基于CompactRIO的发动机连杆疲劳试验系统研究

2012-09-14 09:29:26来源: 21ic

应用领域:液压系统控制、信号采集、试验状态监测、数据处理

挑战:连杆是发动机的关键部件之一,其可靠性对整机寿命具有至关重要的作用。为了研究发动机连杆在拉压载荷下的疲劳特性,所研制的发动机连杆试验台基于美国NI公司的LabVIEW开发环境和CompactRIO嵌入式控制器,采用液压伺服的加载方式对连杆进行拉压加载。如何根据发动机及连杆的参数确定加载载荷和加载频率?如何控制液压系统按照设定的加载载荷和频率进行加载?如何实时监测试验状态,判断连杆发生疲劳破坏?如何采集、存储、分析相关数据得出相应的试验结果?这是整套试验系统的关键所在。

应用方案:CompactRIO 包含一个实时控制器与可重配置的现场可编程门阵列(FPGA)芯片,并且包含8个热插拔工业I/O插槽,具有非常好的可靠性和实时性; NI提供了针对各种类型信号的输入输出板卡与CompactRIO 相匹配,组成完善的硬件系统;NI LabVIEW包含强大的控制、采集、监控、分析等方面的函数,为整个试验系统提供完备的软件设计平台。

使用的产品:

LabVIEW 2009

LabVIEW RT 9.0

LabVIEW FPGA 9.0

LabVIEW PID Control Toolkit 9.0.0

CompactRIO-9014可重新配置嵌入式机箱

CompactRIO-9014嵌入式控制器

CompactRIO-9237应变信号采集模块

CompactRIO-9205电压信号采集模块

CompactRIO-9263电压信号输出模块

CompactRIO-9401 DIO模块

CompactRIO-9485 SSR模块

正文:

一. 引言

强度、刚度和疲劳寿命是衡量工程机械机构和零件可靠性的主要参数,疲劳破坏是机械机构和零件失效的主要原因之一(据统计,连杆60%到90%的破坏都是疲劳破坏),而引起疲劳破坏的主要原因是动态交变载荷。

连杆是往复活塞式内燃机的核心部件,也是内燃机中承受较大交变载荷的主要部件之一,其可靠性直接影响内燃机运行的安全。

目前开展连杆疲劳可靠性研究的主要手段包括仿真计算、实机试验和模拟疲劳试验。

仿真计算方便、快捷、成本低,针对连杆的仿真计算很多,但只能对疲劳可靠性进行趋势性的分析和验证,并且边界条件不确定;实机试验可以反映连杆的真实工况,但试验周期长、成本较高,并且不能进行强化试验;模拟疲劳试验可以用较短的周期较高的效率来进行试验,并可以对疲劳试验进行强化,更全面的检验连杆的疲劳特性。

目前,国内多为国外引进设备,尚未有自主研发的连杆拉压模拟疲劳试验台。因此,研制发动机连杆拉压模拟疲劳试验台具有较大的意义。在试验台的开发上,美国NI公司的LabVIEW开发环境和CompactRIO嵌入式控制器及其配套板卡为我们提供强有力的工具。

二. 试验系统总体介绍

2.1连杆受力情况

如图1所示,在发动机运行过程中,连杆的运动状态比较复杂,小头作往复运动,大头作旋转运动,杆身作平面运动。同时,连杆的受力情况也十分复杂,连杆在实际工况中的受力可分为两部分:一部分是工作中产生的气体爆发压力和活塞组件的往复惯性力;另一部分是连杆运动时本身产生的惯性力,包括往复惯性力,摆动离心力和横向弯矩(横向弯矩相对较小,并且其极值不与其他力一同出现,因此忽略不计)。

发动机连杆机构示意图.jpg

在以上各力的作用下每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力。但弯矩和剪力与法向力相比都不大,连杆主要承受的是交变的拉压载荷。

2.2试验原理

试验台的设计主要考虑连杆在实际运行中的拉伸压缩载荷,忽略弯矩与剪力,对连杆进行拉压加载。这种设计虽然不能完全模拟连杆得实际工况,但基本上可以比较准确的反映连杆的拉压疲劳特性,达到台架模拟试验的目的。

本试验台架可对连杆试件进行静载试验和动态疲劳试验。静载试验时,只对连杆试件缓慢施加拉力或者压力以考察连杆静态材料特性;动态疲劳试验时,对连杆试件施加交变拉压载荷,由于在发动机实际运行工况下连杆承受的最大压缩载荷要大于最大拉伸载荷,试验台采用非对称的加载方式,即负荷比不为-1。完成试验后,试验系统都会保存所有试验数据,包括应变信号、拉压载荷信号、循环次数、疲劳破坏状态等。通过对试验数据的统计分析,实现对连杆疲劳寿命的评估及其可靠性设计。

整个试验系统的控制通过美国NI公司的LabVIEW开发环境和CompactRIO嵌入式控制器来实现,主要包括液压加载控制,数据采集、存储、分析,试验系统的监控和安全控制等工作。

一. 试验系统总体方案设计

整个试验系统的设计可分为硬件和软件两个部分。

3.1 硬件设计

本试验台的硬件主要包括机械台体、液压加载系统和控制系统。

3.1.1机械台体

如图2所示机械台体采用四立柱的结构,主要功能是固定连杆试件,支撑其他机构进行试验。主要包括连杆试件固定夹具、移动导轨、移动面、支撑面。

试验台机械结构示意图.jpg

3.1.2液压加载系统

液压加在系统结构示意图.jpg

液压加载系统主要功能是为模拟疲劳试验提供预先设定的加载载荷。其结构如图3所示,主要包括液压伺服电磁阀、液压放大器、液压油缸、液压泵站和蓄压器,同时还包括滤油器、单向阀、溢流阀等辅助液压器件。

液压伺服电磁阀采用德国Rexroth公司的三位四通阀,其中P为高压油路、T为回油油路、A与B为工作油路;液压放大器用于对液压压力的放大,以提供更大的加载载荷;液压油缸为单杆双作用活塞液压缸,用于执行对连杆试件的加载;蓄压器用于保持试验系统压力稳定,两个蓄压器分别位于回油油路和高压油路;滤油器用于过滤液压油;单向阀用于防止压力油回流到液压泵站;溢流阀用于防止压力过高,使系统压力保持在规定值以下。

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关键字:CompactRIO  发动机连杆  疲劳试验

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0914/article_5918.html
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