基于CompactRIO的發(fā)動(dòng)機連桿疲勞試驗系統研究

　　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(dòng)態(tài)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(kāi)展連桿疲勞可靠性研究的主要手段包括仿真計算、實(shí)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(jìn)行趨勢性的分析和驗證，并且邊界條件不確定;實(shí)機試驗可以反映連桿的真實(shí)工況，但試驗周期長(cháng)、成本較高，并且不能進(jìn)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(lái)進(jìn)行試驗，并可以對疲勞試驗進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(kāi)發(fā)上，美國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(fā)動(dòng)機運行過(guò)程中，連桿的運動(dòng)狀態(tài)比較復雜，小頭作往復運動(dòng)，大頭作旋轉運動(dòng)，桿身作平面運動(dòng)。同時(shí)，連桿的受力情況也十分復雜，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慣性力;另一部分是連桿運動(dòng)時(shí)本身產(chǎn)生的慣性力，包括往復慣性力，擺動(dòng)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)?！　?/p>

　　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試驗原理

　　試驗臺的設計主要考慮連桿在實(shí)際運行中的拉伸壓縮載荷，忽略彎矩與剪力，對連桿進(jìn)行拉壓加載。這種設計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(jìn)行靜載試驗和動(dòng)態(tài)疲勞試驗。靜載試驗時(shí)，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(dòng)態(tài)疲勞試驗時(shí)，對連桿試件施加交變拉壓載荷，由于在發(fā)動(dòng)機實(shí)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(chēng)的加載方式，即負荷比不為-1。完成試驗后，試驗系統都會(huì )保存所有試驗數據，包括應變信號、拉壓載荷信號、循環(huán)次數、疲勞破壞狀態(tài)等。通過(guò)對試驗數據的統計分析，實(shí)現對連桿疲勞壽命的評估及其可靠性設計。

　　整個(gè)試驗系統的控制通過(guò)美國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，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(gè)試驗系統的設計可分為硬件和軟件兩個(gè)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(jìn)行試驗。主要包括連桿試件固定夾具、移動(dòng)導軌、移動(dòng)面、支撐面。