基于CompactRIO的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研究

　　一. 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(jì)，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(dòng)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(kāi)展連桿疲勞可靠性研究的主要手段包括仿真計(jì)算、實(shí)機(jī)試驗(yàn)和模擬疲勞試驗(yàn)。

　　仿真計(jì)算方便、快捷、成本低，針對(duì)連桿的仿真計(jì)算很多，但只能對(duì)疲勞可靠性進(jìn)行趨勢(shì)性的分析和驗(yàn)證，并且邊界條件不確定;實(shí)機(jī)試驗(yàn)可以反映連桿的真實(shí)工況，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本較高，并且不能進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn);模擬疲勞試驗(yàn)可以用較短的周期較高的效率來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，并可以對(duì)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)化，更全面的檢驗(yàn)連桿的疲勞特性。

　　目前，國(guó)內(nèi)多為國(guó)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(yàn)臺(tái)。因此，研制發(fā)動(dòng)機(jī)連桿拉壓模擬疲勞試驗(yàn)臺(tái)具有較大的意義。在試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)上，美國(guó)NI公司的LabVIEW開(kāi)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。

　　二. 試驗(yàn)系統(tǒng)總體介紹

　　2.1連桿受力情況

　　如圖1所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，連桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，小頭作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大頭作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身作平面運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，連桿的受力情況也十分復(fù)雜，連桿在實(shí)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(dòng)時(shí)本身產(chǎn)生的慣性力，包括往復(fù)慣性力，擺動(dòng)離心力和橫向彎矩(橫向彎矩相對(duì)較小，并且其極值不與其他力一同出現(xiàn)，因此忽略不計(jì))。　　

　　在以上各力的作用下每一個(gè)截面上都會(huì)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(yàn)原理

　　試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)主要考慮連桿在實(shí)際運(yùn)行中的拉伸壓縮載荷，忽略彎矩與剪力，對(duì)連桿進(jìn)行拉壓加載。這種設(shè)計(jì)雖然不能完全模擬連桿得實(shí)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(tái)架模擬試驗(yàn)的目的。

　　本試驗(yàn)臺(tái)架可對(duì)連桿試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)時(shí)，只對(duì)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(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)時(shí)，對(duì)連桿試件施加交變拉壓載荷，由于在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(yàn)臺(tái)采用非對(duì)稱(chēng)的加載方式，即負(fù)荷比不為-1。完成試驗(yàn)后，試驗(yàn)系統(tǒng)都會(huì)保存所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括應(yīng)變信號(hào)、拉壓載荷信號(hào)、循環(huán)次數(shù)、疲勞破壞狀態(tài)等。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)連桿疲勞壽命的評(píng)估及其可靠性設(shè)計(jì)。

　　整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制通過(guò)美國(guó)NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境和CompactRIO嵌入式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括液壓加載控制，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析，試驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和安全控制等工作。

　　三. 試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為硬件和軟件兩個(gè)部分。

　　3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　本試驗(yàn)臺(tái)的硬件主要包括機(jī)械臺(tái)體、液壓加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

　　3.1.1機(jī)械臺(tái)體

　　如圖2所示機(jī)械臺(tái)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(yàn)。主要包括連桿試件固定夾具、移動(dòng)導(dǎo)軌、移動(dòng)面、支撐面。