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作者：浙江大學能源學系車輛研究所 劉宏瑞 劉震濤 應用領域：液壓系統控制、信號采集、試驗狀態監測、數據處理 挑戰：連桿是發動機的關鍵部件之一，其可靠性對整機壽命具有至關重要的作用。為了研究發動機連桿在拉壓載荷下的疲勞特性，所研制的發動機連桿試驗臺基于美國NI公司的LabVIEW開發環境和CompactRIO嵌入式控制器，采用液壓伺服的加載方式對連桿進行拉壓加載。如何根據發動機及連桿的參數確定加載載荷和加載頻率？如何控制液壓系統按照設定的加載載荷和頻率進行加載？如何實時監測試驗狀態，判斷連桿發生疲勞破壞？如何采集、存儲、分析相關數據得出相應的試驗結果？這是整套試驗系統的關鍵所在。 應用方案：CompactRIO 包含一個實時控制器與可重配置的現場可編程門陣列（FPGA）芯片，并且包含8個熱插拔工業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；NI LabVIEW包含強大的控制、采集、監控、分析等方面的函數，為整個試驗系統提供完備的軟件設計平臺。 使用的產品： 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箱 CompactRIO-9014嵌入式控制器 CompactRIO-9237應變信號采集模塊 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 一. 引言 強度、剛度和疲勞壽命是衡量工程機械機構和零件可靠性的主要參數，疲勞破壞是機械機構和零件失效的主要原因之一（據統計，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交變載荷。 連桿是往復活塞式內燃機的核心部件，也是內燃機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燃機運行的安全。 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行趨勢性的分析和驗證，并且邊界條件不確定；實機試驗可以反映連桿的真實工況，但試驗周期長、成本較高，并且不能進行強化試驗；模擬疲勞試驗可以用較短的周期較高的效率來進行試驗，并可以對疲勞試驗進行強化，更全面的檢驗連桿的疲勞特性。 目前，國內多為國外引進設備，尚未有自主研發的連桿拉壓模擬疲勞試驗臺。因此，研制發動機連桿拉壓模擬疲勞試驗臺具有較大的意義。在試驗臺的開發上，美國NI公司的LabVIEW開發環境和CompactRIO嵌入式控制器及其配套板卡為我們提供強有力的工具。 二. 試驗系統總體介紹 2.1連桿受力情況 如圖1所示，在發動機運行過程中，連桿的運動狀態比較復雜，小頭作往復運動，大頭作旋轉運動，桿身作平面運動。同時，連桿的受力情況也十分復雜，連桿在實際工況中的受力可分為兩部分：一部分是工作中產生的氣體爆發壓力和活塞組件的往復慣性力；另一部分是連桿運動時本身產生的慣性力，包括往復慣性力，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，因此忽略不計）。 
圖1：發動機連桿機構示意圖 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 試驗臺的設計主要考慮連桿在實際運行中的拉伸壓縮載荷，忽略彎矩與剪力，對連桿進行拉壓加載。這種設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確的反映連桿的拉壓疲勞特性，達到臺架模擬試驗的目的。 本試驗臺架可對連桿試件進行靜載試驗和動態疲勞試驗。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材料特性；動態疲勞試驗時，對連桿試件施加交變拉壓載荷，由于在發動機實際運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，即負荷比不為-1。完成試驗后，試驗系統都會保存所有試驗數據，包括應變信號、拉壓載荷信號、循環次數、疲勞破壞狀態等。通過對試驗數據的統計分析，實現對連桿疲勞壽命的評估及其可靠性設計。 整個試驗系統的控制通過美國NI公司的LabVIEW開發環境和CompactRIO嵌入式控制器來實現，主要包括液壓加載控制，數據采集、存儲、分析，試驗系統的監控和安全控制等工作。 三. 試驗系統總體方案設計 整個試驗系統的設計可分為硬件和軟件兩個部分。 3.1 硬件設計 本試驗臺的硬件主要包括機械臺體、液壓加載系統和控制系統。 3.1.1機械臺體 如圖2所示機械臺體采用四立柱的結構，主要功能是固定連桿試件，支撐其他機構進行試驗。主要包括連桿試件固定夾具、移動導軌、移動面、支撐面。
1試驗臺框架 2液壓加載系統 3固定夾具 4連桿試件 圖2：試驗臺機械結構示意圖 3.1.2液壓加載系統
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 7油箱 8單向閥 9伺服電磁閥 10液壓放大器 圖3：液壓加載系統結構示意圖 液壓加載系統主要功能是為模擬疲勞試驗提供預先設定的加載載荷。其結構如圖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，用于執行對連桿試件的加載；蓄壓器用于保持試驗系統壓力穩定，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，使系統壓力保持在規定值以下。 液壓伺服閥通過改變P、T與A、B的通斷狀態使液壓缸上下運動進而實現對連桿的拉伸加載和壓縮加載。 3.1.3控制系統 控制系統是與LabVIEW開發環境相結合的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。
圖4：上下位機結構框圖 如圖4所示NI CompactRIO嵌入式測控系統與PC機組成整個試驗系統的上下位機結構。其中CompactRIO 9014具有較好的可靠性和實時性,可容易實現對應變、拉壓負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： 1) NI 9237AD模塊用于采集應變信號和連桿拉壓載荷信號，其中應變片貼在連桿試件采集位置，應變信號經過應變儀直接連接到NI 9237AD模塊；拉壓載荷由Interface拉壓傳感器接入NI 9237模塊。 2) 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。 3) NI 9263DA模塊輸出設定壓力信號控制液壓伺服閥，實現系統的非對稱加載。 4) NI 9401DI/O模塊監控試驗系統狀態信息，包括液壓系統電源開關信號，控制柜電源開關信號，液壓泵站油壓、溫度、泄漏、液位信號，相應信號發生故障后指示燈報警。 5) NI 9485SSR模塊用于發現故障后切斷相應部分的開關確保試驗安全。 3.2 軟件設計 本試驗系統的軟件程序是基于LabVIEW圖形化編程語言的開發環境，結合CompactRIO嵌入式控制器開發完成。主要實現了液壓加載的控制，試驗狀態的監控，數據的處理。試驗系統軟件功能結構圖如圖5所示。
圖5：試驗系統軟件功能結構示意圖 3.2.1液壓加載的控制 試驗系統的加載控制主要實現三個內容：自動計算連桿載荷、實現非對稱正弦波加載、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幅值。基于2.1中對連桿受力情況的分析和連桿拉壓載荷的推導計算（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：
D——缸徑，m（此處為近似，當知道活塞頂直徑時，用活塞頂直徑更加準確） 在選擇發動機計算工況時，以發動機最高轉速工況作為連桿受力計算工況，同時以發動機最高扭矩的最大爆發壓力代替最高轉速下的最大爆發壓力，會得到比較保守的試驗結果。 計算完以上數據后就可以計算平均載荷、載荷幅值和負荷比。
通過以上各數值的比較，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，可以設定載荷強化系數進行相應的載荷強化。強化后的載荷作為強化試驗的加載載荷。 根據以上計算原理，軟件采用LabVIEW中的公式節點，實現以上計算。提取該部分程序以某型號的連桿為模型進行計算調試，結果如圖6所示。
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 4 FPGA模塊的FPGA Memory及CompactRIO 9263模塊實現。FPGA Memory可以記錄設定點數的數值，并按照順序記錄每個數值的地址，索引FPGA Memory的地址便得到相應的數值；CompactRIO 9263則輸出相應電壓控制波形對伺服閥進行控制，電壓正負控制產生拉伸或者壓縮載荷，電壓大小控制伺服閥開度進而改變拉伸或者壓縮載荷的大小。 具體方法為： 1) 制作一個周期幅值為1的標準正弦模擬波形，由1024點組成 2) 將模擬波形轉換為常量導入FPGA Memory 3) 將賦值好的FPGA Memory正負值分別設置正負放大系數 4) 把數值輸入CompactRIO 9263模塊，產生非對稱正弦控制波形 以上一節計算的連桿為例，生成非對稱波形為：
圖7：輸出控制波形 當為靜載試驗時，只控制液壓缸向一個方向運動，拉伸加載時負半軸都為0；壓縮加載時正半軸都為0。 3.2.1.3加載載荷PID控制 PID主要針對動態疲勞試驗而言，本試驗系統采用常規的PID控制方法。加載載荷為循環非對稱拉壓載荷，要保證加載載荷達到所設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控制的目標值；同時系統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。控制原理如圖8所示。
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。只需要設定好各個接口參數，然后將反饋信號連入process variable端口，就能得到相應的輸出。
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PID控制模塊各參數的設定（PID參數調試過程此處從略）。設定完畢后，將PID模塊的Setpoint由0變為14.3，得到響應特性如圖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（藍色）在3s內達到Setpoint并保持穩定。 仿真結果說明加載載荷PID控制滿足試驗系統的要求。同時，響應特性可以通過改變PID參數進行調節。
圖10：FPGA PID模塊參數設置
圖11：液壓加載系統PID控制響應圖 3.2.2試驗狀態的監控 試驗狀態的監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疲勞破壞的監控 疲勞破壞的監控，主要根據CompactRIO 9237模塊采集連桿試件相應位置的應變，在監控面板上實時顯示應變波形和峰谷值。當超出設定范圍并超出設定范圍次數達到設定值時，判定連桿發生破壞，試驗自動暫停，試驗人員進行檢查。 3.2.2.2加載載荷的監控 加載載荷監控包括三個方面：連桿拉壓載荷監控、液壓缸上油腔壓力監控、液壓缸下油腔壓力監控，三個載荷都通過CompactRIO 9201模塊采集，在監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安全故障的監控 保證試驗安全是重中之重，本試驗系統針對存在安全隱患的部分進行監控，在發現故障后進行相應的處理。這部分是軟件通過CompactRIO 9401DI/O模塊和CompactRIO 9485SSR模塊實現的：CompactRIO 9401DI/O模塊實時監視液壓系統電源開關信號，控制柜電源開關信號，液壓泵站油壓、溫度、泄漏、液位信號狀態，當狀態不正常時，由CompactRIO 9485SSR模塊切斷相應部分的開關，確保試驗安全。 3.2.3數據的處理 如圖4所示，試驗系統針對每種信號都有相應的NI硬件進行采集。CompactRIO 9014的RT和FPGA模塊保障了數據采集、監視、存儲的實時性和可靠性，LabVIEW的公式節點和XY波形圖可對數據進行較好的分析。針對疲勞試驗時間長、數據量大的特點，數據的處理采用LabVIEW中的TDMS數據流。 四. 試驗系統現場成果 4.1硬件現場效果 4.1.1系統功能 （1）用于發動機連桿拉壓疲勞試驗，并對試驗結果作出相應評估； （2）可作為發動機零部件靜載試驗的加載系統； （3）使用靜態應變儀可以測試被試件的應力、應變狀態。 4.1.2性能指標 （1）加載形式：拉力壓力可連續單獨調節，可達到任意負荷比； （2）壓力范圍：0～28Mpa，手動調壓； （3）脈沖頻率：≤22HZ，連續可調； （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組成結構
圖12：機械臺體實物圖
圖13：液壓加載系統實物圖
圖14：試驗系統整體效果圖 4.2軟件效果 打開程序后，進入了程序主界面，主界面將程序分為三個主要模塊：試驗設置、實時監測和數據分析。同時還有關于部分介紹試驗系統相關信息以及退出系統按鈕。
點擊“關于”按鈕后，出現介紹整個試驗系統基本信息界面。
點擊“試驗設置”按鈕后，進入試驗設置界面。
試驗設置主要分為三個部分：試驗基本信息、試驗系統參數和連桿試件參數。設置參數可以手動輸入，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、小頭動態疲勞試驗和大頭動態疲勞試驗）時，與之相應的參數會顯示出來進行設置。
點擊“實時監測”按鈕時，會出現監測界面。試驗監測時，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）、應變波形（可選擇顯示）； （2）六個指示燈顯示液壓系統電源開關信號，控制柜電源開關信號，液壓泵站油壓、溫度、泄漏、液位信號狀態； （3）時間顯示以及循環次數顯示都是實時顯示疲勞試驗進行程度； （4）位移判定范圍、應變判定個數及范圍都是實時設定監測連桿試件疲勞狀態方式； （5）初始置零消除各傳感器無信號時干擾，循環置零使循環數清零； （6）頻率和伺服閥控制信號（正負放大系數）實時可調以調整試驗狀態； （7）三路應變的峰值谷值實時顯示； （8）系統拉伸壓縮載荷極值顯示目前可達到的載荷極值； （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。 點擊“數據分析”時，進入數據分析界面，主要有查看數據、開始記錄、停止記錄和輸入數據保存路徑。試驗時，可以查看數據，根據數據情況控制開始或者停止記錄，記錄數據時指示燈亮。
在數據分析方面，LabVIEW公式節點和XY波形圖，實現對數據的疲勞可靠性分析，可得出相應數據的P-S-N雙對數直線，如圖10所示。
圖15：P-S-N雙對數擬合直線 基于以上的設計，整個試驗系統的試驗流程如圖16所示。
圖16：試驗程序框圖 五. 結論 1. 所研制的發動機連桿拉壓模擬疲勞試驗臺是國內首個自主研發，擁有自主知識產權的專用試驗臺。 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的硬件設計使試驗系統具有較高的可靠性、準確性和實用性；結合LabVIEW開發環境進行軟件編程，使試驗系統開發周期短，擴展性強。 3. 本試驗臺采用非對稱加載方式，實現了對連桿實際工況的模擬；液壓加載的PID控制實現了載荷的精確控制；同時與實機試驗相比，可以實現強化試驗，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，對連桿新產品的設計和已有產品的優化有較大的意義。 |
