液壓活塞疲勞測試儀控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王平江，方鑫杰，范海民，陳吉紅

(1.華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074;2.東風(fēng)活塞軸瓦廠，湖北十堰 442000)

活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要、也是工作條件最惡劣的零部件。機(jī)械疲勞損壞是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主要失效形式之一，在活塞的生產(chǎn)過程中，尤其是對于新設(shè)計(jì)的活塞或新工藝、新材料下生產(chǎn)的活塞，都必須針對活塞的主要機(jī)械疲勞部位如頂面、活塞環(huán)槽和活塞銷孔等進(jìn)行嚴(yán)格的疲勞測試。德國的馬勒 (MAHLE)、美國的西南研究院 (SwRI)等國外研究機(jī)構(gòu)及研究人員，對活塞疲勞測試的方法等有較深的研究與實(shí)踐［1－8］;目前的活塞疲勞測試，基本上是采用液壓循環(huán)脈沖方式，對活塞頂面、活塞環(huán)及活塞銷座進(jìn)行機(jī)械疲勞試驗(yàn)。國內(nèi)對活塞液壓脈沖試驗(yàn)的研究起步較晚，文中為東風(fēng)活塞軸瓦廠開發(fā)的活塞疲勞測試儀，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。主要研究了液壓活塞疲勞測試儀控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 液壓活塞疲勞測試的技術(shù)要求

1.1 液壓活塞測試儀的油路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制要求

液壓活塞疲勞測試儀的工作原理是利用液壓油的壓力，在活塞腔中模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)中的交變的工作壓力。通過對活塞腔中的液壓油高頻率地反復(fù)加壓與卸壓，使活塞腔中的活塞受到兩個(gè)方向的交變壓力，實(shí)現(xiàn)對活塞頂面、活塞環(huán)槽與活塞銷座的疲勞測試。測試儀的活塞腔分為高壓腔和低壓腔。高壓腔中利用高壓液壓油模擬燃燒室的燃燒壓力，允許的最高壓力可達(dá)40 MPa;低壓腔中的壓力一般不大于5 MPa。高壓腔油壓的加壓過程與低壓腔的加壓過程，在相位上相差180°左右;加壓頻率與待模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率基本一致。通過高壓腔、低壓腔油壓的變化，使得活塞腔內(nèi)的油壓完全模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)施加在活塞上的交變作用力。活塞機(jī)構(gòu)在油腔中受到液壓油的往復(fù)沖擊，將產(chǎn)生微小的高頻率的往復(fù)彈性變形，以此實(shí)現(xiàn)對活塞機(jī)構(gòu)的機(jī)械疲勞壽命的測試。

實(shí)際工況中，不同種類的發(fā)動(dòng)機(jī)有著不同的工作壓力、轉(zhuǎn)速及受力形式。因此，在液壓活塞疲勞測試儀的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況進(jìn)行模擬。為了滿足試驗(yàn)要求，對活塞液壓脈沖疲勞測試儀提出4點(diǎn)需求:

(1)液壓活塞測試儀的工作壓力應(yīng)該在0～40 MPa之間連續(xù)可調(diào);

(2)液壓活塞測試儀的工作頻率應(yīng)該在0～40 Hz之間連續(xù)可調(diào);

(3)施加在活塞上的壓力曲線類型可選擇;

(4)高壓油腔的壓力曲線與低壓油腔的壓力曲線相位差為180°。

如圖1所示，在測試儀工作過程中，進(jìn)油時(shí)高/低壓油泵對液壓油分別加壓至大于其工作壓力。通過進(jìn)油溢流閥1，2，將油壓降低后，再通過對應(yīng)的電液伺服閥的進(jìn)油口，導(dǎo)入到對應(yīng)活塞腔中，對腔中的活塞產(chǎn)生沖擊載荷;回油時(shí)，液壓油通過對應(yīng)的電液伺服閥的回油口后，再通過冷卻裝置回到貯油箱中。過壓保護(hù)溢流閥3、4分別用于高壓腔、低壓腔的過壓保護(hù)。

圖1 活塞疲勞試驗(yàn)儀的油路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

1.2 液壓活塞測試儀關(guān)鍵控制器件的選型

活塞疲勞測試儀的控制系統(tǒng)如圖1所示，采用工業(yè)計(jì)算機(jī)+高速AD/DA設(shè)備進(jìn)行控制。PC機(jī)與AD/DA設(shè)備通過USB接口相連;AD設(shè)備分別與高/低壓腔的壓力傳感器相連;DA設(shè)備分別與高/低壓腔的SVC伺服驅(qū)動(dòng)器相連;伺服驅(qū)動(dòng)器與電液伺服閥相連，將PC機(jī)規(guī)劃好的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為伺服閥的控制信號(hào)。

電液伺服閥可將小功率控制的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為大功率的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，用來控制油路的流量。文中設(shè)計(jì)的高、低壓油路的流量控制，均選用MOOG公司推出的G761系列兩級(jí)電液伺服閥進(jìn)行控制，該型號(hào)的電液伺服閥對于40 Hz及以下的控制信號(hào)有較好的頻響特性，且具有響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。G761電液伺服閥所需要的輸入控制電流是±40 mA。伺服閥的驅(qū)動(dòng)選用上海維先公司生產(chǎn)的SVC-II，輸入電壓為±10 V，輸出電流為±40 mA。

為了準(zhǔn)確控制活塞腔中的油壓及其變化曲線，在活塞腔中安裝有壓力傳感器，以對試驗(yàn)過程中的油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成全閉環(huán)的控制。由于存在高壓油腔中的油泄漏到低壓油腔的可能，為了保護(hù)壓力傳感器，低壓腔的壓力傳感器的最大破壞壓力不應(yīng)小于高壓腔的最大壓力。為此選用GEFRAN公司的KS型壓力傳感器，其輸出電流為4～20 mA;高壓腔傳感器額定壓力范圍為0～40 MPa，損壞壓力為75 MPa;低壓腔傳感器額定壓力范圍為0～16 MPa，損壞壓力為40 MPa。

模數(shù) (AD)設(shè)備和數(shù)模 (DA)設(shè)備的精度與采樣速度，是決定控制系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)香農(nóng)采樣定理［9］，為了不失真地恢復(fù)原信號(hào)，采樣頻率Fs應(yīng)該不小于原信號(hào)頻譜中最高頻率Fmax的2倍，即:

在綜合考慮了采樣精度的要求與CPU設(shè)備的運(yùn)算能力后，AD/DA的采樣頻率均選為2 kHz。AD/DA設(shè)備選擇CONTEC公司生產(chǎn)的ADI16-4(USB)型AD設(shè)備和DAI16-4(USB)型DA設(shè)備，采樣精度均為16位，支持USB2.0接口;并提供了完整的API函數(shù)庫用于開發(fā)。

1.3 液壓活塞疲勞測試儀的軟件設(shè)計(jì)

通過需求分析可知，液壓活塞測試儀需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)伺服液壓閥的控制、活塞腔壓力采集、數(shù)據(jù)顯示、處理與保存等功能。為此，在Windows系統(tǒng)下，采用VC++6.0集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)，既可滿足多任務(wù)、弱實(shí)時(shí)性的要求，又可以利用VC豐富的軟件開發(fā)資源，減少研發(fā)難度。如圖2所示，控制軟件劃分為用戶管理模塊、參數(shù)調(diào)節(jié)模塊、狀態(tài)顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

圖2 活塞疲勞試驗(yàn)儀軟件功能及模塊

用戶管理模塊用來對系統(tǒng)使用人員的權(quán)限進(jìn)行管理。

參數(shù)調(diào)節(jié)模塊用于調(diào)整活塞疲勞試驗(yàn)壓力控制系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)。在參數(shù)調(diào)節(jié)模塊中，可供試驗(yàn)人員調(diào)節(jié)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)分別是高壓靜載/動(dòng)載、低壓靜載/動(dòng)載、相位偏移量、加壓頻率、AD/DA采樣頻率、壓力波形類型選擇等。

狀態(tài)顯示模塊用于顯示測試儀的運(yùn)行狀態(tài)，尤其是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)采集的高低油腔中的油壓等，處理后將結(jié)果以圖形的方式展示給操作人員，以便于進(jìn)行全閉環(huán)的控制參數(shù)調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)保存模塊采用多線程的方式對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。需要保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:

(1)設(shè)置參數(shù)。高壓靜載/動(dòng)載、低壓靜載/動(dòng)載等;

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。沖擊次數(shù)、高壓/低壓峰值、高壓/低壓谷值等;

(3)錯(cuò)誤日志。AD/DA異常原因、異常時(shí)間等。

2 液壓活塞試驗(yàn)中的關(guān)鍵控制技術(shù)

對于活塞疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)而言，高精度的壓力曲線、加壓頻率控制是其關(guān)鍵。AD設(shè)備采集當(dāng)前油缸內(nèi)液壓油的壓力變化并計(jì)算其頻率，針對油腔內(nèi)油壓當(dāng)前狀態(tài)對輸出的DA進(jìn)行調(diào)整，改變控制波形曲線，控制電液伺服閥，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。

2.1 液壓活塞沖擊測試過程中壓力的采集及異常監(jiān)控

在每次啟動(dòng)控制軟件的時(shí)候，控制軟件都會(huì)對AD設(shè)備進(jìn)行初始化工作，如圖3所示。

試驗(yàn)時(shí)，AD設(shè)備的停止條件是采集到指定數(shù)量的數(shù)據(jù)。AD設(shè)備采樣完成時(shí)，通過Windows消息機(jī)制通知控制軟件采樣結(jié)束。當(dāng)控制軟件得到采樣結(jié)束的消息后，控制軟件立即讀取AD設(shè)備內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)，一次性將所有采集的數(shù)據(jù)接收進(jìn)來，轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)顯示模塊輸出。

圖3 AD/DA設(shè)備設(shè)置流程圖

控制軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控活塞腔中可能發(fā)生的異常壓力變化。由于活塞環(huán)損壞時(shí)，高壓腔的高壓油將泄漏到低壓腔中，使得低壓腔油壓異常升高，大于試驗(yàn)限定的5 MPa壓力，意味著試驗(yàn)失敗。針對這種情況，控制軟件需要及時(shí)停止試驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)，同時(shí)報(bào)警。

2.2 液壓活塞疲勞測試的沖擊壓力的生成與控制

在液壓活塞試驗(yàn)中，采用正弦波對活塞腔中的燃燒室進(jìn)行模擬。為了針對一些特殊情況，還需要采用三角波、方波和斜波進(jìn)行模擬。需要的各種類型波形曲線如圖4所示。

圖4 控制波形示意圖

為了控制電液伺服閥的工作，DA設(shè)備將波形數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，輸出到SVC-II直流驅(qū)動(dòng)放大器，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的放大電流控制電液伺服閥閥芯的位置，按照規(guī)定的模式打開或關(guān)閉進(jìn)油口或回油口。與AD設(shè)備的設(shè)定相類似，DA設(shè)備在使用之前也需要對其進(jìn)行初始化設(shè)定，設(shè)定方法如圖3所示，在此不再贅述。

在活塞疲勞試驗(yàn)中，對于主要的試驗(yàn)控制曲線——正弦波而言，高壓腔和低壓腔中的壓力曲線頻率必須相同，幅值可以不同但其相位相差必須為180°。液壓油的相位、油壓、頻率等均受電液伺服閥的響應(yīng)幅頻、遲滯特性等的影響，需要對控制曲線做調(diào)整，才能保證腔內(nèi)的油壓變化、壓力波形的相位及頻率滿足試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員觀察腔內(nèi)壓力的削谷等技術(shù)，調(diào)整波形曲線。實(shí)測值，利用波形曲線的偏移、削峰和正弦波波形曲線調(diào)整方式如圖5所示:(1)標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線整體上下偏移;(2)波形的削峰、削谷;(3)曲線相位調(diào)整。

圖5 波形調(diào)整示意圖

2.3 油腔壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理技術(shù)

測試過程中，由于數(shù)據(jù)采集會(huì)有誤差，為了更好地檢測出活塞腔內(nèi)的壓力變化情況，采用最小二乘法對獲得的油壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，試驗(yàn)人員結(jié)合擬合結(jié)果對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

對于活塞腔的油壓，其頻率與電液伺服閥的工作頻率相等。由研究可知［10－13］:頻率已知，對于擁有幅值、相位和直流分量3個(gè)變量的正弦波擬合曲線，其最優(yōu)求解的過程是絕對收斂的。

假設(shè)高低壓腔中的壓力波形為理想正弦信號(hào)，由于AD設(shè)備在采集壓力的過程中，采樣頻率σ已知，則對于t時(shí)間內(nèi)，每隔Δt=1/σ時(shí)間采集一個(gè)數(shù)據(jù)，對于t1，t2，…，tn時(shí)刻，有對應(yīng)的油壓值y1，y2，…，yn，此時(shí)，采樣頻率對應(yīng)的角頻率ω=2πfσ。標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線公式可離散為:

式中:yH0(i)、yL0(i)分別表示第i個(gè)采集到的高、低壓腔壓力值;

AH0、AL0，BH0、BL0，CH0、CL0為待求的三角函數(shù)幅值;θH0、θL0為待求的三角函數(shù)相位;DH0、DL0為待求的三角函數(shù)直流分量。

利用最小二乘法最優(yōu)解法可以求得擬合函數(shù)為:

可得幅值和相位的表達(dá)式如下:

得到試驗(yàn)過程中活塞腔中的幅值與相位角后，可以計(jì)算出高、低壓腔油壓波形之間的相位差，當(dāng)相位差滿足:εθ=|θH－θL－π|≤π/20時(shí)，可以認(rèn)為高、低壓腔之間的油壓波形反相，即兩者相位相差為π。利用幅值可以計(jì)算出當(dāng)前活塞腔內(nèi)的最大壓力值。當(dāng)相位差與活塞腔內(nèi)的最大壓力值不滿足試驗(yàn)所需的要求時(shí)，控制軟件將提醒試驗(yàn)人員調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)。

3 試驗(yàn)步驟與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)步驟

液壓活塞測試儀的主界面如圖6所示，左側(cè)為參數(shù)設(shè)置區(qū)，右側(cè)為波形顯示區(qū)。

圖6 活塞腔內(nèi)實(shí)際壓力曲線

液壓活塞測試儀的使用步驟如下:

(1)將待測活塞安放在活塞腔內(nèi)，更換密封環(huán)，安裝密封活塞腔體，連接管路。

(2)開啟低壓油路電機(jī)，待低壓油路壓力建立之后，開啟高壓油路電機(jī);

(3)開啟壓力傳感器，電液伺服閥和AD/DA設(shè)備電源;

(4)打開液壓活塞測試儀控制軟件，設(shè)置頻率，選擇波形;

(5)待高壓建立后，點(diǎn)擊運(yùn)行;若運(yùn)行正常，在軟件的右上區(qū)域?qū)?huì)顯示當(dāng)前伺服閥控制的理論波形，右下區(qū)域?qū)?huì)顯示腔內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力波形;

(6)調(diào)整相位角，高、低壓靜載，高、低壓動(dòng)載，觀察顯示腔內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)波形，待波形滿足試驗(yàn)要求時(shí)，點(diǎn)擊計(jì)數(shù)開始按鈕，軟件開始計(jì)數(shù)，自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù);

(7)達(dá)到試驗(yàn)次數(shù)后，點(diǎn)擊停止，結(jié)束試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程如圖6所示，左上角顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)次數(shù);左下角的文本框顯示當(dāng)前腔內(nèi)的峰值壓力和谷值壓力，該壓力為若干周期內(nèi)峰值/谷值壓力的平均值;右上角的波形為當(dāng)前DA設(shè)備的輸出波形，即電液伺服閥的控制波形;右下角顯示的為實(shí)時(shí)采集的波形。

試驗(yàn)過程中，會(huì)自動(dòng)生成3個(gè)數(shù)據(jù)文件，分別是PistonSystem.ini，Data.csv，Error.csv。PistonSystem.ini用來保存控制軟件設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù);Data.csv用來保存采集到的實(shí)際壓力波形數(shù)據(jù);Error.csv用來保存DA設(shè)備的異常信息。

實(shí)際測試過程中，活塞疲勞試驗(yàn)儀選定了多個(gè)頻率范圍、壓力范圍的測試要求，對測試活塞進(jìn)行了大量試驗(yàn)，其中包括了18 Hz、28 MPa的典型柴油機(jī)工況下的活塞疲勞測試，35 Hz、18 MPa的典型汽油機(jī)工況下的活塞疲勞測試。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果顯示，活塞疲勞試驗(yàn)儀按要求完成了整個(gè)試驗(yàn)過程。通過對試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件和錯(cuò)誤日志的研究發(fā)現(xiàn)，活塞疲勞試驗(yàn)儀在測試過程中可以完整地保持試驗(yàn)過程的測試參數(shù)，并對試驗(yàn)過程中發(fā)生的AD/DA設(shè)備等異常進(jìn)行自適應(yīng)處理，最長無間斷實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到了72 h。

4 結(jié)論

通過大量實(shí)驗(yàn)，文中開發(fā)的活塞疲勞壽命測試系統(tǒng)，最大頻率達(dá)到40Hz、最大壓力達(dá)到40MPa;測試過程的中間物理量 (測試參數(shù)、高低壓腔的壓力變化曲線數(shù)據(jù))可以按照要求采集與保存，滿足了活塞疲勞壽命測試的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求，完全可以替代國外同類產(chǎn)品。文中的研究成果，對提高我國活塞設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)及使用具有重要意義。

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