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　　挑戰(zhàn)：連桿是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其可靠性對整機(jī)壽命具有至關(guān)重要的作用。為了研究發(fā)動機(jī)連桿在拉壓載荷下的疲勞特性，所研制的發(fā)動機(jī)連桿試驗臺基于美國NI公司的LabVIEW開發(fā)環(huán)境和CompactRIO嵌入式控制器，采用液壓伺服的加載方式對連桿進(jìn)行拉壓加載。如何根據(jù)發(fā)動機(jī)及連桿的參數(shù)確定加載載荷和加載頻率?如何控制液壓系統(tǒng)按照設(shè)定的加載載荷和頻率進(jìn)行加載?如何實時監(jiān)測試驗狀態(tài)，判斷連桿發(fā)生疲勞破壞?如何采集、存儲、分析相關(guān)數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的試驗結(jié)果?這是整套試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

　　應(yīng)用方案：CompactRIO 包含一個實時控制器與可重配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片，并且包含8個熱插拔工業(yè)I/O插槽，具有非常好的可靠性和實時性; NI提供了針對各種類型信號的輸入輸出板卡與CompactRIO 相匹配，組成完善的硬件系統(tǒng);NI LabVIEW包含強(qiáng)大的控制、采集、監(jiān)控、分析等方面的函數(shù)，為整個試驗系統(tǒng)提供完備的軟件設(shè)計平臺。

　　使用的產(chǎn)品：

　　LabVIEW 2009

　　LabVIEW RT 9.0

　　LabVIEW FPGA 9.0

　　LabVIEW PID Control Toolkit 9.0.0

　　CompactRIO-9014可重新配置嵌入式機(jī)箱

　　CompactRIO-9014嵌入式控制器

　　CompactRIO-9237應(yīng)變信號采集模塊

　　CompactRIO-9205電壓信號采集模塊

　　CompactRIO-9263電壓信號輸出模塊

　　CompactRIO-9401 DIO模塊

　　CompactRIO-9485 SSR模塊

　　正文：

　　引言

　　強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是衡量工程機(jī)械機(jī)構(gòu)和零件可靠性的主要參數(shù)，疲勞破壞是機(jī)械機(jī)構(gòu)和零件失效的主要原因之一(據(jù)統(tǒng)計，連桿60%到90%的破壞都是疲勞破壞)，而引起疲勞破壞的主要原因是動態(tài)交變載荷。

　　連桿是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的核心部件，也是內(nèi)燃機(jī)中承受較大交變載荷的主要部件之一，其可靠性直接影響內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的安全。

　　目前開展連桿疲勞可靠性研究的主要手段包括仿真計算、實機(jī)試驗和模擬疲勞試驗。

　　仿真計算方便、快捷、成本低，針對連桿的仿真計算很多，但只能對疲勞可靠性進(jìn)行趨勢性的分析和驗證，并且邊界條件不確定;實機(jī)試驗可以反映連桿的真實工況，但試驗周期長、成本較高，并且不能進(jìn)行強(qiáng)化試驗;模擬疲勞試驗可以用較短的周期較高的效率來進(jìn)行試驗，并可以對疲勞試驗進(jìn)行強(qiáng)化，更全面的檢驗連桿的疲勞特性。

　　目前，國內(nèi)多為國外引進(jìn)設(shè)備，尚未有自主研發(fā)的連桿拉壓模擬疲勞試驗臺。因此，研制發(fā)動機(jī)連桿拉壓模擬疲勞試驗臺具有較大的意義。在試驗臺的開發(fā)上，美國NI公司的LabVIEW開發(fā)環(huán)境和CompactRIO嵌入式控制器及其配套板卡為我們提供強(qiáng)有力的工具。

　　試驗系統(tǒng)總體介紹

　　2.1連桿受力情況

　　如圖1所示，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，連桿的運(yùn)動狀態(tài)比較復(fù)雜，小頭作往復(fù)運(yùn)動，大頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，桿身作平面運(yùn)動。同時，連桿的受力情況也十分復(fù)雜，連桿在實際工況中的受力可分為兩部分：一部分是工作中產(chǎn)生的氣體爆發(fā)壓力和活塞組件的往復(fù)慣性力;另一部分是連桿運(yùn)動時本身產(chǎn)生的慣性力，包括往復(fù)慣性力，擺動離心力和橫向彎矩(橫向彎矩相對較小，并且其極值不與其他力一同出現(xiàn)，因此忽略不計)。

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　　圖1：發(fā)動機(jī)連桿機(jī)構(gòu)示意圖

　　在以上各力的作用下每一個截面上都會有彎矩、剪力和法向力。但彎矩和剪力與法向力相比都不大，連桿主要承受的是交變的拉壓載荷。

　　2.2試驗原理

　　試驗臺的設(shè)計主要考慮連桿在實際運(yùn)行中的拉伸壓縮載荷，忽略彎矩與剪力，對連桿進(jìn)行拉壓加載。這種設(shè)計雖然不能完全模擬連桿得實際工況，但基本上可以比較準(zhǔn)確的反映連桿的拉壓疲勞特性，達(dá)到臺架模擬試驗的目的。

　　本試驗臺架可對連桿試件進(jìn)行靜載試驗和動態(tài)疲勞試驗。靜載試驗時，只對連桿試件緩慢施加拉力或者壓力以考察連桿靜態(tài)材料特性;動態(tài)疲勞試驗時，對連桿試件施加交變拉壓載荷，由于在發(fā)動機(jī)實際運(yùn)行工況下連桿承受的最大壓縮載荷要大于最大拉伸載荷，試驗臺采用非對稱的加載方式，即負(fù)荷比不為-1。完成試驗后，試驗系統(tǒng)都會保存所有試驗數(shù)據(jù)，包括應(yīng)變信號、拉壓載荷信號、循環(huán)次數(shù)、疲勞破壞狀態(tài)等。通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對連桿疲勞壽命的評估及其可靠性設(shè)計。

　　整個試驗系統(tǒng)的控制通過美國NI公司的LabVIEW開發(fā)環(huán)境和CompactRIO嵌入式控制器來實現(xiàn)，主要包括液壓加載控制，數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，試驗系統(tǒng)的監(jiān)控和安全控制等工作。

　　試驗系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　整個試驗系統(tǒng)的設(shè)計可分為硬件和軟件兩個部分。

　　3.1 硬件設(shè)計

　　本試驗臺的硬件主要包括機(jī)械臺體、液壓加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

　　3.1.1機(jī)械臺體

　　如圖2所示機(jī)械臺體采用四立柱的結(jié)構(gòu)，主要功能是固定連桿試件，支撐其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗。主要包括連桿試件固定夾具、移動導(dǎo)軌、移動面、支撐面。

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　　1試驗臺框架 2液壓加載系統(tǒng) 3固定夾具 4連桿試件

　　圖2：試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

　　3.1.2液壓加載系統(tǒng)

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　　1液壓缸 2蓄壓器 3溢流閥 4濾油器 5液壓泵站

　　6電動機(jī) 7油箱 8單向閥 9伺服電磁閥 10液壓放大器

　　圖3：液壓加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　液壓加載系統(tǒng)主要功能是為模擬疲勞試驗提供預(yù)先設(shè)定的加載載荷。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括液壓伺服電磁閥、液壓放大器、液壓油缸、液壓泵站和蓄壓器，同時還包括濾油器、單向閥、溢流閥等輔助液壓器件。

　　液壓伺服電磁閥采用德國Rexroth公司的三位四通閥，其中P為高壓油路、T為回油油路、A與B為工作油路;液壓放大器用于對液壓壓力的放大，以提供更大的加載載荷;液壓油缸為單桿雙作用活塞液壓缸，用于執(zhí)行對連桿試件的加載;蓄壓器用于保持試驗系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，兩個蓄壓器分別位于回油油路和高壓油路;濾油器用于過濾液壓油;單向閥用于防止壓力油回流到液壓泵站;溢流閥用于防止壓力過高，使系統(tǒng)壓力保持在規(guī)定值以下。

　　液壓伺服閥通過改變P、T與A、B的通斷狀態(tài)使液壓缸上下運(yùn)動進(jìn)而實現(xiàn)對連桿的拉伸加載和壓縮加載。

　　3.1.3控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)是與LabVIEW開發(fā)環(huán)境相結(jié)合的NI硬件，主要包括嵌入式控制器CompactRIO 9014，NI 9237AD模塊，NI 9205AD模塊，NI 9263DA模塊，NI 9401DI/O模塊，NI 9485SSR模塊。

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　　圖4：上下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

　　如圖4所示NI CompactRIO嵌入式測控系統(tǒng)與PC機(jī)組成整個試驗系統(tǒng)的上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。其中CompactRIO 9014具有較好的可靠性和實時性,可容易實現(xiàn)對應(yīng)變、拉壓負(fù)荷等信號的測量和伺服電磁閥的控制輸出，各模塊工作情況如下：

　　NI 9237AD模塊用于采集應(yīng)變信號和連桿拉壓載荷信號，其中應(yīng)變片貼在連桿試件采集位置，應(yīng)變信號經(jīng)過應(yīng)變儀直接連接到NI 9237AD模塊;拉壓載荷由Interface拉壓傳感器接入NI 9237模塊。

　　NI 9205AD模塊用于采集活塞缸上下兩缸壓力信號，上下兩缸壓力信號由KISTLER壓力傳感器采集。

　　NI 9263DA模塊輸出設(shè)定壓力信號控制液壓伺服閥，實現(xiàn)系統(tǒng)的非對稱加載。

　　NI 9401DI/O模塊監(jiān)控試驗系統(tǒng)狀態(tài)信息，包括液壓系統(tǒng)電源開關(guān)信號，控制柜電源開關(guān)信號，液壓泵站油壓、溫度、泄漏、液位信號，相應(yīng)信號發(fā)生故障后指示燈報警。

　　NI 9485SSR模塊用于發(fā)現(xiàn)故障后切斷相應(yīng)部分的開關(guān)確保試驗安全。

　　3.2 軟件設(shè)計

　　本試驗系統(tǒng)的軟件程序是基于LabVIEW圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，結(jié)合CompactRIO嵌入式控制器開發(fā)完成。主要實現(xiàn)了液壓加載的控制，試驗狀態(tài)的監(jiān)控，數(shù)據(jù)的處理。試驗系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

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　　圖5：試驗系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖

　　3.2.1液壓加載的控制

　　試驗系統(tǒng)的加載控制主要實現(xiàn)三個內(nèi)容：自動計算連桿載荷、實現(xiàn)非對稱正弦波加載、加載載荷的PID控制。

　　3.2.1.1加載載荷的計算

　　載荷的計算主要是確定連桿所受的最大壓力和最大拉力，以確定非對稱正弦波的正負(fù)幅值?；?.1中對連桿受力情況的分析和連桿拉壓載荷的推導(dǎo)計算(此處從略)，可將連桿劃分為小頭、桿身、大頭三部分計算其最大拉壓載荷，代替對所有的截面的計算。簡化后的計算方法如下：

　　(1)最大拉伸載荷下：

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　　通過以上各數(shù)值的比較，尤其是平均載荷的比較，選擇大頭端、小頭端和桿身載荷較大的作為加載載荷。對于確定的加載載荷，可以設(shè)定載荷強(qiáng)化系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的載荷強(qiáng)化。強(qiáng)化后的載荷作為強(qiáng)化試驗的加載載荷。

　　根據(jù)以上計算原理，軟件采用LabVIEW中的公式節(jié)點，實現(xiàn)以上計算。提取該部分程序以某型號的連桿為模型進(jìn)行計算調(diào)試，結(jié)果如圖6所示。

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　　圖6：某型號連桿試件拉壓載荷計算

　　3.2.1.2非對稱正弦波加載的實現(xiàn)

　　非對稱加載主要通過CompactRIO 9014 FPGA模塊的FPGA Memory及CompactRIO 9263模塊實現(xiàn)。FPGA Memory可以記錄設(shè)定點數(shù)的數(shù)值，并按照順序記錄每個數(shù)值的地址，索引FPGA Memory的地址便得到相應(yīng)的數(shù)值;CompactRIO 9263則輸出相應(yīng)電壓控制波形對伺服閥進(jìn)行控制，電壓正負(fù)控制產(chǎn)生拉伸或者壓縮載荷，電壓大小控制伺服閥開度進(jìn)而改變拉伸或者壓縮載荷的大小。

　　具體方法為：

　　制作一個周期幅值為1的標(biāo)準(zhǔn)正弦模擬波形，由1024點組成

　　將模擬波形轉(zhuǎn)換為常量導(dǎo)入FPGA Memory

　　將賦值好的FPGA Memory正負(fù)值分別設(shè)置正負(fù)放大系數(shù)

　　把數(shù)值輸入CompactRIO 9263模塊，產(chǎn)生非對稱正弦控制波形

　　以上一節(jié)計算的連桿為例，生成非對稱波形為：

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　　圖7：輸出控制波形

　　當(dāng)為靜載試驗時，只控制液壓缸向一個方向運(yùn)動，拉伸加載時負(fù)半軸都為0;壓縮加載時正半軸都為0。

　　3.2.1.3加載載荷PID控制

　　PID主要針對動態(tài)疲勞試驗而言，本試驗系統(tǒng)采用常規(guī)的PID控制方法。加載載荷為循環(huán)非對稱拉壓載荷，要保證加載載荷達(dá)到所設(shè)定最大拉伸和壓縮載荷值，則最大拉伸載荷和最大壓縮載荷即為PID控制的目標(biāo)值;同時系統(tǒng)采集連桿試件承受拉壓載荷信號，并將最大值最為PID控制的反饋量?？刂圃砣鐖D8所示。

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　　圖8：加載載荷PID控制原理圖

　　圖9為LabVIEW中的FPGA PID控制模塊部分程序圖，該模塊大大簡化了控制過程。只需要設(shè)定好各個接口參數(shù)，然后將反饋信號連入process variable端口，就能得到相應(yīng)的輸出。

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　　圖9：FPGA PID模塊部分程序圖

　　加載載荷PID控制仿真如圖10和11所示。圖10列出對該P(yáng)ID控制模塊各參數(shù)的設(shè)定(PID參數(shù)調(diào)試過程此處從略)。設(shè)定完畢后，將PID模塊的Setpoint由0變?yōu)?4.3，得到響應(yīng)特性如圖11所示。時間單位為每刻度50ms，在，Setpoint(紅色)較大變化的情況下，Process Variable(藍(lán)色)在3s內(nèi)達(dá)到Setpoint并保持穩(wěn)定。

　　仿真結(jié)果說明加載載荷PID控制滿足試驗系統(tǒng)的要求。同時，響應(yīng)特性可以通過改變PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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　　圖10：FPGA PID模塊參數(shù)設(shè)置

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　　圖11：液壓加載系統(tǒng)PID控制響應(yīng)圖

　　3.2.2試驗狀態(tài)的監(jiān)控

　　試驗狀態(tài)的監(jiān)控主要包括疲勞破壞、加載載荷和安全故障三個部分。

　　3.2.2.1疲勞破壞的監(jiān)控

　　疲勞破壞的監(jiān)控，主要根據(jù)CompactRIO 9237模塊采集連桿試件相應(yīng)位置的應(yīng)變，在監(jiān)控面板上實時顯示應(yīng)變波形和峰谷值。當(dāng)超出設(shè)定范圍并超出設(shè)定范圍次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，判定連桿發(fā)生破壞，試驗自動暫停，試驗人員進(jìn)行檢查。

　　3.2.2.2加載載荷的監(jiān)控

　　加載載荷監(jiān)控包括三個方面：連桿拉壓載荷監(jiān)控、液壓缸上油腔壓力監(jiān)控、液壓缸下油腔壓力監(jiān)控，三個載荷都通過CompactRIO 9201模塊采集，在監(jiān)控界面上實時顯示波形圖。其中拉連桿壓載荷的測量通過Interface拉壓力傳感器，兩個液壓缸油腔的壓力測量通過KISTLER壓力傳感器。

　　3.2.2.3安全故障的監(jiān)控

　　保證試驗安全是重中之重，本試驗系統(tǒng)針對存在安全隱患的部分進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)故障后進(jìn)行相應(yīng)的處理。這部分是軟件通過CompactRIO 9401DI/O模塊和CompactRIO 9485SSR模塊實現(xiàn)的：CompactRIO 9401DI/O模塊實時監(jiān)視液壓系統(tǒng)電源開關(guān)信號，控制柜電源開關(guān)信號，液壓泵站油壓、溫度、泄漏、液位信號狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)不正常時，由CompactRIO 9485SSR模塊切斷相應(yīng)部分的開關(guān)，確保試驗安全。

　　3.2.3數(shù)據(jù)的處理

　　如圖4所示，試驗系統(tǒng)針對每種信號都有相應(yīng)的NI硬件進(jìn)行采集。CompactRIO 9014的RT和FPGA模塊保障了數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、存儲的實時性和可靠性，LabVIEW的公式節(jié)點和XY波形圖可對數(shù)據(jù)進(jìn)行較好的分析。針對疲勞試驗時間長、數(shù)據(jù)量大的特點，數(shù)據(jù)的處理采用LabVIEW中的TDMS數(shù)據(jù)流。

　　試驗系統(tǒng)現(xiàn)場成果

　　4.1硬件現(xiàn)場效果

　　4.1.1系統(tǒng)功能

　　(1)用于發(fā)動機(jī)連桿拉壓疲勞試驗，并對試驗結(jié)果作出相應(yīng)評估;

　　(2)可作為發(fā)動機(jī)零部件靜載試驗的加載系統(tǒng);

　　(3)使用靜態(tài)應(yīng)變儀可以測試被試件的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。

　　4.1.2性能指標(biāo)

　　(1)加載形式：拉力壓力可連續(xù)單獨調(diào)節(jié)，可達(dá)到任意負(fù)荷比;

　　(2)壓力范圍：0～28Mpa，手動調(diào)壓;

　　(3)脈沖頻率：≤22HZ，連續(xù)可調(diào);

　　(4)加載波形：非對稱正弦波;

　　(5)控制精度：拉壓載荷≤4%，加載頻率≤2%。

　　4.1.3組成結(jié)構(gòu)

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　　圖12：機(jī)械臺體實物圖

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　　圖13：液壓加載系統(tǒng)實物圖

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　　圖14：試驗系統(tǒng)整體效果圖

　　4.2軟件效果

　　打開程序后，進(jìn)入了程序主界面，主界面將程序分為三個主要模塊：試驗設(shè)置、實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。同時還有關(guān)于部分介紹試驗系統(tǒng)相關(guān)信息以及退出系統(tǒng)按鈕。

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　　點擊“試驗設(shè)置”按鈕后，進(jìn)入試驗設(shè)置界面。

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　　試驗設(shè)置主要分為三個部分：試驗基本信息、試驗系統(tǒng)參數(shù)和連桿試件參數(shù)。設(shè)置參數(shù)可以手動輸入，也可以載入歷史記錄。選擇不同的試驗類型(拉伸靜載試驗、壓縮靜載試驗、小頭動態(tài)疲勞試驗和大頭動態(tài)疲勞試驗)時，與之相應(yīng)的參數(shù)會顯示出來進(jìn)行設(shè)置。

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　　點擊“實時監(jiān)測”按鈕時，會出現(xiàn)監(jiān)測界面。試驗監(jiān)測時，有以下信息：

　　(1)四個波形圖顯示控制波形、加載載荷、拉伸壓縮載荷(可選擇顯示)、應(yīng)變波形(可選擇顯示);

　　(2)六個指示燈顯示液壓系統(tǒng)電源開關(guān)信號，控制柜電源開關(guān)信號，液壓泵站油壓、溫度、泄漏、液位信號狀態(tài);

　　(3)時間顯示以及循環(huán)次數(shù)顯示都是實時顯示疲勞試驗進(jìn)行程度;

　　(4)位移判定范圍、應(yīng)變判定個數(shù)及范圍都是實時設(shè)定監(jiān)測連桿試件疲勞狀態(tài)方式;

　　(5)初始置零消除各傳感器無信號時干擾，循環(huán)置零使循環(huán)數(shù)清零;

　　(6)頻率和伺服閥控制信號(正負(fù)放大系數(shù))實時可調(diào)以調(diào)整試驗狀態(tài);

　　(7)三路應(yīng)變的峰值谷值實時顯示;

　　(8)系統(tǒng)拉伸壓縮載荷極值顯示目前可達(dá)到的載荷極值;

　　(9)連桿所受最大拉伸和壓縮載荷實時顯示;

　　(10)NI 9263、NI 9205、NI 9237超時指示燈顯示三個板卡超時狀態(tài)。

　　點擊“數(shù)據(jù)分析”時，進(jìn)入數(shù)據(jù)分析界面，主要有查看數(shù)據(jù)、開始記錄、停止記錄和輸入數(shù)據(jù)保存路徑。試驗時，可以查看數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)情況控制開始或者停止記錄，記錄數(shù)據(jù)時指示燈亮。

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　　在數(shù)據(jù)分析方面，LabVIEW公式節(jié)點和XY波形圖，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的疲勞可靠性分析，可得出相應(yīng)數(shù)據(jù)的P-S-N雙對數(shù)直線，如圖10所示。

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　　圖15：P-S-N雙對數(shù)擬合直線

　　基于以上的設(shè)計，整個試驗系統(tǒng)的試驗流程如圖16所示。

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　　圖16：試驗程序框圖

　　結(jié)論

　　1. 所研制的發(fā)動機(jī)連桿拉壓模擬疲勞試驗臺是國內(nèi)首個自主研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用試驗臺。

　　2. 本試驗臺基于連桿主要承受拉壓載荷的試驗原理，采用NI CompactRIO嵌入式控制器和液壓加載系統(tǒng)的硬件設(shè)計使試驗系統(tǒng)具有較高的可靠性、準(zhǔn)確性和實用性;結(jié)合LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件編程，使試驗系統(tǒng)開發(fā)周期短，擴(kuò)展性強(qiáng)。

　　3. 本試驗臺采用非對稱加載方式，實現(xiàn)了對連桿實際工況的模擬;液壓加載的PID控制實現(xiàn)了載荷的精確控制;同時與實機(jī)試驗相比，可以實現(xiàn)強(qiáng)化試驗，既縮短了試驗周期、提高了試驗效率，又可以更全面的檢驗連桿的疲勞性能，對連桿新產(chǎn)品的設(shè)計和已有產(chǎn)品的優(yōu)化有較大的意義。