​接​两​个​循环​的是​基于​队列​的​数据​管道,​主​循环​数据​通过​队列​传递​给​从​循环,​主​循环​与​从​循环​并行​执行。

基于​队列​的 LabVIEW 生产​者/​消费​者​循环​数据​结构,​利用​队列​构​建​的​FIFO(先入​先​出)​将​数据​进行​缓​存,​当​消费​者​的​计算​存储​执行​速率​小​于​生产​者​数据​采集​速率,​队列​长度​将​不断​增加,​不会​遗漏​读​取​采集​数据。​当​消费​者​的​计算​存储​执行​速率​大于​生产​者​数据​采集​速率,​从​队列​中​每​取​完​一​组​数据​队列​长度​即为​空,​不会​重复​读​取​采集​数据。​由于​队列​的​缓​存​作用,​不管​消费​者​模式​的​计算​存储​运行​速率​如何,​生产​者​消费​者​模式​始终​保证​消费​者​循环​处理​的是​正确​的​数据。

 

3.3 自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法

高速​数据​采集,​导致​大量​冗​余​数据​涌​入。​海量​数据​计算​和​冗​余​数据​存储,​增加​数据​处理​计算​负荷。​必须​杜绝​发动​机​部件​采样​频率​仅​凭​经验​或​靠​感觉​确定​的​弊端,​减少​冗​余​数据​量​无​谓​计算、​节省​存储​空间​并​提高​数据​处理​分析​效率。

 

设计​自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法,​见​图 3.3,​应用​傅立叶​功率​谱​函数​和​相关​性​函数​分析,​确定​测量​信号​频率。​根据​信号​频率​设置​采样​率,​达到​试验​研究​和​测试​结果​所需​精度​要求。

 

信号​参数​的​频率​响应​范围,​设定​第一​高​频​采样 X0(t)​和​第二​降​频​采样​X1(t),​作​时​域、​频​域​分析。​首先​应用​FFT 傅立叶​功率​谱​密度​函数​进行​频率​响应​分析​计算,​求​出​被​测​参数​信号​响应​频率,​以​重型​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试​为​例,​设定​采集​频率​5KHz,​发动​机​转​速​1900r/​min,​外​特性​试验​的​采集​数据,​进行​傅立叶​功率​谱​密度​函数​频率​响应​计算​分析,​见​图​3.4,​应变​信号​响应​频率​16Hz。​若​不同​采样​频率​的​信号​可以​互换,​等​价​条件​为​功率​谱​图​相邻​最​大幅​值​间​的​频率​相同。

 

其次​进行​相关​性​判断,​互​相关​函数​反映​两​个​样本​在​不同​时刻​之间​的​相互​依存​关系。​运用​互​相关​函数、​相关​系数、​均​方​差​计算​两​种​信号​波形​在​不同​时刻​的​相似​性​和​关联​性,​判断​是否​具有​互换​性。​如果​高​频​采样​X0(t)​和​降​频​采样​X1(t)​二者​具有​极​高​相关​性,​且​相关​系数​和​均​方​差​值​计算​没有​超出​门槛​值,​应用​降​频​采样。

 

如果​在​某些​特征​参量​上​差异​超出​设定​门槛​值,​使用​原​频率​采样。

以​中型​柴油​发动​机​主​轴承​座​应力​测量​为​例,​两​组​不同​采样​频率​的​主​轴承​座​应力​信号​波形​互​相关​分析,​见​图​3.5。​图​3.5a 两​组​应力​信号​采样​频率​同​为​10kHz,​相关​系数​计算​等于​1,​均​方​差​计算​等于零,​信号​波形​完全​相同。​图​3.5b 为​第一​高​频​10kHz 采样​和​第二​降​频​9kHz 采样​的​信号​波形​互​相关​性​分析,​相关​系数​<​1,​均​方​差​计算​>​0,​两​组​信号​波形​高度​吻合。​图​3.5c 为​第一​高​频​10kHz 采样​和​第二​降​频​40Hz 采样​的​信号​波形​互​相关​性​分析,​相关​系数​计算​近似​等于零,​均​方​差​计算​误差​超出​门槛​值​出现​错误​警示,​两​组​信号​波形​风马牛​不相​及、​毫不​相关。

 

自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法,​根据​LabVIEW 信号​处理、​数据​分析​软件​FFT 傅立叶​频​谱​分析​和​相关​函数​计算,​寻找​最优​采样​频率,​使​采样​频率​真实​接近​测试​参数​响应​频率​的​整数​倍。​即​真实​反映​信号,​又​不​出现​数据​冗​余。

 

3.4 发动​机轴​向​负荷​加​载​控制​方法

发动​机​部件​测试,​除​需​建立​测试​平台​外、​还​需​研制​测试​装置、​制作​部件​传感器,​远​比​具有​现成​检测​设备​的​整​机​台​架​测试​准备​工作​复杂​的​多。​部件​测试​开发,​没有​现成​的​技术​方法​可以​借鉴,​没有​全套​齐全​的​设备​能够​买到,​部件​测试​装置​的​开发​源​于​创新。

 

发动​机轴​向​加​载​测试​装置​设计,​见​图 3.6。​气缸​支架、​联​接​杆​支座​安装​在​发动​机​试验​室​铁​地板​上,​止​推​轴承​装配​在​止​推​轴承​套​座​内,​止​推​轴承​套​座​用​螺栓​固定​在​发动​机​曲轴​法​兰​盘​前端。​通过​cDAQ 平台​NI9477 控制​气缸​气压​压力​实现​轴​向​推​拉力​双向​加​载、​NI 9237 检测​轴​向​加​载​负荷,​拉​压力​传感器​承载​气缸​活塞​直线​行程​的​推​拉力,​并​将​力矩​传递​给​联​接​杆。​止​推​轴承​承载​联​接​杆​直线​行程​的​推​拉力,​并​将​力矩​作用​至​旋转​的​发动​机​曲轴​法​兰​盘​端面,​完成​发动​机​运转​时​轴​向​负荷​推​拉力​加​载​的​试验​考核。

 

 

发动​机轴​向​负荷​加​载​测试,​应用​于​发动​机​曲轴​端面、​气缸​体​端面、​轴​瓦​端面、​飞​轮​端面、​变速箱​端面​施加​轴​向​负荷​推​拉力​加​载,​考核​发动​机​部件​产品​耐久性​能​的​专​项​测试。

 

3.5 发动​机​部件​传感器​制作​方法

3.5.1 高压​油管​应变​传感器​制作

发动​机​部件​测试,​除​应用​传统​的​商品​传感器​外,​亦​需要​专​项​制作​部件​传感器。​部件​传感器​制作​缺陷,​往往​导致​部件​测试​系统​的​应用​功​亏​一​篑。

共​轨​柴油​发动​机​燃油​供给“大动脉”高压​油管,​使用​过程​中​若​出现​断裂​或​漏油​等​失效​故障,​不仅​影响​发动​机​可靠性,​而且​直接​关系​人身​和​车辆​安全。​在​发动​机​高压​油管​应变​测试​实践​中,​如何​选​型​应变​片​和​制作​应变​传感器,​是​保障​测试​成功​的​关键。

 

应变​片​选择,​采用​输出​阻抗​120Ω​两​轴​90°​垂直​应变​花,​测量​高压​油管​轴​向​和​径​向​应变,​计算​应变​合力。​根据​高压​油管​管​径​与​长度,​选择​敏感​栅​长度​3mm 以上、​自我​温度​补偿​(敏感​栅​材料​与​被​测​物​材料​热​膨胀​系数​相对​应)​的​3 线​制​金属​箔​式​应变​片,​消除​应变​片​阻值​和​引线​电阻​随​温度​变化​的​影响。

 

高压​油管​应变​片​粘贴​部位,​选择​能​最大​感受​油管​应力​的​管​件​端​头​部位,​其中​两​轴​90°​应变​花​粘贴​位置,​距​高压​油管​端​头​距离​20mm,​见​图​3.7a。​针对​细​径​圆​管​和​不​规则​弯曲​形状,​为​真实​检测​应力​和​防止​应变​片​粘贴​不​实​振动​脱落,​设计​了​应变​传感器​制作​方法。​①​检查​分​选;​②​管​件​打磨;​③​划​线​定位;​④​贴​面​清洗;​⑤​涂​剂​粘​片;​⑥​加​压​固定;​⑦​质量​检查;​⑧​防护​处理。​制作​完成​的​高压​油管​应变​传感器,​见​图​3.7b 和​3.7c。

 

 

应用 cDAQ 平台​NI 9235、​NI 9237 及​附件​NI 9944 接口​模​块,​开展​高压​油管​动态​应变​测量,​制作​合格​的​高压​油管​应变​传感器,​频​谱​分析​能够​捕捉​并​呈现​与​发动​机​转​速​基​频​对应​的​最​大幅​值​和​周期,​见​图​3.4。

3.5.2 止​推​片​温度​传感器​制作

发动​机​止​推​片​表面​磨损,​导致​发动​机​曲轴​窜​动、​活塞​拉​缸、​离合​器​挂​档​分离​困难​和​运转​异​响,​止​推​片​磨损​过程​中​温度​异常​上升​还​会​产生​严重​烧​蚀​或​抱​轴;​造成​曲轴​止​推​面​和​缸​体​轴承​座​侧面​摩擦​磨损、​缸​体​和​曲轴​报废​的​严重​故障。​在​考核​止​推​片​材料​的​止​推​耐磨​性能​试验​中,​如何​向​发动​机​曲轴​端面​施加​轴​向​负荷​加​载,​怎样​制作​和​安装​止​推​片​温度​传感器,​如何​准确​检测​止​推​片​温度,​是​实现​止​推​片​性能​测试​的​关键​技术。

 

 

 

沿​发动​机​曲轴​纵​向​方向,​在​发动​机​主​轴承​座​和​主​轴承​座​端​盖​前后​各有​2 片上、​下​止​推​片。​发动​机​止​推​片​传感器​制作,​见​图​3.8。​沿​止​推​片​圆周​30º、​90º、​150º​处,​在​上、​下​止​推​片​壁​厚​2.5mm 中​线​位置​各​钻​Ф1.1、​深​7mm 小​孔​3 个,​沿​壁​厚​圆​弧​面​加工​宽​1mm、​深​4mm 沟​槽,​在​小​孔​内​安装​点​焊​后​的​镍​铬​镍​硅​K​型​热电​偶​丝,​沿​沟​槽​引出​并​用​密封​胶​填充​固定。​止​推​片​温度​传感器​筛选,​设定​测量​误差​≤​±2℃,​合格​产品​作为​发动​机​止​推​片​试验​样品。

 

4.​部件​测试

4.1 发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试

中​重型​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试​系统,​NI cDAQ 9172 测试​平台,​含​8 种​轴​向​推​拉力​加​载​控制​NI 9477 模​块、​轴​向​力​检测​NI 9237 模​块、​3 组​12 通道​K 型​热电​偶​温度​检测​NI 9219 模​块,​见​图​4.1。

 

 

 

止​推​片​温度​传感器​安装,​见​图 4.2。​首先​在​发动​机​主​轴承​座​安装​上​止​推​片,​装入​曲轴,​安装​主​轴承​座​端​盖​的​同时​装入​下​止​推​片。

 

 

 

发动​机轴​向​负荷​加​载​测量,​采用​电阻​应变​桥​式​拉​压力​传感器。​应用​Vin/​Vcc 比值​测量​计算​方法,​见​图​4.4。​拉​压力​传感器​激励​电压​变化​时,​接口​模​块​A/​D 转换​器​参考​电压​同步​变化,​A/​D 转换​器​模拟​输入​与​激励​电压​的​比值​Vin/​Vcc 保持​恒定,​测量​精度​不受​激励​电压​波动​的​影响。

 

 

 

应用​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​止​推​片​可靠性​测试​界面​见​图​4.5。​开展​发动​机​稳定​工​况、​带​负荷​起动​正常​润滑​工​况​和​边缘​润滑​工​况​轴​向​负荷​加​载​12 通道​止​推​片​温度​测试,​考核​发动​机​止​推​片​受​轴​向​负荷​作用​下​的​温​升​及​磨损,​对​止​推​片​可靠性​进行​判断。

 

 

 

发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试,​稳定​工​况​下​止​推​片​最高​温度​为​131.90℃,​见​表​4.1。​稳定​工​况​试验,​止​推​片​表面​未​出现​擦伤​痕迹,​亦​未​出现​明显​的​摩擦​痕迹。

 

 

 

本​项目​开发​与​应用,​攻克​发动​机​止​推​片​性能​测试​轴​向​负荷​加​载​控制、​止​推​片​温度​传感器​制作​和​安装​的​技术​瓶颈,​填补​发动​机​部件​专​项​测试​的​应用​空白,​是​面向​特殊​测试​的​创新​技术​应用​范​例。

 

4.2 发动​机​主​轴承​座​及​端​盖​应力​测试

发动​机​动力​性、​经济​性​和​降低​排放​的​整体​性能​指标​提升,​要求​发动​机​缸内​燃烧​压力​随​之​增加,​缸内​最大​爆发​压力​导致​发动​机​疲劳​应力​分布​主要​集中​在​主​轴承​座​区域。

为​考核​发动​机​缸​体​轴承​座​所​承受​的​应力,​开展​台​架​试验​中型​柴油​发动​机​主​轴承​座​及​端​盖​应力​测试。​发动​机​主​轴承​座​1 缸​侧​粘贴​1/4 桥​120Ω​电阻​应变​片,​主​轴承​端​盖​粘贴​1/4 桥​120Ω​电阻​应变​片​及​90°​电阻​应变​花,​见​图​4.6。

 

 

应用​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​主​轴承​座​应变​应力​测试​系统,​见​图​4.7,​NI 9219、​NI 9237 和​NI 9944​组成​1/4 桥​应变​测量​接口​模​块。​建立​台​架​试验​工​况​主​轴承​座​应力​分析、​主​轴承​座​应力​随​爆​压​变化​规律​分析​的​测试​应用​评价​体系。​开展​主​轴承​座​端​盖​螺栓​安装​应力,​外​特性​工​况​主​轴承​座​应力,​负荷​特性​工​况​主​轴承​座​应力​测量。

 

 

 

发动​机​转​速 2400r/​min 负荷​特性​工​况,​主​轴承​座​应力​峰值​测量,​见​图​4.8。​发动​机​主​轴承​座​应力​响应​主要​由​缸​压​作用​产生,​应力​峰值​的​大小​与​爆​压​压力​大小​有关。

 

 

 

发动​机​转​速 2400r/​min 外​特性​工​况,​主​轴承​座​应力​测试​的​采集​数据,​应用​傅立叶​功率​谱​密度​函数​进行​信号​频率​响应​计算,​见​图​4.9,1/4 桥​应变​片​应变​信号​响应​频率​20Hz,​对应​发动​机​转​速​2400r/​min 的​基​频。

 

 

 

4.3 发动​机​高压​油管​应力​测试

高压​油管​产品​设计、​材料​选​型、​仿真​计算、​可靠性​评价,​需要​进行​应力​测试​验证。​而​对​这​方面​的​测试​技术、​试验​方法、​数据​分析​过去​往往​缺乏​认识,​具体​测试​过程​出现​的​问题​未能​解决。​为此,​进行​共​轨​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试​系统​的​开发,​开展​测试​技术​创新​和​试验​方法​研究,​解决​多​通道​数据​采集​与​实​时​计算​存储​的​速度​匹配​瓶颈、​高速​数据​采集​与​冗​余​数据​产生​导致​测试​效率​低下​问题。

应用​基于 cDAQ 平台​的​NI cDAQ9172 机​箱、​NI 9235 1/4 桥​应变​测量​模​块、​NI 9237 和​NI 9944 1/4​桥接​线​座,​组成​中、​重型​共​轨​柴油​发动​机​高压​油管​应变​应力​测试​系统。

建立​高压​油管​应力​测试​评价​体系,​开展​安装​强度​应力​和​运行​疲劳​应力​测试。​数据​分析,​应用​Goodman​曲线​进行​产品​强度​应力​和​疲劳​应力​可靠性​评价。​同时​对​运行​应力​测试​数据​开展​频​谱​分析,​分析​疲劳​应力​产生​原因​及​确定​自​适应​数据​采集​频率。​重型​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试​部位,​见​图​4.10、​4.11。

 

 

 

应用​自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法,​设定​第一​高​频​采样 10kHz 和​第二​降​频​采样,​进行​FFT 功率​谱​密度​函数​频率​响应​分析​和​信号​相关​性​计算,​减少​无​谓​的​冗​余​采集​数据​海量​计算​存储,​提高​测试​效率。​采样​频率​5KHz,​对​图​4.11 重型​发动​机​第​6 缸​轨​至​嘴​高压​油管​喷​嘴​端​90°​应变​花​1-1 和​1-2 测​点、​共​轨​端​90°​应变​花​1-3 和​1-4 测​点​开展​轴​向​和​径​向​应力​频​谱​分析,​见​图​4.12。​2 组​轴​向​和​2 组​径​向​应力​响应​频率​均​为​15.83Hz,​运行​应力​周期​0.063s,​与​发动​机​转​速​1900r/​min 的​基​频​吻合。

 

 

 

高压​油管​运行​应力​测试​频​谱​分析​表明,​发动​机​轨​压​建立​过程,​油管​工作​时​受到​的​周期​应力、​以及​发动​机​运行​振动​导致​的​油管​应力​幅​值​变化,​是​产生​油管​疲劳​失效​的​主要原因。​疲劳​应力​一方面​受到​管内​轨​压​的​作用,​另一方面​亦​受到​喷​油、​供​油​压力​波动​的​作用。​在​疲劳​应力​的​基础​上,​还有​与​发动​机​转​速​基​频​对应​的​周期性​应力​响应。

 

 

 

多​通道​数据​采集​和​存储​计算,​设计​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法,​见​图​4.13。​首先​对​cDAQ 平台​接口​模​块​设置​初始​化,​创建​数据​采集​任务、​设定​采样​频率、​启动​定​时​采集,​循环​读​取​采集​数据,​数据​采集​结束​删除​任务​释放​资源。​多​任务​并行​处理​采用​LabVIEW 生产​者/​消费​者​循环​数据​结构,​生产​者​循环​使用“元素​入​队列”函数​向​数据​簇​队列​中​添加​采集​数据,​消费​者​循环​使用“元素​出​队列”函数​从​数据​簇​队列​中​取出​数据。​当​数据​采集​速率​快​于​数据​计算​存储​速率,​来不及​处理​的​数据​缓​存​于​队列​中,​保证​采集​数据​不​丢失。​基于​队列​的​循环​间​数据​传输,​采集、​计算、​存储​多个​任务​并行​执行,​消除​后​续​离​线​数据​处理​分析,​具有​更高​测试​吞吐量,​提高​程序​效率。​运筹​于​帷幄​之中,​决​胜​于​千里​之外。

重型​发动​机​高压​油管​晶粒​钢​材料​PP600,​极限​抗​拉​强度​800Mpa,​屈服​强度​700Mpa,​疲劳​极限​240Mpa,​0.1RPH(0.1%​失效​率​下​的​疲劳​极限)​152Mpa。​应用​Goodman 应力​分析​评价​见​图​4.14。​安装​平均​应力​值​(强度​应力)​作为​横坐标、​运行​平均​应力​值​(疲劳​应力)​作为​纵​坐标,​0.1%​失效​的​疲劳​极限​与​横坐标、​坐标​原点​及​纵​坐标​所​组成​的​区间​为​安全​工作​区。

 

 

 

重型​发动​机​高压​油管​应力​测量​值​分布​在 0.1%​失效​的​疲劳​极限​线​以下,​测量​应力​满足​Goodman 曲线​材料​强度​与​疲劳​强度​限​值​要求。

应用 cDAQ 平台​和​LabVIEW 测​控​程序,​开展​高压​共​轨​中型​柴油​发动​机​泵​至​轨​高压​油管​安装​应力​和​运行​应力​测试,​见​图​4.15。

 

 

 

发动​机​转​速 2400r/​min 外​特性​试验​工​况,​数据​采样​频率​5kHz。​应用​Goodman 曲线​判断​高压​油管​安装​应力​和​运行​应力​分布​状况,​见​图​4.16。

 

 

 

发动​机​高压​油​管材​质 PP600 PPSH Q 级,​弹性​模​量​E=212,​泊​松​比​μ=0.285,8 路​应力​测量​平均值​分布​在​0.1%​失效​的​疲劳​极限​线上​下​区间,​2 路​测量​应力​值​略​超过​0.1%RPH 限​值、​小​于​疲劳​极限​值​要求。

4.4 发动​机​缸​盖​温度​测试

发动​机​缸​盖​设计,​鼻梁​区​热​应力​情况、​水流​场​工作​情况、​材料​选​型​等​基础​工作​和​仿真​计算,​需要​开展​缸​盖​温度​测试,​以​适应​发动​机​功率​提升​的​高​爆​压​要求。

应用​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​开展​中​重型​柴油​发动​机​缸​盖​温度​测试,​见​图​4.17。​缸​盖​温度​K 型​热电​偶​传感器,​安装​在​缸​盖​进、​排​气​道​的​鼻梁​区间,​K 型​热电​偶​温度​测量​模​块​NI 9219。

 

 

 

外​特性​工​况​下​控制​发动​机​出水​温度 88℃,​开展​缸​盖​温度​测量、​缸​盖​温度​梯度​计算,​以及​全​负荷​工​况​下​改变​出​水温​进行​缸​盖​测​温,​数据​采集​频率​1Hz。

发动​机​外​特性​工​况、​缸​盖​测​点​温度​及​温度​梯度​变化,​见​图​4.18。​1 缸​排排​3mm 测​点​位置、​1700r/​min-2300r/​min 区域,​缸​盖​平均​温度​340℃​以上,​最高​温度​349.1℃。​1700r/​min​~​2300r/​min 区域,​1 缸​排排​断面​测​点​位置,​缸​盖​温度​梯度​≥17℃/​mm。​据此​计算,​1 缸​排排​缸​盖​表面​平均​温度​在​391℃​以上

(340℃​+17℃/​mm×3 mm =391℃)。

 

 

 

4.5 发动​机​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试

高压​共​轨​柴油​发动​机,​使用​涡轮​增​压​器​回收​发动​机​排​气​能量,​驱动​排气管​道​的​涡轮​带动​同​轴​的​进​气​管道​的​叶轮,​叶轮​压​送​由​空气​滤清​器​管道​吸​进​的​空气,​使​之​增​压​进入​气缸。​提高​发动​机​升​功率​和​燃油​经济​性,​降低​发动​机​油耗​和​排放,​提供​高原​功率​补偿。​涡轮​增​压​器​出口​与​发动​机​进​气管​之间​的​中​冷​器,​对​进入​气缸​的​空气​进行​冷却。​整​车​道路​试验,​发动​机电​控​单元​EECU 的​轨​压、​主​喷、​预​喷​和​后​喷、​涡轮​增​压​器​限​热​模式​参数​调整,​需要​监测​涡轮​增​压​器​相关​参数​验证。​中​重型​柴油​发动​机​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试​部位,​见​图​4.19。

 

 

 

基于 cDAQ 平台​的​发动​机​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试,​见​图​4.20。​NI cDAQ9172 测试​平台,​压力​接口​模​块​NI 9234,​接口​激励​电压​24V 输出​量程​0​~​5V 的​压力​变​送​器,​测量​中​冷​后​压、​排​气​背​压​和​进​气​压力;​温度​接口​模​块​NI 9219,​接口​量程​±100℃​的​Pt100 铂​电阻​测量​进​气​温度,​接口​K 型​铠​装​热电​偶​测量​中​冷​后​温、​涡​前排​温和​涡​后排​温。

 

 

 

发动​机​涡轮​增​压​器​压力、​温度​测试​数据​采集​控制​程序,​见​图 4.21。

 

 

 

4.6 车​架​应力​测试

在​车辆​研发​过程​中,​对​车​架​进行​应力​测量​是​进行​静态​和​动态​结构​强度​评估​的​不可​缺少​的​环节。​应用​cDAQ 平台​NI cDAQ9172 机​箱、​NI 9235 应变​片​测量​接口​模​块,​开展​整​车​车​架​应力​测量。​1/4 桥​应变​片​粘贴​在​车​架​纵​梁​正下方,​测试​部位​见​图​4.22。​车​架​纵​梁​材料​DL590 大梁​钢,​强度​极限​590MPa、​屈服​极限​450MPa,​整​车​进行​空​载-​怠​速-​加​载-​满载​运​料​行驶,​测试​工​况​见​图​4.23。

 

 

 

车​架​大梁 6 组​应变​测量​数据​曲线,​见​图​4.24。​根据​测​点​的​数据​分析​对比,​车​架​的​应力​分布​从​前端​至​后​端​呈现“前​拉​后​压”的​分布​趋势。

 

 

 

5.​结论

开发​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统,​应用​美国​国家​仪器​公司​NI cDAQ 平台​和​图形​化​编​程​语言​LabVIEW 开发​软件,​开展​发动​机​部件​测试​方法​的​基础​技术​研究​和​技术​创新,​应用​比值​测量​消除​A/​D 量化​误差、​比值​计算​增加​测量​数据​稳定,​创建​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法​以及​自​适应​数据​采集​频率​设置​方法​提高​测试​效率,​创建​发动​机轴​向​负荷​加​载​控制​方法​攻克​技术​瓶颈,​创建​部件​传感器​制作​方法​完成​以往​无法​实施​的​测量​项目,​应用​创新​技术​实现​发动​机​部件​产品​性能​的​测试​考核,​项目​成果​可以​拓展​到​整​车、​变速箱、​底盘​传​动​系​部件​测试。

本​项目​应用 NI cDAQ9172 平台,​经受​了​发动​机​台​架​试验、​整​车​道路​试验​严酷​的​电磁​环境​干扰、​高原、​高温​和​振动​考核。​台​架​试验​cDAQ 平台​与​运转​的​发动​机​近在咫尺,​通过​10​~​15m 功率​放大​的​USB 传输​线​连接​控制​室​的​电脑,​发送​指令​接收​数据​传输​不​中断。​cDAQ 平台​的​高​性​价​比、​高性能、​物​尽其​用、​易​于​上手​的​品质​特点,​在​发动​机​部件​测试​中​充分​体现​了​其​应用​效果。

 

作者​信息:

跃​钢 周
​China

图 2.2 ​ ​开发​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统 ​
​ ​图 2.1 cDAQ 模​块​化​平台 ​
​ ​图 2.2 开发​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统 ​
​ ​图 3.1 比值​测量​计算 ​
​ ​图 3.2 基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储 ​
​ ​图 3.3 自​适应​数据​采集​频率​设置 ​
​ ​图 3.4 重型​发动​机​高压​油管​应力​测试​频​谱​分析 ​
​ ​(a)​两​种​采样​信号​波形​相关 (b)​两​种​采样​信号​波形​高度​近似​相关 (c)​两​种​采样​信号​波形​不​相关 ​
​ ​图 3.7 高压​油管​应变​传感器​制作 ​
图 3.7 ​ ​高压​油管​应变​传感器​制作 (b)​泵​至​轨​油管​应变​传感器 ​
图 3.7 ​ ​高压​油管​应变​传感器​制作 (c)​轨​至​嘴​油管​应变​传感器 ​
图 3.8 ​ ​发动​机​止​推​片​传感器​制作 (b)​止​推​片​K 型​热电​偶​传感器 ​
图 4.1 ​ ​基于​cDAQ 平台​的​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试 (a)​NI cDAQ9172 平台 ​
图 4.1 ​ 基于​cDAQ 平台​的​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试 (b)​cDAQ 平台​模​块​接口 ​