基于CompactRIO的發(fā)動機連桿疲勞試驗系統(tǒng)研究

　　一. 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(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。

　　二. 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)。　　

　　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(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(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(tǒng)都會保存所有試驗數(shù)據(jù)，包括應變信號、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。

　　三. 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械臺體、液壓加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

　　3.1.1機械臺體

　　如圖2所示機械臺體采用四立柱的結(jié)構(gòu)，主要功能是固定連桿試件，支撐其他機構(gòu)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。