液压活塞疲劳测试仪控制系统研究与应用.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 0 1 液 压活塞疲劳测试仪控制系统研究与应用 王平江 ，方鑫杰 ，范海民。 ，陈吉红 1 ．华中科技 大学，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 ； 2 ．东风活塞轴 瓦厂 ，湖北十堰 4 4 2 0 0 0 摘要活塞作为发动机的重要组成部分，长期处于高温、高压、脉冲式冲击的工作环境中，其工作状况和寿命直接影 响发动机的寿命。活塞的疲劳失效是活塞失效的重要形式之一 ，液压活塞疲劳测试仪对研究活塞机械疲劳寿命有着重要的 意义。介绍了国产液压活塞疲劳测试仪控制系统的设计方案及使用效果。实践表明研发的活塞疲劳测试仪的控制技术， 满足活塞疲劳测试的各项技术指标，对提高我国活塞设计、生产及使用水平具有重要意义。 关键词活塞 ；液压伺服阀；机械疲劳；可靠性 中图分类号T H1 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 3 0 0 1 5 Re s e a r c h a nd App l i c a t i o n o f Pi s t o n Hy dr o - p ul s e Te s t M a c hi ne Co n t r o l S y s t e m WA N G P i n g j i a n g ，F A N G X i n j i e ， F A N H a i mi n ， C H E N J i h o n g 1 ． H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a ； 2 ． D o n g f e n g P i s t o n a n d B e a r i n g F a c t o r y ， S h i y a n H u b e i 4 4 2 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t As a n i mp o r t a n t p a r t o f t h e e n g i n e ，p i s t o n i s wo r k i n g f o r a l o n g t i me i n t h e e n v i r o n me n t o f h i g h t e mp e r a t u r e ，h i g h p r e s s u r e a n d p u l s e - p o u n d i n g ．I t s wo r k i n g s t a t e a n d l i f e d i r e c t l y a f f e c t t h e l i f e o f t h e e n g i n e ．P i s t o n f a t i g u e f a i l u r e p l a y s a n i mp o rt a n t r o l e i n p i s t o n f a i l u r e ．P i s t o n h y d r o p u l s e t e s t ma c h i n e h a s i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e for s t u d y i n g t h e l i f e o f p i s t o n me c h a n i c a l f a t i g u e ．T h e d e s i g n a n d u s e e f f e c t o f d o me s t i c p i s t o n h y d r o p u l s e t e s t ma c h i n e we r e i l l u s t r a t e d ．P r a c t i c e s h o ws t h a t t h e d e s c r i b e d c o n t r o l t e c h n o l o g y o f p i s t o n h y d r o p u l s e t e s t ma c h i n e f u l fi l l s v a r i o u s i n d i c a t o r s o f p i s t o n f a t i g u e t e s t s ，a n d h a s i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e for i mp r o v i n g d o me s t i c p i s t o n d e s i g n ，p r o d u c t i o n a n d u s e l e v e l s ． Ke y wo r d s P i s t o n；Hy d r a u l i c s e v v o v a l v e ；Me c h a n i c a l f a t i g u e ；R e l i a b i l i t y 活塞作为发动机的重要组成部分 ，是发动机最重 要、也是工作条件最恶劣的零部件。机械疲劳损坏是 发动机 活塞 的主要失效形式之一 ，在活塞 的生产过程 中，尤其是对于新设计的活塞或新工艺、新材料下生 产 的活塞 ，都必须针对活塞 的主要机械疲 劳部位 如顶 面 、活塞 环槽和活塞销孔等进行严格 的疲 劳测试 。德 国的马 勒 MA H L E 、美 国 的西 南 研 究 院 S w R I 等 国外研究 机构及研究人员 ，对活塞疲劳测试 的方法 等有较深的研究与实践 ；目前 的活塞疲劳测试 ， 基本 上是采用液压循环脉 冲方式 ，对活塞顶 面、活塞 环及活塞销座进行机械疲劳试验。国内对活塞液压脉 冲试验的研究起步较晚，文中为东风活塞轴瓦厂开发 的活塞疲劳测试仪，填补了国内的空白。主要研究了 液压活塞疲劳测试仪控制系统的关键技术。 1 液压活塞疲劳测试的技术要求 1 ． 1 液压活塞测试仪的油路 系统设计及控制要 求 液压活塞疲劳测试仪的工作原理是利用液压油的 压力，在活塞腔中模拟出发动机中的交变的工作压 力。通过对活塞腔中的液压油高频率地反复加压与卸 压 ，使活塞腔 中的活塞受到两个方 向的交变压力 ，实 现对活塞顶面 、活塞环槽与活塞销座的疲劳测试 。测 试仪 的活塞腔分为高压腔和低压腔 。高压 腔中利用高 压液压油模拟燃烧室的燃烧压力，允许的最高压力可 达 4 0 MP a ；低压 腔中的压力一般不大 于 5 MP a 。高压 腔油压 的加压过程与低压腔 的加压过程 ，在相位 上相 差 1 8 0 。 左右；加压频率与待模拟的发动机的工作频 率基本一致。通过高压腔、低压腔油压的变化 ，使得 活塞腔内的油压完全模拟发动机工作时施加在活塞上 收稿 日期 2 0 1 3 0 61 9 基金项目国家科技 0 4 重大专项 2 0 1 1 Z X 0 4 0 0 2 1 3 1 ；华中标准型数控系统和专用数控系统开发及规模化推广应用 2 0 1 2 Z X 0 4 0 0 1 - 0 2 2 ；开放式高档数控系统、伺服装置和电机成套产品开发与综合验证项目 2 0 1 2 Z X 0 4 0 0 1 -01 2 作者简介 王平江 1 9 6 3 一 ，男，博士，副教授 ，主要从事数控技术 、机器视觉、激光非接触测量等方面的研究工作。 Em a i l p j _ w a n g b u s t ． e d u ． c n 。 通信作者 范海 民 ，Em a i l f a n h a i mi n d n ． C O rn． c n 。 2 机床与液压 第4 2卷 的交 变作用力 。活塞机构在油腔 中受到液压油的往复 冲击 ，将产生微小的高频率的往复弹性变形，以此实 现对活塞机构的机械疲劳寿命的测试。 实际工况中 ，不 同种类 的发动机有着不 同的工作 压力、转速及受力形式。因此，在液压活塞疲劳测试 仪的控制系统设计中，需要对不同的发动机工作情况 进行模拟。为了满足试验要求，对活塞液压脉冲疲劳 测试仪提出4点需求 1 液压 活塞 测试 仪 的工 作压 力应 该 在 0～4 0 M P a 之 间连续可调 ； 2 液压 活塞 测试 仪 的工 作频 率 应该 在 0～4 0 H z 之问连续可调； DA 3 施加在活塞上 的压力 曲线类型可选择 ； 4 高压油腔的压力 曲线与低压油腔的压力曲 线相位差为 1 8 0 。 。 如 图 1 所 示 ，在测试 仪工作 过程 中 ，进 油 时高／ 低压油泵对液压油分别加压至大于其工作压力。通过 进油溢流阀 1 ，2 ，将油压降低后，再通过对应 的电 液伺服阀的进油口，导人到对应活塞腔中，对腔中的 活塞产生冲击载荷 ；回油时 ，液压油通过对应的电液 伺服阀的回油 口后 ，再通过冷却装置 回到贮油箱中。 过压保 护溢流 阀 3 、4分别用 于高压 腔 、低压 腔 的过 压保护 。 竺 H 矍 H H 塞 墨 l ● l 工 机 P C 1 ] ～ 冷 却装 置 贮 油箱 服 H电 霜 盛 阀 H嘉 H 辖 曩 图 1 活塞疲劳试验仪 的油路系统和控制系统 1 ． 2液压活塞测试仪关键控制器件 的选型 器 ，低压腔的压力传感器的最大破坏压力不应小于高 活塞疲劳测试仪的控制系统如图 1 所示，采用工 压腔的最大压力。为此选用 G E F R A N公司的 K s型压 业计算机 高速A D ／ D A设备进行控制。P c机与 A D ／ 力传感器 ，其输 出电流为 4～2 O m A；高压腔传感器 D A设备通过 U S B接口相连；A D设备分别与高／ 低压 额定压力范围为0- 4 0 MP a ，损坏压力为7 5 M P a ；低 腔的压力传感器相连；D A设备分别与高／ 低压腔的 压腔传感器额定压力范围为 0～ 1 6 M P a ，损坏压力为 S V C伺服驱 动器 相连 ；伺服 驱动 器 与 电液 伺 服 阀相4 0 M P a o 连，将 P C机规划好的控制信号转换为伺服阀的控制 模数 A D 设备和数模 D A设备的精度与采 信号。 样速度 ，是决定控制系统优劣的关键因素之一。根据 电液伺服阀可将小功率控制的电信号转化为大功 香农采样定理 ，为了不失真地恢复原信号，采样频 率的机械运动，用来控制油路 的流量。文中设计 的 率 F 应该不小于原信号频谱 中最高频率 F 的 2倍， 高、低压油路的流量控制 ，均选用 MO O G公 司推出 即 的 G 7 6 1 系列两级电液伺服阀进行控制，该型号的电 液伺服阀对于4 0 H z 及以下的控制信号有较好的频响 特性 ，且具有响应快、运行稳定、抗干扰能力强的优 点。G 7 6 1电液伺服阀所需要的输入控制电流是 4 0 m A。伺服 阀的驱动选用上海维先公 司生产 的 S V C - I I ， 输入电压为 1 0 V，输出电流为 4 0 m A。 为了准确控制活塞腔中的油压及其变化曲线，在 活塞腔中安装有压力传感器，以对试验过程中的油压 进行实时监控 ，形成全闭环的控制。由于存在高压油 腔中的油泄漏到低压油腔的可能，为了保护压力传感 F ≥2 F ～ 1 在综合考虑了采样精度的要求与 C P U设备的运 算能力后，A D ／ D A的采样频率均选为2 k H z 。A D ／ D A 设备选择 C O N T E C公 司生 产的 A D I 1 6 - 4 U S B型 A D设备和 D A I 1 6 - 4 U S B 型 D A设备 ，采样精度均 为 1 6位，支持 U S B 2 ． 0接口；并提供了完整的A P I 函 数库用于开发 。 1 ． 3 液压 活塞 疲 劳测试仪 的软 件设 计 通过需求分析可知，液压活塞测试仪需要同时实 现伺服液压阀的控制、活塞腔压力采集、数据显示 、 护 一 一护 一 保 阎 一 一保 阕 一 一 一 一一 一 咖 过 溢 一 一过 溢 一 卜_L 器 一 一 器 感 一 一 感 腔传 一 一 腔传 压力 一 一 压力 高压 一 一 低压 第 l 3期 王平江 等液压活塞疲劳测试仪控制系统研究与应用 3 处理与保存等功能。为此 ，在 Wi n d o w s 系统下，采用 V C 6 ． 0集成开发环境进行软件开发 ，既可满足多 任务、弱实时性的要求 ，又可以利用 V C丰富的软件 开发资源，减少研发难度。如图2所示 ，控制软件划 分为用户管理模块 、参数调节模块、状态显示模块和 数据存储模块。 测 试仪 控 制软 件 用户管理 l i参数调节 l l 状态显示 I I数据存储 登录 l H 读取参数 l L 1 运行状态显示l H 保存参数 设置用户权限 I 设置参数 l H 保存数据 保 存 错误 日志 图 2 活塞疲劳试验仪软件功能及模块 用户管理模块用来对系统使用人员的权限进行管 理 。 参数调 节模 块用于调整活塞疲劳试验压力控 制系 统运行的相关参数。在参数调节模块中，可供试验人 员调节的系统运行参数分别是高压静载／ 动载、低压 静载／ 动载、相位偏移量、加压频率、A D ／ D A采样频 率 、压力 波形类型选择等 。 状态显示模块用于显示测试仪的运行状态，尤其 是在系统运行过程中实时采集的高低油腔 中的油压 等，处理后将结果以图形的方式展示给操作人员，以 便于进行全闭环的控制参数调节。 数据保存模块采用多线程的方式对实时采集的数 据进 行保存 。需要保存 的实验数据 如下 1 设置参数。高压静载／ 动载、低压静载／ 动 载等； 2 实验数据。冲击次数、高压／ 低压峰值 、高 压／ 低 压谷值等 ； 3 错误 日志。A D ／ D A异常原因、异常时间等。 2 液压活塞试验中的关键控制技术 对于活塞疲劳试验系统而言，高精度的压力曲 线 、加压频率控制是其关键。A D设备采集当前油缸 内液压油 的压力变化并计算其频率 ，针对油腔 内油压 当前 状态 对 输 出 的 D A进 行调 整 ，改 变控 制 波 形 曲 线 ，控制 电液伺服 阀 ，实现全 闭环控 制。 2 ． 1 液压活塞冲击测试过程 中压力的采集及异常 监控 在每次启动控制软件的时候，控制软件都会对 A D设备进行初始化工作，如图3所示。 试验时，A D设备的停止条件是采集到指定数量 的数据。A D设备采样完成时，通过 Wi n d o w s 消息机 制通知控制软件采样结束。当控制软件得到采样结束 的消息后 ，控 制软件立即读取 A D设备 内部 的存储 区 ，一次性将所有采集 的数据接 收进来 ，转换为波形 数据 ，利用状态显示模块输 出。 设置开始 设 备 复位 设 置输 出通道 数 量 设 置输 入／ 输 出范 围 设 置采 样 时钟 设置 存储 器 使用类 型 设置存储器存储方式 设置A D／ D A 设 备启 动 方式 设置AD ／ D A 设 备停 止方 式 采 样开 始 图 3 A D ／ D A设备设置流程图 控制软件实时监控活塞腔中可能发生的异常压 力变化。由于活塞环损坏时，高压腔的高压油将泄 漏到低压腔 中，使得低压腔油压异常升高 ，大于试 验 限定 的 5 MP a 压力 ，意 味着试 验 失败 。针对 这种 情况 ，控制 软件需 要及 时停 止 试验 ，保存 数 据 ，同 时报 警 。 2 ． 2 液压活塞疲劳测试的冲击压力的生成与控制 在液压活塞试验中，采用正弦波对活塞腔中的燃 烧 室进行模拟 。为 了针对一些特殊情况 ，还需要采用 三角波 、方波 和斜波进行模拟 。需要 的各种类型波形 曲线 如图 4所示 。 O 一0． 1 一O． 2 ．O ． 3 ．O． 4 -O ． 5 0 ． 6 -0 ． 7 ．0 ． 8 ．0． 9 ．1 f a 正弦波 0 0 ． 0 2 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0 ． 0 8 0 ． 1 t c 三 角波 O ． O ． O ． 0 ． 一0 ． ．0 ． ．0 ． ．0 ． f b 方波 ／ ／ ／ ／ t d 锯 齿波 图4 控制波形示意图 为了控制电液伺 服 阀的工作 ，D A设 备将波 形数 字信号转化为电流信号 ，输 出到 S V C ． I I 直流驱动放 大器 ，驱动器 产生相应的放 大电流控制 电液伺服 阀阀 芯的位 置 ，按 照规定 的模式 打开或关 闭进油 口或 回油 口。与 A D设备的设定相类似，D A设备在使用之前 也需要对其进行初始化设定，设定方法如图3所示， 在此不再赘述 。 在 活塞 疲劳 试验 中，对 于 主要 的试验 控 制 曲线 第 1 3期 王平江 等 液压活塞疲劳测试仪控制系统研究与应用 5 液压活塞测试仪 的使用步骤 如下 1 将待测活塞安放在活塞腔内，更换密封环 ， 安装密封活塞腔体 ，连接管路 。 2 开启低压油路 电机 ，待低压油路压力建立 之后，开启高压油路电机 ； 3 开启压力传感器 ，电液伺服阀和 A D ／ D A设 备电源； 4 打开液压活塞测 试仪控 制软件 ，设置频 率 ， 选择波形 ； 5 待 高压建立后 ，点击运行；若运行 正常， 在软件的右上区域将会显示当前伺服阀控制的理论波 形 ，右下区域将会显示腔内的实时压力波形； 6 调整相位角 ，高、低压静载 ，高、低压动 载 ，观察显示腔内压力的实时波形，待波形满足试验 要求时，点击计数开始按钮，软件开始计数，自动保 存试验数据； 7 达到试验次数后 ，点击停止，结束试验。 3 ． 2试 验 结果 试验 过程如 图 6所 示 ，左上 角 显示 当前计 数 次 数 ；左下角的文本框显示当前腔内的峰值压力和谷值 压力 ，该压力为若干周期内峰值／ 谷值压力的平均值 ； 右上 角的波形 为当前 D A设备 的输 出波形 ，即电液伺 服阀的控制波形 ；右下角显示的为实时采集的波形。 试验过程中，会 自动生成 3个数据文件，分别是 Pi s t o n S y s t e m． i n i ，Da t a ． C S V， Er r o r ． c s v。 P i s t o n S y s t e m． i n i 用来保存控制软件设置的试验参数；D a t a ． C S V用来保 存采集到的实际压力波形数据；E r r o r ． C S V 用来保存 D A 设备的异常信息。 实 际测试 过程 中 ，活 塞 疲劳试 验 仪 选定 了多个 频率范围、压力范 围的测试要求 ，对测试活塞进行 了大量试验，其 中包括了 1 8 H z 、2 8 M P a的典型柴 油机 工况 下 的活 塞疲 劳 测 试 ，3 5 H z 、1 8 MP a的典 型汽 油机 工况下 的活塞 疲 劳测 试 。实 际试 验结 果 显 示 ，活塞疲劳试验仪按要求完成 了整个试验过程。 通过对试验过程中产生的数据文件和错误 日志的研 究发现，活塞疲劳试验仪在测试过程中可以完整地 保 持试 验过程 的测试 参 数 ，并对 试验 过 程 中发 生 的 A D ／ D A设备等异常进行 自适应处理 ，最长无间断实 验时 间达到 了 7 2 h 。 4结论 通过大量实验 ，文 中开发 的活塞疲劳 寿命测试 系 统，最大频率达到 4 0 H z 、最大压力达到 4 0 M P a ；测 试过程的中间物理量 测试参数、高低压腔的压力 变化曲线数据可以按照要求采集与保存，满足了 活塞疲劳寿命测试的各项技术指标的要求，完全可以 替代国外同类产品。文中的研究成果，对提高我国活 塞设计、验证、生产及使用具有重要意义。 参考文献 [ 1 ]刘耀东 ， 郭金宝， 刘瑞． 发动机活塞液压脉冲机械疲劳试 验方法研究 [ J ] ． 内燃机 ， 2 0 0 9 ， 8 4 3 03 2 ． [ 2 ]MA H L E G mb H E d ． P i s t o n s a n d E n g i n e T e s t i n g [ M] ． Ge r ma n E wa l d S c h mi a I El i s a b e t h L a n g e ， 2 0 1 2 ． [ 3 ]S T E C K B e r n h a r d ． A v o i d i n g C a v i t a t i o n o n We t C y l i n d e r L i n - e E s o f He a v y Du t y Di e s e l Eng i n e s b y Pa r a me t e r Ch a n g e s [ J ] ． S A E T e c h n i c a l P a p e r s ， 1 7 t h C o n g r e s s o e E x p o s i c a o I n t e r n a c i o n a i s d a T e c n o l o g i a d a Mo b i l i d a d e， 2 0 0 8 ． [ 4 ]S H A R I Y A T M， J A Z A Y E R I s A， S O L A J F a t h i ． T h e o r e t i c a l a n d E x p e ri me n t a l E v a l u a t i o n o f P e rf o r ma n c e o f C NG E n g i n e a n d P i s t o n s F a t i g u e L i v e s E mp l o y i n g Mo d i fi e d F a t i g u e C ri t e ri a [ J ] ． S t r e n g t h of M a t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 4 4 4 4 3 8 4 5 5 ． [ 5 ]刘世英． 内燃机活塞机械疲劳损伤与可靠性研究[ D] ． 济南 山东大学 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ]G A R C I A - R O ME R O A M， E G L Z A B A L P ， I R I S A R R I A M． F r a c t u r e a n d F a t i gue B e h a v i o u r o f Al u mi n i u m Ma t rix C o m p o s i t e A u t o m o t i v e P i s t o n s [ J ] ． A p p l i e d C o mp o s i t e Ma t e r i al s ， 2 0 1 0 ， 1 7 1 1 53 0 ． [ 7 ]G O L D F A R B V I ， K A R A K U L O V M N． D e s i g n o f P i s t o n T r a n s m i s s i o n [ J ] ． R u s s i a n E n g i n e e ri n g R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 3 0 9 8 5 6 8 6 1 ． [ 8 ]S A N D E R S O N S R， H O R N U N G H G， S T U R T E V A N T B ． T h e I n fl u e n c e o f N o n e q u i l i b r i u m D i s s o c i a t i o n o n t h e F l o w P r o d u c e d b y S h o c k I m p i n g e m e n t o n a B l u n t B o d y [ J ] ． J o u rna l o f F l u i d Me c h a n i c s ， 2 0 0 4， 5 1 6 13 7 ． [ 9 ]王景芳． 信号与系统[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 2 ． [ 1 O ]芦文波． 提取正弦信号参数的非线性寻优最小二乘算 法[ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 7 1 0 1 6 1 31 6 1 5 ． [ 1 1 ]梁志国， 张大治 ， 孙璩宇， 等． 四参数正弦波曲线拟合的 快速算法[ J ] ． 计测技术， 2 0 0 6 ， 2 6 1 4 7 ． [ 1 2 ]薛国新， 孙玉强． 正弦曲线三点拟合问题的一种新方法 [ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 6 ， 2 3 2 1 0 71 0 9 ． [ 1 3 ]李耀彬， 曾祥斌 ， 沈铖武． 基于抛物线插值的正弦波拟 合算法[ J ] ． 计算机工作与设计， 2 0 0 9 ， 3 0 1 1 2 7 9 3 2 79 5．