姜北平，解方喜，蘇巖，許允

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室, 長春 130025)

0 引 言

目前，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)建立的虛擬儀器測試系統(tǒng)替代傳統(tǒng)儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)及科研領(lǐng)域[1]?；贚abVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺的發(fā)動機(jī)氣門運動規(guī)律測試(《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計》的實驗課)實驗臺是針對發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)的研究所開發(fā)的實驗臺。通過簡便的實驗手段及測試分析、數(shù)據(jù)處理將復(fù)雜的實驗原理簡單化，可以作為發(fā)動機(jī)附件實驗臺研究配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計是否合理，該試驗臺具有先進(jìn)的技術(shù)性及一定的科研價值。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于本科生實踐教學(xué)。使學(xué)生在實踐過程中能夠接觸和掌握新技術(shù)，而且可以根據(jù)專業(yè)課程上學(xué)到的知識，自己選擇實驗內(nèi)容設(shè)計實驗方案進(jìn)行自己感興趣的實驗。這樣既能生動直觀地展示發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，使它們更易于理解，達(dá)到課堂講授所不能起到的作用[2]。并且能滿足發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速很高，需要采集大量的瞬態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理的要求，為學(xué)生更好的理解配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)的設(shè)計問題，實現(xiàn)動態(tài)、可操作性強(qiáng)、直觀的實驗教學(xué)，同時為學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力的提高提供了很好的平臺，是實驗教學(xué)改革的創(chuàng)新點。

1 理論基礎(chǔ)

在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)也隨之高速運動，使得系統(tǒng)存在慣性力和彈性變形。因此氣門的運動規(guī)律與理想的運動有很大的畸變。各種因素導(dǎo)致氣門升程曲線差異(見圖1)，可以看出三條氣門升程曲線存在很大差異。曲線1為理論設(shè)計的氣門升程曲線，曲線2為消除氣門間隙和抵消彈簧預(yù)緊力后的氣門位移曲線，曲線1,2之間的差異稱為靜變形，曲線3為實際氣門升程曲線， 在不同的發(fā)動機(jī)工況，配氣機(jī)構(gòu)的運動速度會有所變化，所以實際的運動規(guī)律較為復(fù)雜，1,3曲線之間的差異稱為動變形，不同工況的動變形會不同。動變形較大時會出現(xiàn)不正常現(xiàn)象，如圖1所示曲線3在45度曲軸轉(zhuǎn)角后出現(xiàn)的四個小升程曲線為氣門反跳的結(jié)果，還有氣門飛脫現(xiàn)象等等，動變形嚴(yán)重時會造成機(jī)構(gòu)的損壞。因此需要研究氣門的運動規(guī)律，合理設(shè)計配氣機(jī)構(gòu)，避免不合理現(xiàn)象的發(fā)生，延長機(jī)構(gòu)的使用壽命[3]。

圖1 各種因素氣門升程曲線的差異[3]

氣門運動規(guī)律實驗臺的開發(fā)的目的是測量配氣機(jī)構(gòu)中氣門的運動規(guī)律。而對于運動規(guī)律，一般用位移、速度和加速度三個物理量的時間函數(shù)描述。而位移、速度和加速度存在著一定的關(guān)系[4]。只要測定三個物理量之中的任意一個,就可以微積分求出其他兩個物理量[5]。氣門運動規(guī)律實驗臺主要測試氣門運動的加速度，從而積分得到氣門運動速度，再次積分求得實際氣門運動的升程。第二測試氣門搖臂應(yīng)變量，觀察氣門飛脫現(xiàn)象的波形。實驗數(shù)據(jù)顯示部分使用LabVIEW虛擬儀器來構(gòu)建。通過實際測量參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，來判斷配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計是否合理，最終解決配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計問題。

2 測試系統(tǒng)的總體設(shè)計

實驗臺的設(shè)計包括總體方案設(shè)計，硬件設(shè)計及軟件設(shè)計，根據(jù)實驗原理和實驗?zāi)康拇_定設(shè)計方案。測量氣門加速度選用加速度傳感器，測量搖臂的應(yīng)變量選用電阻應(yīng)變片，電荷放大器、電阻應(yīng)變儀、電橋等配合使用。為了提高實驗的安全系數(shù)，需要用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動發(fā)動機(jī)，所用發(fā)動機(jī)需要改造。數(shù)據(jù)采集部分以數(shù)據(jù)采集卡為核心部件。試驗所用的儀器設(shè)備及型號規(guī)格如表1所示。

表1 儀器設(shè)備列表

系統(tǒng)硬件的選用和連接設(shè)計直接關(guān)系到測試系統(tǒng)性能的好壞[6]。實驗平臺的總體構(gòu)造、系統(tǒng)硬件的連接設(shè)計圖(見圖2)。首先汽油機(jī)經(jīng)過改造去掉曲軸及活塞連桿，最后留下缸體及油底殼支撐缸蓋。由電機(jī)驅(qū)動凸輪軸及設(shè)定轉(zhuǎn)速，加速度傳感器安裝在氣門彈簧座上，測試系統(tǒng)以計算機(jī)為控制中心，加速度傳感器及應(yīng)變片的信號由電荷放大器，電阻應(yīng)變儀進(jìn)行處理然后輸送到計算機(jī)。實驗臺局部放大圖，即應(yīng)變片和傳感器的安裝位置示意圖(見圖3)。

圖2 氣門運動規(guī)律測試實驗臺架

圖3 應(yīng)變片和傳感器安裝位置

3 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

LabVIEW語言作為一種開發(fā)語言和其他語言相比具有其獨特的優(yōu)點：程序設(shè)計采用圖形化數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的形式，邏輯關(guān)系直觀清晰，容易被設(shè)計者采納成為開發(fā)平臺[7]。作者首先設(shè)計程序流程圖，在LabVIEW中找到相應(yīng)的模塊進(jìn)行程序的編譯，制定所需的虛擬儀器，然后生成計算機(jī)可執(zhí)行的程序[8-11]。具體步驟如下：按照程序流程圖找到相應(yīng)的控件和指示器，然后按照各種邏輯計算進(jìn)行連接[12-13]，最后測試并調(diào)試程序。

如程序流程圖4所示，設(shè)計氣門運動規(guī)律的前面板。前面板應(yīng)包括讀取采集卡采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)定部分、數(shù)據(jù)圖形顯示部分、數(shù)據(jù)文件存儲設(shè)定部分等，選擇與之相對應(yīng)的控件。在這些部分中，其中采集參數(shù)包括采樣時間，采集頻率，采集通道設(shè)定，數(shù)據(jù)保存，文件名設(shè)定，曲線放大倍數(shù)設(shè)定，消除趨勢項等由使用者指定命令，數(shù)據(jù)圖形顯示部分包括采集數(shù)據(jù)的時域圖。合理布局各控件的位置，使前面板整體結(jié)構(gòu)直觀簡潔，易于操作。

圖4 程序設(shè)計流程圖

程序完成的目標(biāo)為根據(jù)前面板設(shè)定的采樣時間，采集頻率，采集通道，在指定通道獲取實際波形，其中加速度和應(yīng)變波形直接顯示，加速度波形通過積分成速度信號并且消除趨勢項同樣顯示在波形圖上。振動信號處理中由于多種因素引起的系統(tǒng)誤差,使得測量的實際信號偏離真實信號，主要體現(xiàn)在積分環(huán)節(jié)上,所以需要消除趨勢項。實驗數(shù)據(jù)保存在之前按照需要設(shè)定路徑的采樣文件名中，程序框圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計框圖

4 實驗結(jié)果分析

測試并調(diào)試設(shè)定的程序，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)流能按照既定的流程圖運行，表明程序測試初步完成。然后對實驗臺進(jìn)行驗證。調(diào)整電荷放大器，進(jìn)行加速度傳感器的靈敏度設(shè)置，標(biāo)定電阻應(yīng)變儀，得出應(yīng)變與電壓值的對應(yīng)關(guān)系，用于數(shù)據(jù)處理。啟動電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速并測量各個轉(zhuǎn)速下的氣門運動規(guī)律，圖為實驗過程中采集到的波形圖如圖6所示。

圖6 正常波形圖

觀察氣門飛脫現(xiàn)象，低速時搖臂驅(qū)動氣門開啟需要克服彈簧的彈力使得氣門和搖臂緊密貼合，隨著轉(zhuǎn)速的升高到達(dá)某點時系統(tǒng)的慣性力超過彈簧的彈力，此時氣門不需要搖臂驅(qū)動，氣門與搖臂之間產(chǎn)生間隙，直觀表現(xiàn)為應(yīng)變量為零，此時波形如圖7所示標(biāo)記點的電壓值為零，由公式(1)得出此點的應(yīng)變值也為零，說明此時氣門飛脫。

圖7 飛脫波形圖

ε=v1×c

(1)

式(1)中v1為應(yīng)變儀輸出的搖臂應(yīng)變量對應(yīng)的電壓值；c為標(biāo)定應(yīng)變儀時得到的應(yīng)變與電壓的對應(yīng)關(guān)系系數(shù)；ε為實際的應(yīng)變量。使用數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到的氣門實際運動的加速度曲線如圖8所示。積分計算得到的氣門最大升程與實際氣門最大升程基本一致，驗證了測試手段的可執(zhí)行性。同時學(xué)生也可以用其他的數(shù)據(jù)處理軟件繪制曲線，使得學(xué)生們在充分理解實驗原理的基礎(chǔ)上鍛煉了數(shù)據(jù)處理能力，從而綜合素質(zhì)得到提升。

圖8 氣門實際運動的加速度曲線

5 結(jié)束語

虛擬儀器由于其靈活性、經(jīng)濟(jì)型和較強(qiáng)的操作性取代了部分傳統(tǒng)儀器。在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)階段服務(wù)科研和生產(chǎn)生活的重要手段[14-15]?；贚abVIEW虛擬儀器開發(fā)的氣門運動規(guī)律測試平臺與利用傳統(tǒng)儀器開發(fā)測試平臺相比，形象化的操作界面直觀的顯示了氣門的運動規(guī)律，簡化了實驗過程并且使操作者更加直觀的理解實驗原理，同時測試平臺具有的很強(qiáng)的靈活性，擺脫了功能單一的傳統(tǒng)測試儀器的束縛[16]，可以在測試結(jié)束后直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具備技術(shù)的先進(jìn)性，同時實驗臺的實用性較強(qiáng)可以作為各個科研單位的發(fā)動機(jī)附件實驗臺。通過以上的討論得到實驗平臺具有以下特點：

(1)實驗平臺基于自己設(shè)計的軟件算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；

(2)與以往開發(fā)的測試系統(tǒng)相比，這套虛擬儀器系統(tǒng)將測量的自動化程度提到了很高；

(3)系統(tǒng)平臺允許操作者更改測試條件，并且有選擇性的對測量結(jié)果進(jìn)行保存；

(4)簡單易懂的操作界面使得操作者更能深入的理解實驗原理，并且提高了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力。