基于cDAQ 平台​发动​机​部件​测试案例解析

作者：周跃钢，阳松林，邹利亚，王建华，王立

挑战:
发动​机​部件​测试，​需要​创建​测试​方法、​开发​测试​平台，​解决​常规​测试​方法​无法​实施​的​测量​项目。​目前​可供​发动​机​部件​测试​借鉴​的​试验​方法​和​测试​技术，​不能​完全​满足​部件​商品​改进​和​产品​开发​需求，​存在​的​主要​问题： ①​重视​整​车、​整​机​测试，​轻视​部件​测试。​部件​测试​技术​前期​开发​不足，​构​建​测试​系统​应付​了​事。​测试​功能​由​厂商​定义​的​菜单​式​仪器，​不​具备​二次​开发​特性，​设备​资源​利用​率​低。​②​测试​数据​重复​性差。​导致​部件​同一​测量​部位，​同一​测试​工​况​测量​数据​比对​一致性​差。​③​测试​效率​低。​存在​数据​采集​与​计算​存储​速率​匹配​矛盾，​高​频​采样​与​冗​余​数据​产生​矛盾。​④​部件​测试​核心​技术​储备​不足。​急需​开展​的​部件​测试​因​存在​技术​瓶颈​无法​实施，​开发​测试​方法​面临​一​无​经验​二​无​专​项​测试​技术​传承，​存在​应用​空白。

解决​方案:
创建​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​开发​用户​软件​自​定义、​以​LabVIEW 软件​为​核心​的​自动​化​测试​系统​架构​设计，​设计​研制​测试​机械​装置，​开展​部件​测试​传感器​制作。​在​一个​开放​式​的​cDAQ​平台​上​集成​多种​I/​O 模​块​和​测试​功能，​创建​测试​方法、​设计​控制​算法、​编​程​测​控​软件，​为​发动​机​部件​测试​复杂​技术​问题​提供​软件​自​定义​的​灵活​解决​方案。​项目​实施​过程​中，​应用​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​开展​中型​柴油​发动​机​主​轴承​座​及​端​盖​应力、​中型​和​重型​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试，​中​重型​柴油​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度、​缸​盖​温度、​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试，​拓展​应用​于​整​车​车​架​应力​测试，​形成​了​具有​自主​知识​产权​的​一​整套​从​发动​机​部件​测试​系统​开发、​测量​方法​创建​到​测试​应用​评价​体系​建立，​项目​综合​体现​了​发动​机​部件​测试​系统​最新​测​控​技术​的​实际​应用。

1．​引言
发动​机​质量​水平​依赖​于​各个​部件​质量​优​劣，​部件​测试​越​深入，​整​机​可靠性​耐久性​暴露​问题​越​少。​随着​商品​发动​机​改进、​新品​发动​机​开发​和​竞​品​发动​机​分析​的​测试​需求​增加，​发动​机​部件​测试​的​作用​日趋​凸显。​这​给​传统​的​发动​机​部件​测试​带来​了​前所未有​的​挑战，​发动​机​部件​测试​必须​与​时​俱​进、​拓展​新​功能​和​进行​方法​的​创新。

发动​机​部件​测试，​一种​是​使用​菜单​式​仪器​拿来​即​用，​无​需​编​程、​使用​简单。​第二​种​需要​构​建​测试​平台，​根据​控制​对象​灵活​组合​测​控​模​块，​在​同一​平台​实现​软件​自​定义​的​多​参数​测量​控制​和​不同​采样​率​设置、​可​定义​的​分析、​可​视​化​和​文件​I/​O，​该​方式​代表​了​当今​国内外​发动​机​部件​测试​的​主流​技术。

开发​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​首先​一个​通用​平台​满足​各种​测试​需求。​用户​根据​测试​对象​组合​测​控​模​块，​进行​各种​测试​的​控制​程序​开发，​开展​发动​机​部件​测试​方法​创新。​其次​解决​测试​数据​重复​性差​的​问题。​应用​比值​测量​消除​A/​D 量化​误差、​比值​计算​增加​测量​数据​稳定，​提高​测量​精度。​第三​解决​如何​提高​测量​效率​的​问题。​创建​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法，​队列​的​缓冲​作用，​兼顾​数据​采集​与​计算​存储​的​速率​匹配​矛盾，​采集、​计算​存储​并行​进行。​创建​自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法，​设置​高​频​采样​和​降​频​采样​频率，​进行​傅​里​叶​功率​谱​密度​函数、​互​相关​函数、​相关​系数、​均​方​差​计算，​开展​频​域​时​域​相关​性​分析。​相关​性​吻合​采用​降​频​采样​频率，​减少​无​谓​的​冗​余​数据​海量​计算​存储。​第四​应用​于​技术​难度​大​过去​无法​实施​的​测试​项目。​发动​机轴​向​负荷​加​载​测试​打破​技术​壁垒​封锁，​攻克​部件​传感器​制作​瓶颈​开拓​测试​新​功能，​部分​项目​填补​了​发动​机​部件​测试​的​应用​空白，​是​面向​特殊​测试​的​创新​技术​应用​范​例。

基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统​的​开发​与​应用，​解决​由​使用​固定​软件​且​功能​厂商​定义​的​测试​平台​无法​完成​的​测试​难题，​开展​发动​机​部件​测试​系统​开发、​测试​方法​创建​和​测试​应用​评价​体系​的​建立。

2．​测试​系统
2.1 cDAQ 平台
​cDAQ（Compact Data Acquisition）​平台，​美国​国家​仪器​公司​创建​的​多功能​便​携​式​数据​采集​平台，​见​图​2.1。​包含​NI CompactDAQ 机​箱、​NI c 系列​热​插​拨​I/​O 模​块，​USB 接口​控制，​连接​基于​LabVIEW 图形​化​编​程​语言​的​主机。​基于​cDAQ 平台​的​测试​及​控制​解决​方案，​可以​实现​用户​软件​定义​的​数据​采集、​数据​记录、​数据​分析​和​测量​显示，​适合​于​多功能​的​数据​采集​应用​和​信号​控制。

​图 2.1 cDAQ 模​块​化​平台

​图 2.2 开发​基于​cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统

​图 3.1 比值​测量​计算

NI CompactDAQ 机​箱​控制​用户​自​定义​定​时、​同步​和​多​达​8 个​c 系列​I/​O 模​块​之间​数据​传输，​同时​管理​多个​定​时​引擎，​在​相同​系统​内​运行​多​达​7 个​不同​采样​率​的​硬件​定​时​I/​O 任务。

NI C 系列​50 多种​热​插​拨​I/​O 模​块，​BNC 接口​或​螺丝​端子​接口​直接​连接​传感器，​模​块​内​置​抗​混​叠​滤波​器、​信号​调理​和​A/​D 转换​器，​通道​间​隔离​或​组​隔离、​带有​终端​连接​器，​测量​信号​包括​温度、​负荷、​压力、​应力、​扭矩、​加速度、​数字​I/​O、​计数​和​定​时、​CAN 通讯​等，​适应​不同​类型​的​物理​信号​测试​系统​要求。

cDAQ 平台​需要​根据​控制​对象​和​检测​功能​积木​式​组合​I/​O 接口​模​块，​测试​效率​取决​于​测试​方法​创建、​LabVIEW 软件​结构​设计​和​编​程​技巧。

2.2 系统​开发

应用​美国​国家​仪器​公司​NI cDAQ 开放​式​模​块​化​数据​采集​硬件​平台​和​LabVIEW 图形​化​编​程​软件，​开发​用户​软件​自​定义​的​发动​机​部件​测试​系统，​见​图​2.2。​该​系统​体现​以​LabVIEW 图形​化​编​程​软件​为​核心​的​自动​化​测试​系统​架构​设计，​在​cDAQ 平台​上​根据​部件​测​控​参数​组合​接口​模​块，​用户​只做​部件​测试​方法、​控制​算法​和​控制​程序​的​顶​层​设计，​以及​部件​测试​机械​装置​开发​和​测试​传感器​制作​的​底层​设计，​为​发动​机​部件​测试​复杂​技术​问题​提供​解决​方案。​应用​创新​技术​实现​部件​产品​应力、​压力、​负荷、​温度、​转​速、​扭矩、​数字​I/​O、​振动​和​加速度​等​性能​参数​测试​考核，​解决​由​使用​固定​软件​且​功能​由​厂商​定义​的​传统​测试​平台​无法​完成​的​测试​难题。

基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​包含​NI cDAQ 9172 机​箱​和​NI c 系列​模​块，​图形​化​编​程​软件​LabVIEW2011，​完成​部件​测试​开发​研制​的​发动​机轴​向​负荷​加​载​装置，​制作​发动​机​缸​盖、​止​推​片​K 型​热电​偶​温度​传感器​和​高压​油管​应变​传感器，​以及​Pt100 铂​电阻、​1/4 桥​电阻​应变​片​和​应变​花、​压力​变​送​器、​K​型​铠​装​热电​偶​等​传统​传感器。​cDAQ 9172 机​箱​8 槽​位，​能​控制​多​达​8 个​热​插​拨​c 系列​I/​O 模​块​之间​数据​传输​以及​模​块​数据​采集​的​定​时、​同步​功能。​NI c 系列​NI 9219、​NI 9234、​NI 9235、​NI 9237、​NI 9477 等​即​插​即​用​模拟、​数字​I/​O 测​控​模​块，​满足​发动​机​部件​测试​需求。​未来​还​将​根据​部件​测试​功能​拓展，​在​线​缆​式​cDAQ​平台​上​增加​NI c 系列​模​块​或​升级​至​CompactDAQ​控制器。​主机​PC​运行​用户​自​定义​开发​的​LabVIEW​测​控​程序，​通过​USB 接口​控制​cDAQ 平台​实现​数据​采集，​在​同一​平台​实现​多​参数​测量​控制​和​不同​采样​率​设置。​LabVIEW 测​控​程序​通过​调​用​系统​服务​与​驱动​层​底层​驱动​函数，​与​硬件​I/​O 模​块​实现​无缝​集成​控制。

3．​测试​技术
3.1 比值​测量​计算​方法

3.1.1 比值​测量

发动​机​台​架​试验​扭矩​及​压力​测量、​轴​向​负荷​加​载​测量、​主​轴承​座​及​端​盖​应力​测量、​共​轨​压力​测量​和​燃油​消耗量​称​重​测量，​以及​整​车​车​架​应力​测量，​所用​传感器​由​四​个​桥​臂​的​惠​斯通​电​桥​组成。​根据​检测​组​件​配置​的​单​桥​臂、​双​桥​臂​或​四​桥​臂​电阻​应变​片，​构成​1/4 桥、​半​桥​或​全​桥​电路，​目前​存在​的​问题：

①​测量​接口​模​块​与​测​点​应变​传感器​之间​导线​压​降，​导致​应变​传感器​激励​电压​和​A/​D 转换​器​基准​电压​非​等​电位，​A/​D 转换​量化​结果​引入​测量​误差。

② 应变​传感器​测量​值​计算，​取​激励​电压​设定​常数，​激励​电压​波动​变化​引入​计算​误差。

上述​因素，​导致​部件​同一​测量​部位，​同一​测试​工​况​测量​数据​比对​一致性​差。

比值​测量​计算​方法，​见​图​3.1。​比值​测量，​根据​运算​放大器​输入​阻抗​高​输入​电流​为​零​致使​传输​导线​不​产生​压​降​特点、​应用​基准​电压​检测​器​检测​应变​传感器​激励​电压​Vcc，​检测​值​实​时​跟踪​激励​电压​波动​其​输出​驱动​作为​A/​D 转换​器​基准​电压​Vref。​Vcc 等于​Vref，​A/​D 转换​补偿​激励​电压​至​应变​传感器​导线​电阻​Rlead 产生​的​压​降​引起​的​增益​误差，​消除​激励​电压​变化​和​温度​飘移​对​A/​D 量化​结果​的​误差​影响。

图 3.2 基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储

​图 3.3 自​适应​数据​采集​频率​设置

​图 3.4 重型​发动​机​高压​油管​应力​测试​频​谱​分析

比值​测量​方法​的​优势​增加​测量​稳定​性。​激励​电压​变化，​激励​电压​被​检测​并​反馈​到​A/​D 转换​器​基准​电压​端，​激励​电压​Vcc 与​A/​D 基准​电压​Vref 等​电位，​A/​D 量化​精度​不受​激励​电压​变化​影响。

3.1.2 比值​计算

应用 Vin/​Vcc 比值​计算​方法，​计算​车​架​应力、​发动​机​扭矩、​轴​向​负荷、​缸​体​应力​和​高压​油管​应力，​将​传感器​输出​电压​对应​的​各种​物理​参数​替换​成​比值​对应，​其​线性​表达​式：

y = kx + b

式​中，​y 为​测量​物理​值，​x 为​应变​传感器​输出​比值​Vin/​Vcc，​k 为​增益​系数，​b 为​应变​传感器​零点​失调​物理​值。

比值​计算​方法​的​优势​标定​测量​数据​重复​一致性​好。​对应 A/​D 模拟​输入，​比值​计算​与​传感器​激励​电压​Vcc 变化​无关，​对应​N、​Nm、​lb、​kg、​Pa 及​Psi 各种​物理​量的​检测​计算​稳定，​减少​重复​标定​次数​或​分段​标定​区域。

发动​机​部件​应变​应力​测量，​应用 NI 9237 模​块​比值​测量​和​LabVIEW 测​控​程序​比值​计算​算法，​提高​测量​数据​重复​一致性​和​精确​度。

3.2 基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法

发动​机​部件​测试，​在​数据​采集​和​计算​存储​并行​执行​的​程序​结构​中，​通过​局部​变量​传递​数据，​数据​采集​速率​大于​数据​计算​存储​速率，​产生​遗漏​计算​采集​数据；​数据​采集​速率​小​于​数据​计算​存储​速率，​产生​重复​计算​采集​数据。​由于​存在​数据​采集​与​实​时​计算​存储​的​速度​匹配​瓶颈，​导致​测试​效率​降低。

设计​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法，​见​图​3.2。​生产​者​主​循环​实现​数据​采集，​并​将​数据​放入​队列；​消费​者​从​循环​依次​从​队列​中​取出​数据，​实现​数据​计算​存储。​联​接​两​个​循环​的是​基于​队列​的​数据​管道，​主​循环​数据​通过​队列​传递​给​从​循环，​主​循环​与​从​循环​并行​执行。

基于​队列​的 LabVIEW 生产​者 /​消费​者​循环​数据​结构，​利用​队列​构​建​的​FIFO（先入​先​出）​将​数据​进行​缓​存，​当​消费​者​的​计算​存储​执行​速率​小​于​生产​者​数据​采集​速率，​队列​长度​将​不断​增加，​不会​遗漏​读​取​采集​数据。​当​消费​者​的​计算​存储​执行​速率​大于​生产​者​数据​采集​速率，​从​队列​中​每​取​完​一​组​数据​队列​长度​即为​空，​不会​重复​读​取​采集​数据。​由于​队列​的​缓​存​作用，​不管​消费​者​模式​的​计算​存储​运行​速率​如何，​生产​者​消费​者​模式​始终​保证​消费​者​循环​处理​的是​正确​的​数据。

3.3 自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法

高速​数据​采集，​导致​大量​冗​余​数据​涌​入。​海量​数据​计算​和​冗​余​数据​存储，​增加​数据​处理​计算​负荷。​必须​杜绝​发动​机​部件​采样​频率​仅​凭​经验​或​靠​感觉​确定​的​弊端，​减少​冗​余​数据​量​无​谓​计算、​节省​存储​空间​并​提高​数据​处理​分析​效率。

设计​自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法，​见​图 3.3，​应用​傅立叶​功率​谱​函数​和​相关​性​函数​分析，​确定​测量​信号​频率。​根据​信号​频率​设置​采样​率，​达到​试验​研究​和​测试​结果​所需​精度​要求。

信号​参数​的​频率​响应​范围，​设定​第一​高​频​采样 X0（t）​和​第二​降​频​采样​X1（t），​作​时​域、​频​域​分析。​首先​应用​FFT 傅立叶​功率​谱​密度​函数​进行​频率​响应​分析​计算，​求​出​被​测​参数​信号​响应​频率，​以​重型​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试​为​例，​设定​采集​频率​5KHz，​发动​机​转​速​1900r/​min，​外​特性​试验​的​采集​数据，​进行​傅立叶​功率​谱​密度​函数​频率​响应​计算​分析，​见​图​3.4，​应变​信号​响应​频率​16Hz。​若​不同​采样​频率​的​信号​可以​互换，​等​价​条件​为​功率​谱​图​相邻​最​大幅​值​间​的​频率​相同。

其次​进行​相关​性​判断，​互​相关​函数​反映​两​个​样本​在​不同​时刻​之间​的​相互​依存​关系。​运用​互​相关​函数、​相关​系数、​均​方​差​计算​两​种​信号​波形​在​不同​时刻​的​相似​性​和​关联​性，​判断​是否​具有​互换​性。​如果​高​频​采样​X0（t）​和​降​频​采样​X1（t）​二者​具有​极​高​相关​性，​且​相关​系数​和​均​方​差​值​计算​没有​超出​门槛​值，​应用​降​频​采样。

如果​在​某些​特征​参量​上​差异​超出​设定​门槛​值，​使用​原​频率​采样。

以​中型​柴油​发动​机​主​轴承​座​应力​测量​为​例，​两​组​不同​采样​频率​的​主​轴承​座​应力​信号​波形​互​相关​分析，​见​图​3.5。​图​3.5a 两​组​应力​信号​采样​频率​同​为​10kHz，​相关​系数​计算​等于​1，​均​方​差​计算​等于零，​信号​波形​完全​相同。​图​3.5b 为​第一​高​频​10kHz 采样​和​第二​降​频​9kHz 采样​的​信号​波形​互​相关​性​分析，​相关​系数​＜​1，​均​方​差​计算​＞​0，​两​组​信号​波形​高度​吻合。​图​3.5c 为​第一​高​频​10kHz 采样​和​第二​降​频​40Hz 采样​的​信号​波形​互​相关​性​分析，​相关​系数​计算​近似​等于零，​均​方​差​计算​误差​超出​门槛​值​出现​错误​警示，​两​组​信号​波形​风马牛​不相​及、​毫不​相关。

自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法，​根据​LabVIEW 信号​处理、​数据​分析​软件​FFT 傅立叶​频​谱​分析​和​相关​函数​计算，​寻找​最优​采样​频率，​使​采样​频率​真实​接近​测试​参数​响应​频率​的​整数​倍。​即​真实​反映​信号，​又​不​出现​数据​冗​余。

3.4 发动​机轴​向​负荷​加​载​控制​方法

发动​机​部件​测试，​除​需​建立​测试​平台​外、​还​需​研制​测试​装置、​制作​部件​传感器，​远​比​具有​现成​检测​设备​的​整​机​台​架​测试​准备​工作​复杂​的​多。​部件​测试​开发，​没有​现成​的​技术​方法​可以​借鉴，​没有​全套​齐全​的​设备​能够​买到，​部件​测试​装置​的​开发​源​于​创新。

发动​机轴​向​加​载​测试​装置​设计，​见​图 3.6。​气缸​支架、​联​接​杆​支座​安装​在​发动​机​试验​室​铁​地板​上，​止​推​轴承​装配​在​止​推​轴承​套​座​内，​止​推​轴承​套​座​用​螺栓​固定​在​发动​机​曲轴​法​兰​盘​前端。​通过​cDAQ 平台​NI9477 控制​气缸​气压​压力​实现​轴​向​推​拉力​双向​加​载、​NI 9237 检测​轴​向​加​载​负荷，​拉​压力​传感器​承载​气缸​活塞​直线​行程​的​推​拉力，​并​将​力矩​传递​给​联​接​杆。​止​推​轴承​承载​联​接​杆​直线​行程​的​推​拉力，​并​将​力矩​作用​至​旋转​的​发动​机​曲轴​法​兰​盘​端面，​完成​发动​机​运转​时​轴​向​负荷​推​拉力​加​载​的​试验​考核。

发动​机轴​向​负荷​加​载​测试，​应用​于​发动​机​曲轴​端面、​气缸​体​端面、​轴​瓦​端面、​飞​轮​端面、​变速箱​端面​施加​轴​向​负荷​推​拉力​加​载，​考核​发动​机​部件​产品​耐久性​能​的​专​项​测试。

3.5 发动​机​部件​传感器​制作​方法

3.5.1 高压​油管​应变​传感器​制作

发动​机​部件​测试，​除​应用​传统​的​商品​传感器​外，​亦​需要​专​项​制作​部件​传感器。​部件​传感器​制作​缺陷，​往往​导致​部件​测试​系统​的​应用​功​亏​一​篑。

共​轨​柴油​发动​机​燃油​供给“大动脉”高压​油管，​使用​过程​中​若​出现​断裂​或​漏油​等​失效​故障，​不仅​影响​发动​机​可靠性，​而且​直接​关系​人身​和​车辆​安全。​在​发动​机​高压​油管​应变​测试​实践​中，​如何​选​型​应变​片​和​制作​应变​传感器，​是​保障​测试​成功​的​关键。

应变​片​选择，​采用​输出​阻抗​120Ω​两​轴​90°​垂直​应变​花，​测量​高压​油管​轴​向​和​径​向​应变，​计算​应变​合力。​根据​高压​油管​管​径​与​长度，​选择​敏感​栅​长度​3mm 以上、​自我​温度​补偿​（敏感​栅​材料​与​被​测​物​材料​热​膨胀​系数​相对​应）​的​3 线​制​金属​箔​式​应变​片，​消除​应变​片​阻值​和​引线​电阻​随​温度​变化​的​影响。

高压​油管​应变​片​粘贴​部位，​选择​能​最大​感受​油管​应力​的​管​件​端​头​部位，​其中​两​轴​90°​应变​花​粘贴​位置，​距​高压​油管​端​头​距离​20mm，​见​图​3.7a。​针对​细​径​圆​管​和​不​规则​弯曲​形状，​为​真实​检测​应力​和​防止​应变​片​粘贴​不​实​振动​脱落，​设计​了​应变​传感器​制作​方法。​①​检查​分​选；​②​管​件​打磨；​③​划​线​定位；​④​贴​面​清洗；​⑤​涂​剂​粘​片；​⑥​加​压​固定；​⑦​质量​检查；​⑧​防护​处理。​制作​完成​的​高压​油管​应变​传感器，​见​图​3.7b 和​3.7c。

应用 cDAQ 平台​NI 9235、​NI 9237 及​附件​NI 9944 接口​模​块，​开展​高压​油管​动态​应变​测量，​制作​合格​的​高压​油管​应变​传感器，​频​谱​分析​能够​捕捉​并​呈现​与​发动​机​转​速​基​频​对应​的​最​大幅​值​和​周期，​见​图​3.4。

3.5.2 止​推​片​温度​传感器​制作

发动​机​止​推​片​表面​磨损，​导致​发动​机​曲轴​窜​动、​活塞​拉​缸、​离合​器​挂​档​分离​困难​和​运转​异​响，​止​推​片​磨损​过程​中​温度​异常​上升​还​会​产生​严重​烧​蚀​或​抱​轴；​造成​曲轴​止​推​面​和​缸​体​轴承​座​侧面​摩擦​磨损、​缸​体​和​曲轴​报废​的​严重​故障。​在​考核​止​推​片​材料​的​止​推​耐磨​性能​试验​中，​如何​向​发动​机​曲轴​端面​施加​轴​向​负荷​加​载，​怎样​制作​和​安装​止​推​片​温度​传感器，​如何​准确​检测​止​推​片​温度，​是​实现​止​推​片​性能​测试​的​关键​技术。

（a）​两​种​采样​信号​波形​相关 （b）​两​种​采样​信号​波形​高度​近似​相关 （c）​两​种​采样​信号​波形​不​相关
​图 3.7 高压​油管​应变​传感器​制作
 

沿​发动​机​曲轴​纵​向​方向，​在​发动​机​主​轴承​座​和​主​轴承​座​端​盖​前后​各有​2 片上、​下​止​推​片。​发动​机​止​推​片​传感器​制作，​见​图​3.8。​沿​止​推​片​圆周​30º、​90º、​150º​处，​在​上、​下​止​推​片​壁​厚​2.5mm 中​线​位置​各​钻​Ф1.1、​深​7mm 小​孔​3 个，​沿​壁​厚​圆​弧​面​加工​宽​1mm、​深​4mm 沟​槽，​在​小​孔​内​安装​点​焊​后​的​镍​铬​镍​硅​K​型​热电​偶​丝，​沿​沟​槽​引出​并​用​密封​胶​填充​固定。​止​推​片​温度​传感器​筛选，​设定​测量​误差​≤​±2℃，​合格​产品​作为​发动​机​止​推​片​试验​样品。

4．​部件​测试
4.1 发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试

中​重型​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试​系统，​NI cDAQ 9172 测试​平台，​含​8 种​轴​向​推​拉力​加​载​控制​NI 9477 模​块、​轴​向​力​检测​NI 9237 模​块、​3 组​12 通道​K 型​热电​偶​温度​检测​NI 9219 模​块，​见​图​4.1。

图 3.7 ​高压​油管​应变​传感器​制作 （b）​泵​至​轨​油管​应变​传感器

图 3.7 ​高压​油管​应变​传感器​制作 （c）​轨​至​嘴​油管​应变​传感器

止​推​片​温度​传感器​安装，​见​图 4.2。​首先​在​发动​机​主​轴承​座​安装​上​止​推​片，​装入​曲轴，​安装​主​轴承​座​端​盖​的​同时​装入​下​止​推​片。

发动​机轴​向​负荷​加​载​测量，​采用​电阻​应变​桥​式​拉​压力​传感器。​应用​Vin/​Vcc 比值​测量​计算​方法，​见​图​4.4。​拉​压力​传感器​激励​电压​变化​时，​接口​模​块​A/​D 转换​器​参考​电压​同步​变化，​A/​D 转换​器​模拟​输入​与​激励​电压​的​比值​Vin/​Vcc 保持​恒定，​测量​精度​不受​激励​电压​波动​的​影响。

应用​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​止​推​片​可靠性​测试​界面​见​图​4.5。​开展​发动​机​稳定​工​况、​带​负荷​起动​正常​润滑​工​况​和​边缘​润滑​工​况​轴​向​负荷​加​载​12 通道​止​推​片​温度​测试，​考核​发动​机​止​推​片​受​轴​向​负荷​作用​下​的​温​升​及​磨损，​对​止​推​片​可靠性​进行​判断。

发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试，​稳定​工​况​下​止​推​片​最高​温度​为​131.90℃，​见​表​4.1。​稳定​工​况​试验，​止​推​片​表面​未​出现​擦伤​痕迹，​亦​未​出现​明显​的​摩擦​痕迹。

本​项目​开发​与​应用，​攻克​发动​机​止​推​片​性能​测试​轴​向​负荷​加​载​控制、​止​推​片​温度​传感器​制作​和​安装​的​技术​瓶颈，​填补​发动​机​部件​专​项​测试​的​应用​空白，​是​面向​特殊​测试​的​创新​技术​应用​范​例。

4.2 发动​机​主​轴承​座​及​端​盖​应力​测试

发动​机​动力​性、​经济​性​和​降低​排放​的​整体​性能​指标​提升，​要求​发动​机​缸内​燃烧​压力​随​之​增加，​缸内​最大​爆发​压力​导致​发动​机​疲劳​应力​分布​主要​集中​在​主​轴承​座​区域。

为​考核​发动​机​缸​体​轴承​座​所​承受​的​应力，​开展​台​架​试验​中型​柴油​发动​机​主​轴承​座​及​端​盖​应力​测试。​发动​机​主​轴承​座​1 缸​侧​粘贴​1/4 桥​120Ω​电阻​应变​片，​主​轴承​端​盖​粘贴​1/4 桥​120Ω​电阻​应变​片​及​90°​电阻​应变​花，​见​图​4.6。

应用​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​主​轴承​座​应变​应力​测试​系统，​见​图​4.7，​NI 9219、​NI 9237 和​NI 9944​组成​1/4 桥​应变​测量​接口​模​块。​建立​台​架​试验​工​况​主​轴承​座​应力​分析、​主​轴承​座​应力​随​爆​压​变化​规律​分析​的​测试​应用​评价​体系。​开展​主​轴承​座​端​盖​螺栓​安装​应力，​外​特性​工​况​主​轴承​座​应力，​负荷​特性​工​况​主​轴承​座​应力​测量。

图 3.8 ​发动​机​止​推​片​传感器​制作 （b）​止​推​片​K 型​热电​偶​传感器

图 4.1 ​基于​cDAQ 平台​的​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试 （a）​NI cDAQ9172 平台

图 4.1 基于​cDAQ 平台​的​发动​机轴​向​负荷​加​载​止​推​片​温度​测试 （b）​cDAQ 平台​模​块​接口

发动​机​转​速 2400r/​min 负荷​特性​工​况，​主​轴承​座​应力​峰值​测量，​见​图​4.8。​发动​机​主​轴承​座​应力​响应​主要​由​缸​压​作用​产生，​应力​峰值​的​大小​与​爆​压​压力​大小​有关。

发动​机​转​速 2400r/​min 外​特性​工​况，​主​轴承​座​应力​测试​的​采集​数据，​应用​傅立叶​功率​谱​密度​函数​进行​信号​频率​响应​计算，​见​图​4.9，1/4 桥​应变​片​应变​信号​响应​频率​20Hz，​对应​发动​机​转​速​2400r/​min 的​基​频。

4.3 发动​机​高压​油管​应力​测试

高压​油管​产品​设计、​材料​选​型、​仿真​计算、​可靠性​评价，​需要​进行​应力​测试​验证。​而​对​这​方面​的​测试​技术、​试验​方法、​数据​分析​过去​往往​缺乏​认识，​具体​测试​过程​出现​的​问题​未能​解决。​为此，​进行​共​轨​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试​系统​的​开发，​开展​测试​技术​创新​和​试验​方法​研究，​解决​多​通道​数据​采集​与​实​时​计算​存储​的​速度​匹配​瓶颈、​高速​数据​采集​与​冗​余​数据​产生​导致​测试​效率​低下​问题。

应用​基于 cDAQ 平台​的​NI cDAQ9172 机​箱、​NI 9235 1/4 桥​应变​测量​模​块、​NI 9237 和​NI 9944 1/4​桥接​线​座，​组成​中、​重型​共​轨​柴油​发动​机​高压​油管​应变​应力​测试​系统。

建立​高压​油管​应力​测试​评价​体系，​开展​安装​强度​应力​和​运行​疲劳​应力​测试。​数据​分析，​应用​Goodman​曲线​进行​产品​强度​应力​和​疲劳​应力​可靠性​评价。​同时​对​运行​应力​测试​数据​开展​频​谱​分析，​分析​疲劳​应力​产生​原因​及​确定​自​适应​数据​采集​频率。​重型​柴油​发动​机​高压​油管​应力​测试​部位，​见​图​4.10、​4.11。

应用​自​适应​数据​采集​频率​设置​测量​方法，​设定​第一​高​频​采样 10kHz 和​第二​降​频​采样，​进行​FFT 功率​谱​密度​函数​频率​响应​分析​和​信号​相关​性​计算，​减少​无​谓​的​冗​余​采集​数据​海量​计算​存储，​提高​测试​效率。​采样​频率​5KHz，​对​图​4.11 重型​发动​机​第​6 缸​轨​至​嘴​高压​油管​喷​嘴​端​90°​应变​花​1-1 和​1-2 测​点、​共​轨​端​90°​应变​花​1-3 和​1-4 测​点​开展​轴​向​和​径​向​应力​频​谱​分析，​见​图​4.12。​2 组​轴​向​和​2 组​径​向​应力​响应​频率​均​为​15.83Hz，​运行​应力​周期​0.063s，​与​发动​机​转​速​1900r/​min 的​基​频​吻合。

高压​油管​运行​应力​测试​频​谱​分析​表明，​发动​机​轨​压​建立​过程，​油管​工作​时​受到​的​周期​应力、​以及​发动​机​运行​振动​导致​的​油管​应力​幅​值​变化，​是​产生​油管​疲劳​失效​的​主要原因。​疲劳​应力​一方面​受到​管内​轨​压​的​作用，​另一方面​亦​受到​喷​油、​供​油​压力​波动​的​作用。​在​疲劳​应力​的​基础​上，​还有​与​发动​机​转​速​基​频​对应​的​周期性​应力​响应。

多​通道​数据​采集​和​存储​计算，​设计​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法，​见​图​4.13。​首先​对​cDAQ 平台​接口​模​块​设置​初始​化，​创建​数据​采集​任务、​设定​采样​频率、​启动​定​时​采集，​循环​读​取​采集​数据，​数据​采集​结束​删除​任务​释放​资源。​多​任务​并行​处理​采用​LabVIEW 生产​者 /​消费​者​循环​数据​结构，​生产​者​循环​使用“元素​入​队列”函数​向​数据​簇​队列​中​添加​采集​数据，​消费​者​循环​使用“元素​出​队列”函数​从​数据​簇​队列​中​取出​数据。​当​数据​采集​速率​快​于​数据​计算​存储​速率，​来不及​处理​的​数据​缓​存​于​队列​中，​保证​采集​数据​不​丢失。​基于​队列​的​循环​间​数据​传输，​采集、​计算、​存储​多个​任务​并行​执行，​消除​后​续​离​线​数据​处理​分析，​具有​更高​测试​吞吐量，​提高​程序​效率。​运筹​于​帷幄​之中，​决​胜​于​千里​之外。

重型​发动​机​高压​油管​晶粒​钢​材料​PP600，​极限​抗​拉​强度​800Mpa，​屈服​强度​700Mpa，​疲劳​极限​240Mpa，​0.1RPH（0.1%​失效​率​下​的​疲劳​极限）​152Mpa。​应用​Goodman 应力​分析​评价​见​图​4.14。​安装​平均​应力​值​（强度​应力）​作为​横坐标、​运行​平均​应力​值​（疲劳​应力）​作为​纵​坐标，​0.1%​失效​的​疲劳​极限​与​横坐标、​坐标​原点​及​纵​坐标​所​组成​的​区间​为​安全​工作​区。

重型​发动​机​高压​油管​应力​测量​值​分布​在 0.1%​失效​的​疲劳​极限​线​以下，​测量​应力​满足​Goodman 曲线​材料​强度​与​疲劳​强度​限​值​要求。

应用 cDAQ 平台​和​LabVIEW 测​控​程序，​开展​高压​共​轨​中型​柴油​发动​机​泵​至​轨​高压​油管​安装​应力​和​运行​应力​测试，​见​图​4.15。

发动​机​转​速 2400r/​min 外​特性​试验​工​况，​数据​采样​频率​5kHz。​应用​Goodman 曲线​判断​高压​油管​安装​应力​和​运行​应力​分布​状况，​见​图​4.16。

发动​机​高压​油​管材​质 PP600 PPSH Q 级，​弹性​模​量​E=212，​泊​松​比​μ=0.285，8 路​应力​测量​平均值​分布​在​0.1%​失效​的​疲劳​极限​线上​下​区间，​2 路​测量​应力​值​略​超过​0.1%RPH 限​值、​小​于​疲劳​极限​值​要求。

4.4 发动​机​缸​盖​温度​测试

发动​机​缸​盖​设计，​鼻梁​区​热​应力​情况、​水流​场​工作​情况、​材料​选​型​等​基础​工作​和​仿真​计算，​需要​开展​缸​盖​温度​测试，​以​适应​发动​机​功率​提升​的​高​爆​压​要求。

应用​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​开展​中​重型​柴油​发动​机​缸​盖​温度​测试，​见​图​4.17。​缸​盖​温度​K 型​热电​偶​传感器，​安装​在​缸​盖​进、​排​气​道​的​鼻梁​区间，​K 型​热电​偶​温度​测量​模​块​NI 9219。

外​特性​工​况​下​控制​发动​机​出水​温度 88℃，​开展​缸​盖​温度​测量、​缸​盖​温度​梯度​计算，​以及​全​负荷​工​况​下​改变​出​水温​进行​缸​盖​测​温，​数据​采集​频率​1Hz。

发动​机​外​特性​工​况、​缸​盖​测​点​温度​及​温度​梯度​变化，​见​图​4.18。​1 缸​排排​3mm 测​点​位置、​1700r/​min-2300r/​min 区域，​缸​盖​平均​温度​340℃​以上，​最高​温度​349.1℃。​1700r/​min​～​2300r/​min 区域，​1 缸​排排​断面​测​点​位置，​缸​盖​温度​梯度​≥17℃/​mm。​据此​计算，​1 缸​排排​缸​盖​表面​平均​温度​在​391℃​以上

（340℃​+17℃/​mm×3 mm =391℃）。

4.5 发动​机​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试

高压​共​轨​柴油​发动​机，​使用​涡轮​增​压​器​回收​发动​机​排​气​能量，​驱动​排气管​道​的​涡轮​带动​同​轴​的​进​气​管道​的​叶轮，​叶轮​压​送​由​空气​滤清​器​管道​吸​进​的​空气，​使​之​增​压​进入​气缸。​提高​发动​机​升​功率​和​燃油​经济​性，​降低​发动​机​油耗​和​排放，​提供​高原​功率​补偿。​涡轮​增​压​器​出口​与​发动​机​进​气管​之间​的​中​冷​器，​对​进入​气缸​的​空气​进行​冷却。​整​车​道路​试验，​发动​机电​控​单元​EECU 的​轨​压、​主​喷、​预​喷​和​后​喷、​涡轮​增​压​器​限​热​模式​参数​调整，​需要​监测​涡轮​增​压​器​相关​参数​验证。​中​重型​柴油​发动​机​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试​部位，​见​图​4.19。

基于 cDAQ 平台​的​发动​机​涡轮​增​压​器​压力​温度​测试，​见​图​4.20。​NI cDAQ9172 测试​平台，​压力​接口​模​块​NI 9234，​接口​激励​电压​24V 输出​量程​0​～​5V 的​压力​变​送​器，​测量​中​冷​后​压、​排​气​背​压​和​进​气​压力；​温度​接口​模​块​NI 9219，​接口​量程​±100℃​的​Pt100 铂​电阻​测量​进​气​温度，​接口​K 型​铠​装​热电​偶​测量​中​冷​后​温、​涡​前排​温和​涡​后排​温。

发动​机​涡轮​增​压​器​压力、​温度​测试​数据​采集​控制​程序，​见​图 4.21。

4.6 车​架​应力​测试

在​车辆​研发​过程​中，​对​车​架​进行​应力​测量​是​进行​静态​和​动态​结构​强度​评估​的​不可​缺少​的​环节。​应用​cDAQ 平台​NI cDAQ9172 机​箱、​NI 9235 应变​片​测量​接口​模​块，​开展​整​车​车​架​应力​测量。​1/4 桥​应变​片​粘贴​在​车​架​纵​梁​正下方，​测试​部位​见​图​4.22。​车​架​纵​梁​材料​DL590 大梁​钢，​强度​极限​590MPa、​屈服​极限​450MPa，​整​车​进行​空​载 -​怠​速 -​加​载 -​满载​运​料​行驶，​测试​工​况​见​图​4.23。

车​架​大梁 6 组​应变​测量​数据​曲线，​见​图​4.24。​根据​测​点​的​数据​分析​对比，​车​架​的​应力​分布​从​前端​至​后​端​呈现“前​拉​后​压”的​分布​趋势。

5．​结论
开发​基于 cDAQ 平台​的​发动​机​部件​测试​系统，​应用​美国​国家​仪器​公司​NI cDAQ 平台​和​图形​化​编​程​语言​LabVIEW 开发​软件，​开展​发动​机​部件​测试​方法​的​基础​技术​研究​和​技术​创新，​应用​比值​测量​消除​A/​D 量化​误差、​比值​计算​增加​测量​数据​稳定，​创建​基于​队列​的​数据​采集​和​计算​存储​方法​以及​自​适应​数据​采集​频率​设置​方法​提高​测试​效率，​创建​发动​机轴​向​负荷​加​载​控制​方法​攻克​技术​瓶颈，​创建​部件​传感器​制作​方法​完成​以往​无法​实施​的​测量​项目，​应用​创新​技术​实现​发动​机​部件​产品​性能​的​测试​考核，​项目​成果​可以​拓展​到​整​车、​变速箱、​底盘​传​动​系​部件​测试。

本​项目​应用 NI cDAQ9172 平台，​经受​了​发动​机​台​架​试验、​整​车​道路​试验​严酷​的​电磁​环境​干扰、​高原、​高温​和​振动​考核。​台​架​试验​cDAQ 平台​与​运转​的​发动​机​近在咫尺，​通过​10​～​15m 功率​放大​的​USB 传输​线​连接​控制​室​的​电脑，​发送​指令​接收​数据​传输​不​中断。​cDAQ 平台​的​高​性​价​比、​高性能、​物​尽其​用、​易​于​上手​的​品质​特点，​在​发动​机​部件​测试​中​充分​体现​了​其​应用​效果。

编辑:hfy