液壓活塞疲勞測試儀控制系統研究與應用

王平江，方鑫杰，范海民，陳吉紅

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

活塞作為發動機的重要組成部分，是發動機最重要、也是工作條件最惡劣的零部件。機械疲勞損壞是發動機活塞的主要失效形式之一，在活塞的生產過程中，尤其是對于新設計的活塞或新工藝、新材料下生產的活塞，都必須針對活塞的主要機械疲勞部位如頂面、活塞環槽和活塞銷孔等進行嚴格的疲勞測試。德國的馬勒 (MAHLE)、美國的西南研究院 (SwRI)等國外研究機構及研究人員，對活塞疲勞測試的方法等有較深的研究與實踐［1－8］;目前的活塞疲勞測試，基本上是采用液壓循環脈沖方式，對活塞頂面、活塞環及活塞銷座進行機械疲勞試驗。國內對活塞液壓脈沖試驗的研究起步較晚，文中為東風活塞軸瓦廠開發的活塞疲勞測試儀，填補了國內的空白。主要研究了液壓活塞疲勞測試儀控制系統的關鍵技術。

1 液壓活塞疲勞測試的技術要求

1.1 液壓活塞測試儀的油路系統設計及控制要求

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動機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加壓與卸壓，使活塞腔中的活塞受到兩個方向的交變壓力，實現對活塞頂面、活塞環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動機的工作頻率基本一致。通過高壓腔、低壓腔油壓的變化，使得活塞腔內的油壓完全模擬發動機工作時施加在活塞上的交變作用力。活塞機構在油腔中受到液壓油的往復沖擊，將產生微小的高頻率的往復彈性變形，以此實現對活塞機構的機械疲勞壽命的測試。

實際工況中，不同種類的發動機有著不同的工作壓力、轉速及受力形式。因此，在液壓活塞疲勞測試儀的控制系統設計中，需要對不同的發動機工作情況進行模擬。為了滿足試驗要求，對活塞液壓脈沖疲勞測試儀提出4點需求:

(1)液壓活塞測試儀的工作壓力應該在0～40 MPa之間連續可調;

(2)液壓活塞測試儀的工作頻率應該在0～40 Hz之間連續可調;

(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，進油時高/低壓油泵對液壓油分別加壓至大于其工作壓力。通過進油溢流閥1，2，將油壓降低后，再通過對應的電液伺服閥的進油口，導入到對應活塞腔中，對腔中的活塞產生沖擊載荷;回油時，液壓油通過對應的電液伺服閥的回油口后，再通過冷卻裝置回到貯油箱中。過壓保護溢流閥3、4分別用于高壓腔、低壓腔的過壓保護。

圖1 活塞疲勞試驗儀的油路系統和控制系統

1.2 液壓活塞測試儀關鍵控制器件的選型

活塞疲勞測試儀的控制系統如圖1所示，采用工業計算機+高速AD/DA設備進行控制。PC機與AD/DA設備通過USB接口相連;AD設備分別與高/低壓腔的壓力傳感器相連;DA設備分別與高/低壓腔的SVC伺服驅動器相連;伺服驅動器與電液伺服閥相連，將PC機規劃好的控制信號轉換為伺服閥的控制信號。

電液伺服閥可將小功率控制的電信號轉化為大功率的機械運動，用來控制油路的流量。文中設計的高、低壓油路的流量控制，均選用MOOG公司推出的G761系列兩級電液伺服閥進行控制，該型號的電液伺服閥對于40 Hz及以下的控制信號有較好的頻響特性，且具有響應快、運行穩定、抗干擾能力強的優點。G761電液伺服閥所需要的輸入控制電流是±40 mA。伺服閥的驅動選用上海維先公司生產的SVC-II，輸入電壓為±10 V，輸出電流為±40 mA。

為了準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，以對試驗過程中的油壓進行實時監控，形成全閉環的控制。由于存在高壓油腔中的油泄漏到低壓油腔的可能，為了保護壓力傳感器，低壓腔的壓力傳感器的最大破壞壓力不應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 (AD)設備和數模 (DA)設備的精度與采樣速度，是決定控制系統優劣的關鍵因素之一。根據香農采樣定理［9］，為了不失真地恢復原信號，采樣頻率Fs應該不小于原信號頻譜中最高頻率Fmax的2倍，即:

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

1.3 液壓活塞疲勞測試儀的軟件設計

通過需求分析可知，液壓活塞測試儀需要同時實現伺服液壓閥的控制、活塞腔壓力采集、數據顯示、處理與保存等功能。為此，在Windows系統下，采用VC++6.0集成開發環境進行軟件開發，既可滿足多任務、弱實時性的要求，又可以利用VC豐富的軟件開發資源，減少研發難度。如圖2所示，控制軟件劃分為用戶管理模塊、參數調節模塊、狀態顯示模塊和數據存儲模塊。

圖2 活塞疲勞試驗儀軟件功能及模塊

用戶管理模塊用來對系統使用人員的權限進行管理。

參數調節模塊用于調整活塞疲勞試驗壓力控制系統運行的相關參數。在參數調節模塊中，可供試驗人員調節的系統運行參數分別是高壓靜載/動載、低壓靜載/動載、相位偏移量、加壓頻率、AD/DA采樣頻率、壓力波形類型選擇等。

狀態顯示模塊用于顯示測試儀的運行狀態，尤其是在系統運行過程中實時采集的高低油腔中的油壓等，處理后將結果以圖形的方式展示給操作人員，以便于進行全閉環的控制參數調節。

數據保存模塊采用多線程的方式對實時采集的數據進行保存。需要保存的實驗數據如下:

(1)設置參數。高壓靜載/動載、低壓靜載/動載等;

(2)實驗數據。沖擊次數、高壓/低壓峰值、高壓/低壓谷值等;

(3)錯誤日志。AD/DA異常原因、異常時間等。

2 液壓活塞試驗中的關鍵控制技術

對于活塞疲勞試驗系統而言，高精度的壓力曲線、加壓頻率控制是其關鍵。AD設備采集當前油缸內液壓油的壓力變化并計算其頻率，針對油腔內油壓當前狀態對輸出的DA進行調整，改變控制波形曲線，控制電液伺服閥，實現全閉環控制。

2.1 液壓活塞沖擊測試過程中壓力的采集及異常監控

在每次啟動控制軟件的時候，控制軟件都會對AD設備進行初始化工作，如圖3所示。

試驗時，AD設備的停止條件是采集到指定數量的數據。AD設備采樣完成時，通過Windows消息機制通知控制軟件采樣結束。當控制軟件得到采樣結束的消息后，控制軟件立即讀取AD設備內部的存儲區，一次性將所有采集的數據接收進來，轉換為波形數據，利用狀態顯示模塊輸出。

圖3 AD/DA設備設置流程圖

控制軟件實時監控活塞腔中可能發生的異常壓力變化。由于活塞環損壞時，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，大于試驗限定的5 MPa壓力，意味著試驗失敗。針對這種情況，控制軟件需要及時停止試驗，保存數據，同時報警。

2.2 液壓活塞疲勞測試的沖擊壓力的生成與控制

在液壓活塞試驗中，采用正弦波對活塞腔中的燃燒室進行模擬。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設備將波形數字信號轉化為電流信號，輸出到SVC-II直流驅動放大器，驅動器產生相應的放大電流控制電液伺服閥閥芯的位置，按照規定的模式打開或關閉進油口或回油口。與AD設備的設定相類似，DA設備在使用之前也需要對其進行初始化設定，設定方法如圖3所示，在此不再贅述。

在活塞疲勞試驗中，對于主要的試驗控制曲線——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幅頻、遲滯特性等的影響，需要對控制曲線做調整，才能保證腔內的油壓變化、壓力波形的相位及頻率滿足試驗的要求。試驗中，試驗人員觀察腔內壓力的削谷等技術，調整波形曲線。實測值，利用波形曲線的偏移、削峰和正弦波波形曲線調整方式如圖5所示:(1)標準正弦曲線整體上下偏移;(2)波形的削峰、削谷;(3)曲線相位調整。

圖5 波形調整示意圖

2.3 油腔壓力監測數據的處理技術

測試過程中，由于數據采集會有誤差，為了更好地檢測出活塞腔內的壓力變化情況，采用最小二乘法對獲得的油壓數據進行擬合，試驗人員結合擬合結果對試驗參數進行調整。

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個變量的正弦波擬合曲線，其最優求解的過程是絕對收斂的。

假設高低壓腔中的壓力波形為理想正弦信號，由于AD設備在采集壓力的過程中，采樣頻率σ已知，則對于t時間內，每隔Δt=1/σ時間采集一個數據，對于t1，t2，…，tn時刻，有對應的油壓值y1，y2，…，yn，此時，采樣頻率對應的角頻率ω=2πfσ。標準正弦曲線公式可離散為:

式中:yH0(i)、yL0(i)分別表示第i個采集到的高、低壓腔壓力值;

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

利用最小二乘法最優解法可以求得擬合函數為:

可得幅值和相位的表達式如下:

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

3 試驗步驟與結果

3.1 試驗步驟

液壓活塞測試儀的主界面如圖6所示，左側為參數設置區，右側為波形顯示區。

圖6 活塞腔內實際壓力曲線

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，更換密封環，安裝密封活塞腔體，連接管路。

(2)開啟低壓油路電機，待低壓油路壓力建立之后，開啟高壓油路電機;

(3)開啟壓力傳感器，電液伺服閥和AD/DA設備電源;

(4)打開液壓活塞測試儀控制軟件，設置頻率，選擇波形;

(5)待高壓建立后，點擊運行;若運行正常，在軟件的右上區域將會顯示當前伺服閥控制的理論波形，右下區域將會顯示腔內的實時壓力波形;

(6)調整相位角，高、低壓靜載，高、低壓動載，觀察顯示腔內壓力的實時波形，待波形滿足試驗要求時，點擊計數開始按鈕，軟件開始計數，自動保存試驗數據;

(7)達到試驗次數后，點擊停止，結束試驗。

3.2 試驗結果

試驗過程如圖6所示，左上角顯示當前計數次數;左下角的文本框顯示當前腔內的峰值壓力和谷值壓力，該壓力為若干周期內峰值/谷值壓力的平均值;右上角的波形為當前DA設備的輸出波形，即電液伺服閥的控制波形;右下角顯示的為實時采集的波形。

試驗過程中，會自動生成3個數據文件，分別是PistonSystem.ini，Data.csv，Error.csv。PistonSystem.ini用來保存控制軟件設置的試驗參數;Data.csv用來保存采集到的實際壓力波形數據;Error.csv用來保存DA設備的異常信息。

實際測試過程中，活塞疲勞試驗儀選定了多個頻率范圍、壓力范圍的測試要求，對測試活塞進行了大量試驗，其中包括了18 Hz、28 MPa的典型柴油機工況下的活塞疲勞測試，35 Hz、18 MPa的典型汽油機工況下的活塞疲勞測試。實際試驗結果顯示，活塞疲勞試驗儀按要求完成了整個試驗過程。通過對試驗過程中產生的數據文件和錯誤日志的研究發現，活塞疲勞試驗儀在測試過程中可以完整地保持試驗過程的測試參數，并對試驗過程中發生的AD/DA設備等異常進行自適應處理，最長無間斷實驗時間達到了72 h。

4 結論

通過大量實驗，文中開發的活塞疲勞壽命測試系統，最大頻率達到40Hz、最大壓力達到40MPa;測試過程的中間物理量 (測試參數、高低壓腔的壓力變化曲線數據)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技術指標的要求，完全可以替代國外同類產品。文中的研究成果，對提高我國活塞設計、驗證、生產及使用具有重要意義。

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