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[NI技术]基于 CompactRIO 的发动机连杆疲劳试 验系统研究 连杆是往复活塞式 内燃机的核心部件， 在内燃机中承受着较 大交变载荷，其可靠 性直接影响内燃机运 行的安全。NI公司 的LabVIEW开 发环境和 CompactRIO 嵌入式控制器为研制 发动机连杆拉压模拟 疲劳试验台提供强有 力的工具。 - Hongrui Liu , Automobile Engineering Research Institute, Department of Energy Engineering, Zhejiang University The Challenge: 所研制的发动机连杆 试验台基于NI公司 的LabVIEW和 CompactRIO 嵌入式控制器，采用 液压伺服的方式对连 杆进行拉压加载。如 何确定加载载荷和频 率？如何控制液压系 统加载？如何监测试 验状态，判断连杆发 生疲劳破坏？如何采 集、存储、分析相关 数据得出试验结果？ 这是整套试验系统的 关键所在。 试验系统整体效果图 The Solution: 基于美国NI公司的 LabVIEW开发 环境和 CompactRIO 嵌入式控制器，采用 液压伺服的加载方式 对连杆进行拉压加 载，从而研制发动机 连杆试验台。 Author (s): Hongrui Liu - Automobile Engineering Research Institute, Department of Energy Engineering, Zhejiang University Zhentao Liu - Automobile Engineering Research Institute, Department of Energy Engineering, Zhejiang University 疲劳破坏是机械机构 和零件失效的主要原 因之一，而引起疲劳 破坏的主要原因是动 态交变载荷。连杆是 往复活塞式内燃机的 核心部件，也是内燃 机中承受较大交变载 荷的主要部件之一， 其可靠性直接影响内 燃机运行的安全。美 国NI公司的LabVIEW开发环境和 CompactRIO嵌入式控制器为研制 发动机连杆拉压模拟 疲劳试验台提供强有 力的工具。 试验系统总体介绍 连杆受力情况 如图1所示，在发动 机运行过程中，连杆 的运动状态比较复 杂，小头作往复运 动，大头作旋转运 动，杆身作平面运 动。同时，连杆的受 力情况也十分复杂， 连杆在实际工况中的 受力可分为两部分： 一部分是工作中产生 的气体爆发压力和活 塞组件的往复惯性 力；另一部分是连杆 运动时本身产生的惯 性力，包括往复惯性 力，摆动离心力和横 向弯矩（横向弯矩相 对较小，并且其极值 不与其他力一同出 现，因此忽略不 计）。 图1：发动机连杆机 构示意图 在以上各力的作用下 每一个截面上都会有 弯矩、剪力和法向 力。但弯矩和剪力与 法向力相比都不大， 连杆主要承受的是交 变的拉压载荷。 试验原理 试验台的设计主要考 虑连杆在实际运行中 的拉伸压缩载荷，忽 略弯矩与剪力，对连 杆进行拉压加载。这 种设计虽然不能完全 模拟连杆得实际工 况，但基本上可以比 较准确的反映连杆的 拉压疲劳特性，达到 台架模拟试验的目 的。 本试验台架可对连杆 试件进行静载试验和 动态疲劳试验。静载 试验时，只对连杆试 件缓慢施加拉力或者 压力以考察连杆静态 材料特性；动态疲劳 试验时，对连杆试件 施加交变拉压载荷， 由于在发动机实际运 行工况下连杆承受的 最大压缩载荷要大于 最大拉伸载荷，试验 台采用非对称的加载 方式，即负荷比不 为-1。完成试验 后，试验系统都会保 存所有试验数据，包 括应变信号、拉压载 荷信号、循环次数、 疲劳破坏状态等。通 过对试验数据的统计 分析，实现对连杆疲 劳寿命的评估及其可 靠性设计。 整个试验系统的控制 通过美国NI公司的LabVIEW开发环境和 CompactRIO嵌入式控制器来实 现，主要包括液压加 载控制，数据采集、 存储、分析，试验系 统的监控和安全控制 等工作。 试验系统总体方案设 计 整个试验系统的设计 可分为硬件和软件两 个部分。 硬件设计  1/11 本试验台的硬件主要 包括机械台体、液压 加载系统和控制系 统。 1）机械台体 如图2所示机械台体 采用四立柱的结构， 主要功能是固定连杆 试件，支撑其他机构 进行试验。主要包括 连杆试件固定夹具、 移动导轨、移动面、 支撑面。 1试验台框架 2 液压加载系统 3 固定夹具 4连杆 试件 图2：试验台机械结 构示意图 2）液压加载系统 1液压缸 2蓄压 器 3溢流阀 4滤 油器 5液压泵站 6电动机 7油箱 8单向阀 9伺服电 磁阀 10液压放大 器 图3：液压加