王鐵軍 高楊 周易
摘要:航空發(fā)動機軸承是十分重要的部件,由于其工作環(huán)境的特殊性,需要對其進行十分嚴苛的部件試驗和系統(tǒng)試驗。部件試驗中需要對軸承進行高轉(zhuǎn)速、大扭矩等性能考核,要求試驗器測試系統(tǒng)必須真實可靠的實時顯示和存儲試驗數(shù)據(jù)。本文詳細介紹了某型航空發(fā)動機軸承試驗器測試系統(tǒng)的設計實現(xiàn),以設計要求為依據(jù),給出設計方案及其實現(xiàn),同時將生產(chǎn)者/消費者模型架構應用于航空發(fā)動機軸承試驗器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,開發(fā)出了一套應用虛擬儀器LabVIEW技術平臺搭建的試驗測試系統(tǒng),試驗結果表明測試系統(tǒng)滿足試驗器的要求。
關鍵詞:軸承試驗器;虛擬儀器;生產(chǎn)者/消費者模型架構;測試系統(tǒng)
0? 引言
軸承是航空發(fā)動機旋轉(zhuǎn)部件重要的支撐單元,本文針對某型號發(fā)動機的高、低壓轉(zhuǎn)子軸承試驗器設計搭建了一套測試系統(tǒng)。首先,依據(jù)試驗器測試采集系統(tǒng)的設計要求,選用目前較為成熟的虛擬儀器技術,搭建軟、硬件平臺。其次,考慮到試驗器測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,軟件設計采用了生產(chǎn)者/消費者模型架構。最后通過試驗對測試系統(tǒng)進行了驗證。
1? 試驗器測試系統(tǒng)設計要求
本試驗器的功能包括被試軸承由電主軸帶動旋轉(zhuǎn),模擬發(fā)動機軸承的轉(zhuǎn)速。被試軸承由液壓加載系統(tǒng)加載,模擬發(fā)動機軸承的載荷。試驗滑油系統(tǒng)給被試軸承提供潤滑,通過給滑油油箱加溫,對發(fā)動機軸承溫度進行模擬。需要采集的測試信號如表1所示。
根據(jù)采集信號類型、范圍及精度,選擇相應傳感器,搭建測試系統(tǒng)平臺。測試系統(tǒng)主要由各種傳感器、測試線纜、PXI數(shù)據(jù)采集平臺、測試系統(tǒng)上位機等組成。測試系統(tǒng)組成如圖1所示。
傳感器信號經(jīng)過隔離模塊后由PXI數(shù)據(jù)采集平臺進行采集,采集的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)缴衔粰C進行處理,隔離模塊能夠減少干擾信號對測試系統(tǒng)的沖擊,并且能夠?qū)⒉杉男盘栟D(zhuǎn)換成1V~5V的標準電壓信號。為減少測試電纜用量,將PXI測試設備安放在設備現(xiàn)場控制柜中,測試計算機通過NI PXIe-PCIe8375在遠端對PXI測試設備進行操控。PXIe-PCIe8375由PXIe8375和PCIe8375兩塊板卡組成,分別插入測試設備機箱和測控計算機機箱,兩者通過光纖進行連接,可以實現(xiàn)PXI Express的PCI Express控制。
2? 生產(chǎn)者/消費者模型架構
考慮到軟件架構的穩(wěn)定可靠,采用了基于生產(chǎn)者/消費者模型架構,設計開發(fā)了軟件程序。生產(chǎn)者/消費者模型架構是經(jīng)典的多線程并發(fā)程序設計模式,生產(chǎn)者生產(chǎn)一次產(chǎn)品,就會將產(chǎn)品放入緩沖區(qū),直到緩沖區(qū)滿了為止。當消費者進行消費的時候,需要從緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品,如果緩沖區(qū)空了,就停止消費。實際開發(fā)設計中,允許有多個生產(chǎn)者同時生產(chǎn)產(chǎn)品,允許有多個消費者同時消費產(chǎn)品,通常緩沖區(qū)只有一個出口和入口,具有“先進先出”特點的阻塞隊列是常見的緩沖區(qū)實現(xiàn)形式,就是先到的消費者,先取出產(chǎn)品進行消費。生產(chǎn)者/消費者模式的另外一個特點就是它可以根據(jù)生產(chǎn)者和消費者的工作能力來處理過程的平衡,可以提升整體處理數(shù)據(jù)的速度。
在生產(chǎn)者/消費者模型框架中隊列技術得到了廣泛地應用。隊列技術可以確保數(shù)據(jù)有序地傳輸,避免產(chǎn)生競爭或者沖突,它是一種 First In First Out 的架構。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,可以將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理放在兩個線程中執(zhí)行,利用 LabVIEW多線程并發(fā)的執(zhí)行特性。但是,當數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集速度不匹配時,可能會造成數(shù)據(jù)丟失,兩者之間需要一個起到緩沖作用的中間介質(zhì),隊列的出現(xiàn)就可以很好解決這個問題。另外,生產(chǎn)者和消費者兩部分都應用了定時循環(huán)結構,可以有效控制數(shù)據(jù)的采集時間及數(shù)據(jù)存儲時間間隔,有效解決了數(shù)據(jù)丟失等問題。
基于生產(chǎn)者/消費者構建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)容易維護,方便對功能進行擴展,隊列的數(shù)據(jù)傳輸方式既滿足了數(shù)據(jù)緩存的需要,又提高了程序的效率。事件響應機制可以控制程序執(zhí)行流程的改變,多通道數(shù)據(jù)的顯示便于對各通道參數(shù)進行性能分析。
3? 測試系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)
利用LabVIEW多線程的并發(fā)執(zhí)行策略,基于生產(chǎn)者/消費者模型開發(fā)了該軸承試驗器測試程序,測試程序主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、報警設定、歷史查詢、通道設定等功能模塊組成。圖2為功能模塊調(diào)用程序,基于動態(tài)子VI(子程序)的方式,將多個函數(shù)功能模塊整合到一起,動態(tài)調(diào)用。
4? 試驗結果
連續(xù)試驗2小時,部分試驗數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖3(a)至圖3(c)所示。結果表明測試系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運行,可以有效測試試驗過程中各參數(shù)的變化,滿足設計要求。
5? 總結
本文根據(jù)軸承試驗器使用需求搭建了測試系統(tǒng),根據(jù)功能劃分,編寫了相應的功能模塊,并將生產(chǎn)者/消費者模型架構應用于測試軟件編寫中,使得程序中各功能模塊能夠以不同速率并行執(zhí)行,有效提高了系統(tǒng)的采集速率。試驗結果表明,該測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,可以連續(xù)對試驗數(shù)據(jù)進行記錄,測試精度符合要求。
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