配氣機構動態性能試驗系統開發

顏金龍，孫世芳，李獻麗，侯舟波，倪科鴻

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

0 引言

配氣機構是發動機的兩大機構之一，其作用是通過控制進、排氣門定時開閉來實現進氣和排氣。配氣機構的優劣將直接影響發動機的輸出功率、排放狀況及使用壽命等。氣門運動規律設計是配氣機構設計中的關鍵，其要求氣門具有較低的落座速度和接觸應力，且加速度曲線連續，無突變，加速度值限定在允許的范圍內。所以在對配氣機構進行性能分析時，氣門的運動情況是重要的研究對象之一。

本文通過虛擬儀器技術搭建試驗系統，以實現對某型柴油機配氣機構工作過程中氣門速度、加速度、搖臂載荷等動態特性的數據采集和處理分析，為今后氣門落座規律分析、配氣機構的合理性檢驗提供數據支持。

1 配氣機構動態性能試驗系統設計

試驗系統采用虛擬儀器技術，通過配氣機構試驗臺架配合多個傳感器、數據采集卡及數據采集軟件搭建以計算機為核心、軟硬件相結合的多功能、高效率的配氣機構動態性能試驗系統。

1.1 系統硬件設計

本試驗采用電機帶動凸輪軸轉動，模擬發動機工作下配氣機構運動狀況，配氣機構動態性能試驗系統如圖1所示。通過控制系統調節凸輪軸轉速，使其運行在400 r/min～3 250 r/min之間； 通過編碼器測得凸輪軸轉角及上止點信號；位移傳感器安裝在氣門彈簧上，測量氣門運動位移；加速度傳感器安裝在氣門上，測量氣門加速度；應變片安裝在氣門搖臂氣門端，通過靜態標定得到應變電壓與載荷關系，可求出搖臂對氣門的推力。

試驗系統硬件設備主要包括控制柜、電機、配氣機構、傳感器、信號調理放大裝置、數據采集卡及計算機，設備選型如表1所示。

數據采集卡是外部信號與計算機連接的橋梁，考慮到采樣頻率、分辨率、精度等指標，選用阿爾泰公司的PCI8501采集卡。該采集卡具有8個I/O通道，16位采樣精度，采樣頻率為10 Hz～800 kHz，并可實現8通道同步采樣，能夠滿足高轉速下每循環采樣點數的要求。

圖1 配氣機構動態性能試驗系統

設備名稱型號參數直流電機Z4-132-1轉速范圍:0 r/min～4 000 r/min加速度傳感器CA-YD-102量程:±5 000g;頻率范圍:0.5 kHz～10 kHz電荷放大器YE5852增益:0.01 mV/PC～1 000 mV/PC;精度:±1%動態應變儀CS-1A量程:±20 000 με;頻率范圍:0.5 kHz～10 kHz激光位移傳感器KEYENCE量程:0 mm～40 mm;精度:0.002 5 mm千分表Links量程:0 mm～1 mm;精度:0.001 mm數字式電壓表量程:±20 V;精度:0.001 V數據采集卡PCI8501量程:±5 V;位數:16位;采樣率:800 kHz;同步通道:8

信號放大調理裝置是整個系統中最重要的部分，其性能和精度直接影響試驗數據的準確性和可靠性。由于加速度傳感器是靠壓電晶體產生微弱的電荷來表達加速度大小，而應變片則是通過改變內部電阻絲阻值來反映應力變化，其兩者的變化量都難以直接測得，所以為其分別配置了電荷放大器和動態應變儀來進行信號放大和調理。

1.2 系統軟件設計

軟件的作用是為用戶提供可視化的測量和控制界面，以便在試驗過程中進行系統運行狀況的監視，數據的采集、保存及分析等。為提高系統軟件的編寫效率，選擇NI公司的LabVIEW為開發平臺，以圖形化語言來代替傳統文本形式的編程語言。

系統軟件主要包括靜態標定、動態試驗及數據處理分析三大模塊，各模塊可通過主界面(如圖2所示)直接選擇進入，也可按操作步驟依次進入。靜態標定是應力測試試驗中的重要環節， 靜態標定時，將應變片粘貼到搖臂相應位置并接入到橋路中，利用加載裝置對試件加靜載荷，獲得靜載荷和應變輸出電壓之間的關系。在靜態標定界面(如圖3所示)中，可實現應變電壓值的實時讀取，通過向右側圖表中添加或刪除數據點來繪制曲線圖，并計算出應變系數為后續動態數據分析做準備。

圖2 軟件系統主界面

動態試驗模塊用于動態數據的監控和采集，運行過程中，系統同時對轉角編碼器(2路信號)、加速度傳感器(1路信號)、應變片(2路信號)及激光位移傳感器(1路信號)的6路模擬輸出信號進行采集。動態試驗界面如圖4所示，在設置通道選擇欄可實現6路信號的切換顯示。為提高程序的友好性和可讀性，盡可能地減少前面板中按鈕及輸入控件，將采樣頻率、采樣點數等參數的設置放到后面板，并且將部分程序做成模塊化，用子vi來代替，如圖5所示。

圖3 靜態標定界面

圖4 動態試驗界面

圖5 程序后面板

動態試驗所得到的文件中包含多個通道多個循環的數據，試驗場所的振動、噪聲等外界因素均會導致測量誤差，各路電壓信號需要通過轉換和計算才能變為有意義的數據，所以需要對數據進行處理分析。數據處理分析模塊(如圖6所示)為配氣機構動態性能試驗系統的附加模塊，通過該模塊可對數據做分段、篩選、求平均及積分等處理。

由于LabVIEW是圖形化語言，以連線的方式來編程，在數據采集程序的編寫上具有顯著的優勢，但是在做試驗數據的處理分析時，其運算復雜、步驟多，如仍使用LabVIEW開發會導致程序框圖過于復雜，從而降低了程序的可讀性，所以本文對此模塊的功能未做加強，僅用于數據的初步處理分析，如需進一步處理建議使用Matlab等數值分析軟件來進行。

圖6 數據處理分析模塊

2 應用實例

為檢驗本試驗系統的準確性和可靠性，對某型柴油機配氣機構進行試驗，將氣門間隙調至0.15 mm，調節電機轉速模擬發動機運行工況。 將凸輪轉速從400 r/min逐級遞增至3 247 r/min，并進行數據采集，通過數據處理和計算可求出不同轉速下氣門加速度、速度及搖臂載荷等數據，如圖7～圖9所示。

圖7排氣門加速度圖8排氣門速度圖9排氣搖臂載荷

由計算結果可知:①配氣機構工作平穩，氣門最大落座速度和落座力隨著轉速加大而增加； ②隨著轉速的升高，氣門落座時加速度出現較大波動，速度出現反向增長，可能存在氣門反跳；③低轉速時搖臂載荷變化平穩，隨著轉速的升高，當凸輪轉至桃尖附近時搖臂載荷波動明顯;④按照氣門彈簧預緊力140 N計算，排氣門在氣門間隙0.15 mm時，在2 200 r/min以上轉速可能存在氣門飛脫；⑤排氣門在氣門間隙0.15 mm時，最大落座速度為0.32 m/s，對應落座力為674.13 N。

以上結果僅為一組測試試驗所得，如調整不同氣門間隙、改變測量對象為進氣門，可得更多反映配氣機構動態性能的有效數據，通過分析對比可對所研究配氣機構動態性能有更為全面的了解，為后續改進和研發提供數據支持。

3 結語

本文利用虛擬儀器技術，以LabVIEW為開發平臺，結合多種傳感器、采集卡等硬件設備搭建了一套配氣機構動態性能試驗系統。該系統界面友好，操作方便，維護保養簡單。通過試驗驗證，配氣機構動態性能試驗系統數據采集快速準確、可靠性強，能夠較好地滿足試驗要求。