基于CompactRIO的發(fā)動機連桿疲勞試驗系統(tǒng)研究

　　挑戰(zhàn)：連桿是發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其可靠性對整機壽命具有至關(guān)重要的作用。為了研究發(fā)動機連桿在拉壓載荷下的疲勞特性，所研制的發(fā)動機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行拉壓加載。如何根據(jù)發(fā)動機及連桿的參數(shù)確定加載載荷和加載頻率?如何控制液壓系統(tǒng)按照設定的加載載荷和頻率進行加載?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)得出相應的試驗結(jié)果?這是整套試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

　　應用方案：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

　　正文：

　　引言

　　強度、剛度和疲勞壽命是衡量工程機械機構(gòu)和零件可靠性的主要參數(shù)，疲勞破壞是機械機構(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。

　　連桿是往復活塞式內(nèi)燃機的核心部件，也是內(nèi)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(nèi)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(nèi)多為國外引進設備，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)動機運行過程中，連桿的運動狀態(tài)比較復雜，小頭作往復運動，大頭作旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的氣體爆發(fā)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(chǎn)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(xiàn)，因此忽略不計)。