基于樹莓派的空化檢測(cè)設(shè)備研制及控制系統(tǒng)優(yōu)化

吳華杰，陳文剛，王海軍，陳 龍，尹紅澤，井培堯，王雨豪

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，昆明 650224)

0 引言

表面織構(gòu)技術(shù)已被證明是改善摩擦副摩擦學(xué)性能的有效手段。其在摩擦表面加工出具有一定尺寸參數(shù)、幾何形貌、排列方式的規(guī)則織構(gòu)，當(dāng)摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面織構(gòu)的楔形效應(yīng)使相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間產(chǎn)生附加流體動(dòng)壓力，從而產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，流體之間的動(dòng)壓效果會(huì)引發(fā)空穴現(xiàn)象[1-3]。因此，研究表面織構(gòu)中發(fā)生的空化現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上就是在研究物體間的流速和壓強(qiáng)的變化關(guān)系，其對(duì)于提升缸套表面承載力、產(chǎn)生抗磨減摩的作用有著重要意義[4-5]。

近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)空化的深入研究。陳銀銀[6]等人將空化設(shè)備分成超聲、水利、渦流、突體等并逐一闡明不同設(shè)備的工作原理。呂福煒[7]等采用CFD方法對(duì)文丘里管的空化流體動(dòng)力學(xué)特性和穩(wěn)流特性進(jìn)行了研究，并得出結(jié)論，空化現(xiàn)象的出現(xiàn)是文丘里管穩(wěn)流作用的必要條件。Gogate等[8]利用空化現(xiàn)象進(jìn)行物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化，分析了水力空化相對(duì)于聲空化在基本機(jī)理、氣泡動(dòng)力學(xué)、最佳參數(shù)等方面的優(yōu)勢(shì)。Martin等[9]通過透明文丘管截面的表面上發(fā)現(xiàn)了空化現(xiàn)象，同時(shí)使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)記錄空化結(jié)構(gòu)和載體表面狀態(tài)，分析結(jié)果表明，空化云和坍塌時(shí)離壁面的距離有關(guān)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了空蝕現(xiàn)象。然而現(xiàn)有的空化設(shè)備都不能精確的觀測(cè)空化在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的發(fā)生過程及行為軌跡，也無法研究其中產(chǎn)生的摩擦機(jī)理和流體力學(xué)現(xiàn)象。鑒于此，研制出能夠觀測(cè)空化發(fā)生過程的設(shè)備對(duì)于相關(guān)研究變得更為重要。

1 空化理論及模型建立

1.1 空化理論

空化的本質(zhì)是相變，是固體和液體之間的相變[10-11]。其中固體是活塞與缸套，液體是存在于其中間的潤滑油，微小空化泡的發(fā)生是由于固體與液體之間產(chǎn)生了位移所導(dǎo)致的。空化現(xiàn)象是液體流動(dòng)中非常重要的現(xiàn)象。微凹坑產(chǎn)生微小空化泡形成空化群，空化群形成空穴，空穴的產(chǎn)生會(huì)提升油膜承載力，油壓在空化區(qū)變化升高，如圖1所示，織構(gòu)磨痕區(qū)域，沿著流體流動(dòng)方向，區(qū)域一處的磨痕明顯比區(qū)域二處的深并且劃痕更多，這就是空化帶來的流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)。

圖1 流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)原理及承載力提升效果微觀圖

近些年，在空化現(xiàn)象分析中引入相變模型，包括修正后的N-S模型，都是為了更加貼近于空化現(xiàn)象的物理機(jī)制。Li等[12]以油膜軸承為例，油膜軸承會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，主要原因是滑動(dòng)軸承中使用的潤滑油飽和蒸氣壓發(fā)生變化，其值總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空化區(qū)的測(cè)量壓力。例如ISOVG22潤滑油在20℃時(shí)的絕對(duì)蒸汽壓約為3×10-6Pa，在100 ℃時(shí)僅為0.4 Pa。本文認(rèn)為活塞裙部與氣缸套的摩擦主要是由溶解的機(jī)油與汽油燃燒時(shí)的固體顆粒物和未排放出去的廢氣再次參與其中結(jié)合形成的內(nèi)部空氣進(jìn)行混合摩擦，從而在活塞裙部-缸套表面產(chǎn)生空化反應(yīng)。因此需要測(cè)定潤滑油不同時(shí)期的飽和蒸氣壓壓強(qiáng)以及測(cè)量空化區(qū)的壓力，為了對(duì)是否發(fā)生結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將N-S模型和JFO質(zhì)量守恒定律模型引入到活塞裙部-缸套的空化模型中，如圖2所示。將N-S模型能夠計(jì)算薄膜區(qū)的壓力變化，JFO模型的引入是為了將薄膜區(qū)的壓力結(jié)果代入計(jì)算求解出空化區(qū)的壓力變化，從而探究活塞裙部與缸套相互摩擦形成的空化形式。

圖2 基于JFO理論的活塞裙部-缸套空化模型

1.2 空化模型建立

基于N-S模型的雷諾方程。提出對(duì)活塞裙部-軸套潤滑輸出模型的假設(shè)：考慮密度和粘度的空化，柱坐標(biāo)系中的Navier-Stocks模型(如圖1所示表面織構(gòu)潤滑油模型)可以簡化為式(1)所示。

(1)

然后，可以得到相應(yīng)的雷諾方程為式(2)所示。

(2)

其中：p表示為壓強(qiáng)，ρ表示為油膜密度，μ表示為動(dòng)態(tài)粘度取決于局部壓強(qiáng)，r為油膜半徑，u為流體流速，θ為油膜間隙，z為控制區(qū)域的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，h為潤滑油膜厚度，t為流體運(yùn)動(dòng)所用時(shí)間。

基于JFO理論的活塞裙部-缸套空化模型[13]。根據(jù)Elrod和Pawlus等[14]所研究一種空化迭代算法研究基礎(chǔ)上優(yōu)化為活塞裙部-缸套的空化模型。JFO邊界條件是在薄膜區(qū)和空化區(qū)交界處運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，考慮膜破裂等情況，目的是在整個(gè)潤滑區(qū)域建立以θ的線性方程組，由于θ在薄膜區(qū)和空化區(qū)都適用，使在薄膜區(qū)和空化區(qū)得到連續(xù)性方程，從而得出空化區(qū)域?qū)φ麄€(gè)薄膜區(qū)域面積的比值，即空化比。運(yùn)用JFO空化理論可以將活塞裙部-缸套的空化模型簡化為二維質(zhì)量守恒問題，更便于計(jì)算和分析。

在活塞裙部與缸套摩擦接觸時(shí)，假設(shè)空氣在進(jìn)入缸套之前完全溶解在潤滑劑環(huán)境中。如果油膜壓力降低，溶解空氣的溶解度和排放會(huì)發(fā)生變化，由于溶解度降低所以從油中溶解的空氣所排放的空氣比標(biāo)準(zhǔn)體積(T0=273.16 K，P0=101.325 kPa)小。設(shè)空化區(qū)的壓力為pc，在整個(gè)潤滑區(qū)域內(nèi)，由于壓力的變化，流體密度也會(huì)發(fā)生變化。由于潤滑油會(huì)輕微壓縮，油膜的質(zhì)量將超過壓力為pc時(shí)的質(zhì)量，相應(yīng)的薄膜壓力為式(3)所示：

p=pc+β(θ-1)

(3)

其中：β表示潤滑劑的壓縮性為變量，1-θ的值等于空隙率。

g=0;θ<1

g=1;θ≥1

(4)

空化指數(shù)g在空化區(qū)內(nèi)數(shù)值為0，在薄膜區(qū)其他地方數(shù)值為1，例如位于-1點(diǎn)空化指數(shù)g-1=0。為了計(jì)算出空化區(qū)的質(zhì)量變化，因此提出空化區(qū)質(zhì)量守恒方程的算法，主要針對(duì)壓力梯度變化對(duì)油膜質(zhì)量的定義，從而得到式(5)(以x方向?yàn)槔琔>0)：

(5)

其中：Δx控制區(qū)域x軸上的變化量，g-1、g0為潤滑區(qū)域-1、0點(diǎn)的空化值，θ-1、θ0為潤滑區(qū)域-1、0點(diǎn)的薄膜值，ρc為空化區(qū)的油膜密度。

(6)

JFO邊界條件在薄膜區(qū)內(nèi)，方程就變?yōu)槔字Z方程，方程形狀呈橢圓形。在空化區(qū)內(nèi)，它就變成拋物線方程，除了空化指數(shù)之外使線條產(chǎn)生連續(xù)性，方程結(jié)果呈線性表示。如果對(duì)公式(6)進(jìn)行時(shí)間求解，找到相容θi,j和gi,j的解，將會(huì)求出活塞裙部-缸套模型的空化值的解，從而計(jì)算出空化比，對(duì)判斷是否發(fā)生空化現(xiàn)象以及空穴的大小起重要作用。

2 表面織構(gòu)空化發(fā)生檢測(cè)設(shè)備

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表面織構(gòu)空化發(fā)生檢測(cè)裝置所用上試樣帶有表面織構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)與下試樣在高硼硅油槽中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式摩擦，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部-缸套的實(shí)際摩擦形態(tài)和工作狀態(tài)。溫度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置了實(shí)驗(yàn)溫度，通過控制環(huán)形加熱器調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的溫度，并模擬了活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的高溫環(huán)境。在下試樣的底部和高硼硅油槽之間設(shè)置兩個(gè)膜盒式壓力傳感器，用于測(cè)量和采集試樣上試樣旋轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊壓力。載荷槽會(huì)增大上試樣的法向壓力，試驗(yàn)可以在不同的負(fù)荷條件下進(jìn)行比較，最大承受載荷為200 N。在此基礎(chǔ)上，通過手動(dòng)添加潤滑油的方式對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)控制，采集不同時(shí)期的油樣，并進(jìn)行了油樣的測(cè)試，設(shè)備的基本組成和功能原理圖如圖3所示。

圖3 空化檢測(cè)設(shè)備的基本組成及功能

2.2 基于Raspberry Pi樹莓派微型計(jì)算機(jī)的空化設(shè)備控制系統(tǒng)

空化設(shè)備控制系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)運(yùn)算裝置、電機(jī)控制裝置、壓力測(cè)量裝置、溫度測(cè)量調(diào)節(jié)裝置、圖像采集裝置及模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置對(duì)空化參數(shù)進(jìn)行采集，并在空化采集平臺(tái)上顯示，設(shè)備的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 空化檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)總體架構(gòu)

在空化設(shè)備控制系統(tǒng)中，模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將采集到的電機(jī)、壓力、溫度、圖像等信號(hào)傳送到樹莓派中，由樹莓派對(duì)空化發(fā)生參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并在雷諾方程和JFO活塞裙部-缸套的空化模型方程中進(jìn)行聯(lián)立求解，利用高速攝像機(jī)獲取空化發(fā)生時(shí)的空化圖像和記錄氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而判定表面織構(gòu)發(fā)生的空化現(xiàn)象。

1)數(shù)據(jù)運(yùn)算裝置。樹莓派將收集的數(shù)據(jù)信號(hào)顯示并進(jìn)行處理，使用Raspberry Pi樹莓派單卡計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算[15]。樹莓派主要功能包括Broadcom BCM2711主控芯片、供電電路、顯示電路、視頻輸入電路、POE供電電路、工作狀態(tài)顯示電路、復(fù)位電路等組成。

2)電機(jī)控制裝置。采用A1SVD-15A變頻器，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行變速控制，可實(shí)現(xiàn)0～3 000 r/min范圍內(nèi)的無級(jí)可調(diào)[16]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)上試樣和載荷槽旋轉(zhuǎn)，記錄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩和功率損耗情況，測(cè)定上試樣旋轉(zhuǎn)的速度大小，針對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)輸出的功率損耗情況可以為空化泡的發(fā)生、生長、潰滅的瞬間能量損耗情況進(jìn)行間接判斷，判斷電機(jī)消耗的功率是否與空化泡損耗的能量成正比。

3)壓力測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)中在下試樣底部裝有膜盒式測(cè)力傳感器，在上下試樣轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，上試樣通過與下試件的摩擦作用，使下試件所模擬的活塞裙部與缸套產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上試樣所受的負(fù)荷在0～200 N之間，試件之間的壓力通過膜盒式傳感器測(cè)量。

4)溫度調(diào)節(jié)裝置。由電熱棒加熱管加熱，在25～300 ℃的溫度范圍內(nèi)，利用與氣缸套相接觸的電熱偶[17]獲得溫度信號(hào)，并用 XMT型智能溫控器對(duì)其進(jìn)行控制和顯示。

5)圖像采集裝置。Tanabe等[18]開發(fā)出以間隔的高速激光頻閃攝像系統(tǒng)，對(duì)激光誘導(dǎo)的空化氣泡動(dòng)力學(xué)進(jìn)行成像分析，發(fā)現(xiàn)氣泡坍塌時(shí)，經(jīng)過多次脈沖輻照，氣泡的氣相與周圍液體發(fā)生混合形成陰影，陰影在10 μs內(nèi)消失，單個(gè)氣泡發(fā)生坍塌的范圍為3 mm×3 mm。從Dular等[19]研究發(fā)現(xiàn)可以看到空化泡發(fā)生的時(shí)間僅有2～3。采用OSG030-790UMTZ型工業(yè)超高速攝像機(jī)搭配紅外攝像頭，對(duì)上下兩個(gè)試樣在摩擦過程中的空化泡的發(fā)生、生長、潰滅的過程進(jìn)行拍攝采集，并對(duì)圖像的清晰度及圖像配準(zhǔn)進(jìn)行后處理[20]。圖像采集裝置對(duì)空化發(fā)生過程進(jìn)行拍攝，主要是記錄空化現(xiàn)象發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間和空化發(fā)生圖像。

6)模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置包括A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器，A/D轉(zhuǎn)換器主要為溫度、壓力等傳感器放大信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理器主要將收集的頻率和聲音時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換變換成頻域信號(hào)。采用TLC549CP A/D數(shù)據(jù)采集器，主要目的是從壓力、攝像、溫度及電機(jī)裝置將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)中。

3 基于Java語言開發(fā)的空化參數(shù)采集平臺(tái)

對(duì)于JFO活塞裙部-缸套空化模型中的飽和蒸氣壓和空化率的數(shù)值研究，需要采集流體膜厚、空隙率、空泡釋放壓力、流體流速、流體流經(jīng)時(shí)間、實(shí)際溫度等值并代入雷諾方程計(jì)算，空化參數(shù)采集平臺(tái)主要對(duì)空化發(fā)生參數(shù)進(jìn)行采集并在程序中顯示。

3.1 空化參數(shù)采集平臺(tái)流程設(shè)計(jì)及程序

空化參數(shù)采集平臺(tái)采集空化發(fā)生參數(shù)集成在基于JAVA的空化采集平臺(tái)上。在空化設(shè)備控制系統(tǒng)中，由設(shè)備中的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行采樣，再把差值轉(zhuǎn)化為信號(hào)，經(jīng)過RS485通訊裝置將模擬電路傳回樹莓派中，其向電路中發(fā)出特定的信號(hào)，經(jīng)過連接GPIO接口發(fā)送到傳感器中。空化參數(shù)采集平臺(tái)的流程如圖5所示。程序中顯示溫度指示、壓力傳感器信號(hào)、空化泡圖像以及設(shè)備的轉(zhuǎn)速和功耗等信息。

圖5 空化參數(shù)采集平臺(tái)運(yùn)行流程圖

3.2 裝置連接測(cè)試

空化檢測(cè)裝置主要是通過收集空化泡形成過程中的壓力、溫度、圖像等參數(shù)。當(dāng)空化泡潰滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊并且在表面織構(gòu)上形成凹坑，壓力和溫度數(shù)值都會(huì)發(fā)生變化。連接測(cè)試主要收集空載時(shí)的電機(jī)扭矩、圖像清晰度等參數(shù)，為后續(xù)試驗(yàn)樣本提供參數(shù)對(duì)照。為確保設(shè)備在整機(jī)裝備前各功能工作正常，以及可靠性測(cè)試，測(cè)試階段將外置面包板連接LED燈和金屬膜電阻測(cè)試，符合正常連接時(shí)的流程并達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)壓力傳感器、攝像、溫度傳感器及電機(jī)等裝置進(jìn)行了連接測(cè)試，以LED燈的閃爍狀態(tài)作為判斷是否正常傳輸數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)快慢的標(biāo)準(zhǔn)，如圖6(c)所示。樹莓派作為電機(jī)的脈動(dòng)信號(hào)輸入裝置，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。面包板上的LED燈指示電機(jī)狀態(tài)，接收到信號(hào)燈閃爍，從而判斷電機(jī)運(yùn)行的情況，電機(jī)通過其四根輸入輸出相線，達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。其中樹莓派連接面包板，給面包板3.3 V的驅(qū)動(dòng)電壓，面包板連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，給驅(qū)動(dòng)器5 V的電壓，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過測(cè)試記錄10組，每組運(yùn)行2小時(shí)的電機(jī)消耗功率、壓力變化曲線、溫度變化曲線、以及攝像清晰度等均值，接線實(shí)物圖為圖6(a)。溫度傳感器、壓力傳感器、攝像頭裝置與電機(jī)裝置的連接方式類似，如圖6(b)。

(a)裝置連接測(cè)試示意圖 (b)裝置連接測(cè)試實(shí)物圖 (c)測(cè)試信號(hào)連接圖6 裝置進(jìn)行連接測(cè)試

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)試

針對(duì)空化現(xiàn)象發(fā)生時(shí)氣泡生成的速度快、時(shí)間短的特點(diǎn)，當(dāng)延時(shí)性偏高時(shí)系統(tǒng)無法準(zhǔn)確地采集到空化泡發(fā)生過程中的相關(guān)數(shù)值，原系統(tǒng)在延時(shí)性和穩(wěn)定性上無法滿足，需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)試中主要對(duì)Raspberry Pi控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。以Debian作為底層系統(tǒng)架構(gòu)，基于JAVA語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使用ext4文件系統(tǒng)，修改系統(tǒng)源為清華源，支持Web可視化管理、QEMU-KVM虛擬化、Docker容器等系統(tǒng)特性。

對(duì)系統(tǒng)的延時(shí)性及穩(wěn)定性進(jìn)行了如下的測(cè)試，基于Linux操作系統(tǒng)對(duì)原系統(tǒng)和優(yōu)化后的系統(tǒng)從CPU性能、磁盤I/O性能、內(nèi)存分配及傳輸速度進(jìn)行總共40次連接測(cè)試。CPU處理速度響應(yīng)時(shí)間對(duì)比測(cè)試10組共20次，3G文件讀取寫入對(duì)比測(cè)試5組共10次，測(cè)試8 K順序&隨機(jī)分配對(duì)比測(cè)試5組共10次。測(cè)試方法為在Linux上安裝Sysbench軟件，設(shè)置CPU事件數(shù)、線程及文件大小進(jìn)行測(cè)試。對(duì)連接的設(shè)備CPU性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，測(cè)試Raspberry Pi系統(tǒng)10組的讀取20 000個(gè)事件數(shù)平均時(shí)間為46.304 7 s，優(yōu)化后的系統(tǒng)平均讀取時(shí)間10.001 45 s，提升了約3.63倍，CPU性能的執(zhí)行測(cè)試時(shí)間及性能如表1所示。對(duì)連接的設(shè)備CPU延時(shí)性性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，測(cè)試Raspberry Pi系統(tǒng)10組的平均延時(shí)為9.259 ms，而獲取經(jīng)過程序設(shè)計(jì)的程序進(jìn)過相同的操作得到10組延時(shí)數(shù)據(jù)的平均數(shù)為1.731 ms，降低了約81%，CPU執(zhí)行測(cè)試延時(shí)性性能如表2所示。

表1 CPU系統(tǒng)綜合性能優(yōu)化前后對(duì)比

表2 CPU系統(tǒng)延時(shí)性性能優(yōu)化前后對(duì)比

對(duì)3 GB文件大小讀取和寫入時(shí)間進(jìn)行5組對(duì)比測(cè)試，從而能看出優(yōu)化后系統(tǒng)的讀取時(shí)間平均值為10.13 s，未優(yōu)化的系統(tǒng)讀取時(shí)間平均值為16.97 s，提升了40.3%，說明優(yōu)化后系統(tǒng)的磁盤I/O讀取速度有較大的提升，系統(tǒng)磁盤I/O性能對(duì)比如圖7(a)所示。在從內(nèi)存分配的8 K順序和隨機(jī)分配對(duì)比，優(yōu)化系統(tǒng)傳輸10 240 MB傳輸量為17 725.11 MiB的執(zhí)行時(shí)間為0.57 s、平均延時(shí)為0.02 ms、最大延時(shí)22.44 ms，原系統(tǒng)傳輸2 048 MB傳輸量為6 273.80 MiB的執(zhí)行時(shí)間為0.33 s、平均延時(shí)為0.00 ms、最大延時(shí)19.15 ms，從對(duì)比結(jié)果來看在傳輸量相差4倍時(shí)，內(nèi)存分配及傳輸速度的延時(shí)相差不大，如圖7(b)所示，從而能夠看出優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)空化設(shè)備控制系統(tǒng)在傳輸和處理數(shù)據(jù)方面的提升都較為明顯。

圖7 控制系統(tǒng)優(yōu)化前后傳輸和處理數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)束語

4.1 結(jié)論

1)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部-缸套之間的摩擦形式進(jìn)行研究，活塞裙部和表面織構(gòu)化缸套與潤滑油之間的摩擦?xí)l(fā)空化現(xiàn)象，引起流體動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，由于空化現(xiàn)象較為復(fù)雜，需要對(duì)其測(cè)定潤滑油不同時(shí)期的飽和蒸氣壓壓強(qiáng)、空化區(qū)壓力等相關(guān)數(shù)值，因此引入N-S模型和JFO模型對(duì)其摩擦形式及發(fā)生空化現(xiàn)象的空化發(fā)生參數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解，判斷是否發(fā)生空化以及空化區(qū)的大小。

2)空化檢測(cè)設(shè)備采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)、溫度控制測(cè)量系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到樹莓派中進(jìn)行運(yùn)算并求解，利用高速高倍攝像機(jī)拍攝空化發(fā)生時(shí)的圖像和記錄氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于Java語言的空化采集平臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在空化采集平臺(tái)上顯示以及圖像后期處理。

3)對(duì)空化設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在CPU的讀取性能方面，優(yōu)化后的系統(tǒng)比Raspberry Pi系統(tǒng)在讀取速度上提升了約3.63倍，延時(shí)性從9.26 ms降到1.73 ms，降低了約81%；在磁盤I/O性能方面，3 GB文件寫入優(yōu)化后系統(tǒng)的讀取時(shí)間平均值為10.13 s，未優(yōu)化的系統(tǒng)讀取時(shí)間平均值為16.97 s，提升了40.3%；在內(nèi)存8 K順序分配和隨機(jī)分配方面，優(yōu)化后的系統(tǒng)傳輸10 GB大小文件的平均延時(shí)與原系統(tǒng)傳輸2 GB大小文件的很接近，以上測(cè)試說明優(yōu)化后的系統(tǒng)在穩(wěn)定性、延時(shí)性上比原系統(tǒng)都有了較大提升，對(duì)于檢測(cè)空化現(xiàn)象快速發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)捕捉到空化泡形成過程，對(duì)分析表面織構(gòu)的減摩抗磨機(jī)理提供較大的幫助。

4.2 展望

空化檢測(cè)設(shè)備對(duì)表面織構(gòu)在摩擦過程中發(fā)生的空化現(xiàn)象起重要研究作用，其檢測(cè)結(jié)果能為空化機(jī)理和流體動(dòng)力學(xué)理論提供依據(jù)，對(duì)其國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)觀點(diǎn)具有補(bǔ)充說明作用，目前國內(nèi)外對(duì)表面織構(gòu)上的空化理論的研究尚處于理論階段，空化檢測(cè)設(shè)備能夠填補(bǔ)其在空化研究領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的空白。

目前設(shè)備處于整機(jī)測(cè)試階段，對(duì)于空化泡發(fā)生的瞬時(shí)性、拍攝空化發(fā)生過程的內(nèi)容存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)空化圖像后處理軟件，將空化泡發(fā)生過程中的圖像進(jìn)行加強(qiáng)顯示，冗余部分進(jìn)行清除；由于圖像拍攝的清晰程度的不一致性及可能存在低分辨率的情況，需要在軟件內(nèi)置灰度處理系統(tǒng)，可以對(duì)圖像的分辨率和視頻的幀率小幅提升。