李詧森，王代華 ，張強(qiáng)，唐宏

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊261000；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000；4.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030051）

曲軸是內(nèi)燃機(jī)的五大部件之一，承受載荷大且受力狀態(tài)復(fù)雜，很大程度上決定著內(nèi)燃機(jī)的可靠性與壽命[1]。曲軸的疲勞強(qiáng)度研究主要是考察曲軸在反復(fù)承受交變動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力分布，為強(qiáng)度分析提供依據(jù)[2]。曲軸同時(shí)承受著氣缸內(nèi)氣體作用力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力[3]，以及功率輸出端轉(zhuǎn)矩的作用[4]，在承受這些交變的復(fù)合應(yīng)力作用的同時(shí)，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響[5]，從而易引起疲勞失效，造成安全事故[6]。已有研究表明，疲勞失效是內(nèi)燃機(jī)關(guān)重件的主要失效形式[7-8]，所以保證足夠的疲勞強(qiáng)度是內(nèi)燃機(jī)關(guān)重件設(shè)計(jì)和優(yōu)化的首要目標(biāo)。

綜合分析國(guó)外和國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前絕大多數(shù)曲軸校核工作均依托于數(shù)值計(jì)算和有限元分析的方法[9]，采取試驗(yàn)研究方法的工作很少，很難滿足當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)快速發(fā)展對(duì)曲軸設(shè)計(jì)和優(yōu)化的需求?？傆[僅有的實(shí)測(cè)方法，由于曲軸工作于不斷旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，測(cè)試活塞等位置的引線式測(cè)試方法難以實(shí)現(xiàn)，引線會(huì)成為薄弱環(huán)節(jié)，難以布置且可靠性差；個(gè)別測(cè)試設(shè)備有無(wú)線方向上的探索，但存在續(xù)航能力差，可工作時(shí)間較短且需要頻繁拆裝測(cè)試設(shè)備充電的問(wèn)題，并且一旦無(wú)線模塊出現(xiàn)問(wèn)題，數(shù)據(jù)極易丟失?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種擁有無(wú)線充電能力的應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，本系統(tǒng)可安裝于內(nèi)燃機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行測(cè)試，解決了傳統(tǒng)測(cè)試手段中存在的問(wèn)題，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度分析提供了一種新的手段。

1 系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)的目標(biāo)是將無(wú)線充電技術(shù)引入內(nèi)燃機(jī)測(cè)試領(lǐng)域，設(shè)計(jì)成微型測(cè)試裝置嵌入曲軸獨(dú)立工作，實(shí)時(shí)實(shí)況地測(cè)取曲軸曲柄臂上的應(yīng)力應(yīng)變情況。本測(cè)試系統(tǒng)為進(jìn)一步減小體積并降低功耗，使用內(nèi)置AD的單片機(jī)設(shè)計(jì)。應(yīng)變片的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，通過(guò)控制器控制無(wú)線通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信；同時(shí)系統(tǒng)保留了USB接口，防止無(wú)線通信模塊故障時(shí)造成數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體原理框圖Fig.1 System overall principle block diagram

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系部件的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的MTP 2-2-703規(guī)程，測(cè)試儀設(shè)計(jì)要求：每個(gè)工況采樣不少于90個(gè)循環(huán)，即360個(gè)沖程；采樣分辨率要求至少每3°采樣1個(gè)點(diǎn)，每個(gè)循環(huán)（1 440°）需要采樣至少480個(gè)點(diǎn)；測(cè)試儀能安裝至發(fā)動(dòng)機(jī)有效體積內(nèi)且不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

根據(jù)管理培訓(xùn)計(jì)劃（management training plan，MTP）規(guī)范，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下轉(zhuǎn)速在800～2 400 r/min之間[10]，采樣頻率要保證數(shù)據(jù)不丟失，故本測(cè)試儀設(shè)計(jì)為4通道采樣，每通道采樣頻率為5 kHz，存儲(chǔ)容量共5 MB。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低功耗采集存儲(chǔ)電路

應(yīng)變片輸出電路設(shè)計(jì)為惠斯登電橋，后經(jīng)濾波、放大電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集信號(hào)。由于傳統(tǒng)使用FPGA控制的方式功耗較大，還需要配置外部AD芯片進(jìn)行信號(hào)采樣，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用帶有內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的PIC24系列單片機(jī)，內(nèi)置AD具有12 bit精度、500 ksps采樣速率以及4路同時(shí)采樣能力。單片機(jī)采用了低功耗高速閃存技術(shù)，工作電壓為3.3 V。

數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)AD采樣后先由單片機(jī)內(nèi)部FIFO緩存，通過(guò)控制器控制，經(jīng)由SPI接口將每通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至EEPROM中，整個(gè)電路不需要很高的能耗，單路電流維持在幾個(gè)mA水平。

系統(tǒng)采用的這種電路設(shè)計(jì)相比FPGA+AD芯片的模式很大程度上減小了電路體積，單片機(jī)相比FPGA不會(huì)造成過(guò)多資源浪費(fèi)，EEPROM處于休眠狀態(tài)時(shí)電流僅為10 μA，操作時(shí)最大電流小于5 mA，顯著降低了電路功耗。

2.2 無(wú)線充電技術(shù)設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)試裝置采用電池供電方式，電池容量成為限制測(cè)試裝置工作時(shí)間的主要因素。頻繁拆裝內(nèi)燃機(jī)外殼更換電池必然造成重復(fù)勞動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)效率低下。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測(cè)試裝置的近距離無(wú)線充電方案：在曲柄臂或平衡重外側(cè)的箱體側(cè)壁上粘貼柔性激勵(lì)線圈；對(duì)等的在測(cè)試裝置外殼的側(cè)壁上也粘貼上感應(yīng)線圈。激勵(lì)線圈引出線經(jīng)曲軸箱體走線至箱體外部，通以一定頻率的交變電流。利用磁場(chǎng)耦合及諧振原理在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再經(jīng)整流濾波等處理，即可為測(cè)試裝置內(nèi)部的電池充電。該方法可充分利用內(nèi)燃機(jī)停車時(shí)間充電。

無(wú)線充電系統(tǒng)包括電源側(cè)的能量變換裝置、能量傳遞裝置以及負(fù)載側(cè)的能量調(diào)節(jié)裝置三個(gè)主要部分[11]。無(wú)線充電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 無(wú)線充電系統(tǒng)Fig.2 Wireless charging system

2.2.1 激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)電路的任務(wù)是產(chǎn)生足夠功率的交流信號(hào)傳輸至激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈通過(guò)電磁感應(yīng)達(dá)到無(wú)線傳輸電能的目的。

系統(tǒng)激勵(lì)電路部分使用運(yùn)算放大器和RC串聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成文氏振蕩電路產(chǎn)生正弦波。由于文氏振蕩電路產(chǎn)生的正弦波較小，故輸出信號(hào)會(huì)經(jīng)由功率放大電路使其可用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率放大電路采用TI公司的雙音頻功率放大器，此芯片不需要自舉電容或緩沖電路，有低功耗的關(guān)斷模式，關(guān)斷電流僅40 μA，所需外圍器件少，適合需要高功率和小尺寸的系統(tǒng)使用。功率放大電路如圖3所示，電壓放大倍數(shù)可通過(guò)R2與R1的比值調(diào)節(jié)。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplification electric circuit

2.2.2 能量轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床是機(jī)電液一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，為便于進(jìn)行質(zhì)量特性分析，首先要將數(shù)控機(jī)床分解為簡(jiǎn)單的基本單元以達(dá)到容易建模的目的，然后對(duì)基本單元進(jìn)行質(zhì)量特性分析，最后對(duì)整機(jī)的質(zhì)量特性進(jìn)行綜合分析。按“部件—組件—零件”的分解方法雖然簡(jiǎn)單易行，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中卻存在許多難以解決的困難，比如零件數(shù)目繁多導(dǎo)致的建模困難、零件故障數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致的定量分析困難等。

感應(yīng)線圈通過(guò)磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)后，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)送至后續(xù)的橋式整流電路。經(jīng)過(guò)整流電路后，由于磁場(chǎng)耦合作用，輸出電流過(guò)大且不穩(wěn)定，故需要穩(wěn)壓電路將電源電壓穩(wěn)定并調(diào)整至所能使用的正常范圍。

穩(wěn)壓電路以可調(diào)整電容式電荷泵為主體設(shè)計(jì)，通過(guò)電容儲(chǔ)存能量，然后以受控的方式將電能釋放以獲得所需電壓的方式達(dá)到穩(wěn)壓并調(diào)整的作用。本系統(tǒng)穩(wěn)壓電路休眠電流小于1 μA，有反向保護(hù)，可通過(guò)R1與R2調(diào)節(jié)輸出電壓。穩(wěn)壓電路圖如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路圖Fig.4 Voltage stabilized circuit diagram

本裝置的無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后通過(guò)測(cè)試線圈兩端電路波形和功率可知，激勵(lì)線圈和感應(yīng)線圈波形頻率相近，最低電能轉(zhuǎn)換效率不低于35%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

2.3 無(wú)線通信技術(shù)

由于系統(tǒng)工作環(huán)境為密閉空間，故設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊用于上位機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)經(jīng)綜合考量，采用成本低、功耗小、可靠性高的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，工作在2.4 GHz頻段，通信速率可高達(dá)250 kbit/s。采用SPI接口進(jìn)行基帶信號(hào)的傳輸，主要工作參數(shù)均可通過(guò)SPI接口編程設(shè)置。為降低功耗，無(wú)線模塊的發(fā)射功率控制在0 dBm以內(nèi)。

本測(cè)試裝置安裝在內(nèi)燃機(jī)箱體內(nèi)獨(dú)立工作，經(jīng)由無(wú)線通信模塊與外部的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。無(wú)線模塊的核心是ZigBee協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)，完成指令/數(shù)據(jù)的編碼/解碼、調(diào)制/解調(diào)等操作，具體實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)與射頻信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

ZigBee協(xié)調(diào)器的功能是負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護(hù)等功能[12]，通過(guò)USB與上位機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)調(diào)用無(wú)線收發(fā)函數(shù)及USB通信函數(shù)完成上位機(jī)、無(wú)線通信模塊和測(cè)試設(shè)備之間的信息交互，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器程序框圖Fig.5 ZigBee coordinator program block diagram

2.4 電源管理程序設(shè)計(jì)

為延長(zhǎng)測(cè)試設(shè)備使用時(shí)間，在使用無(wú)線充電技術(shù)的同時(shí)，還要進(jìn)行良好的電源管理策略來(lái)有效降低功耗。

電源管理技術(shù)主要通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使裝置在內(nèi)燃機(jī)停機(jī)或未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)休眠來(lái)減少電量消耗。裝置內(nèi)部設(shè)置加速度傳感器用于感知曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心加速度，將傳感器輸出信號(hào)作為裝置上電的判據(jù)，避免在未穩(wěn)定時(shí)采集無(wú)效數(shù)據(jù)，無(wú)謂消耗電量。在測(cè)試完成后，上位機(jī)發(fā)送休眠指令，系統(tǒng)休眠等待下次測(cè)試。工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

圖6 工作狀弦轉(zhuǎn)換圖Fig.6 Work state transition diagram

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的耐高溫能力及可靠性，需要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。將裝置放置于高溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，應(yīng)變片通過(guò)長(zhǎng)引線引出至箱外，實(shí)驗(yàn)箱溫度設(shè)置為150℃模擬曲軸工作環(huán)境溫度，箱外上位機(jī)對(duì)設(shè)備發(fā)送指令；通過(guò)懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變持續(xù)給予應(yīng)變片應(yīng)力，觀察系統(tǒng)是否可以正常輸出波形。整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可以根據(jù)指令完成喚醒、全速工作和休眠的操作，輸出波形符合懸臂梁操作情況，系統(tǒng)工作正常。

將測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置于內(nèi)燃機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行原理性驗(yàn)證，在曲軸主軸頸上方設(shè)置測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)不同工況下的內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行了模擬測(cè)試。測(cè)試時(shí)電路工作正常，輸出波形穩(wěn)定。圖7為模擬工況為2 000 r/min和1 500 r/min時(shí)的測(cè)試波形圖。

圖7 模擬工況測(cè)試波廝圖Fig.7 Test waveforms of simulated condition

從圖7可以看出，測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力呈周期性變化，每720°（即1個(gè)循環(huán)）為1個(gè)周期。在某一時(shí)期突然所受應(yīng)力增大，此時(shí)正為壓縮沖程和做功沖程，缸內(nèi)氣壓大于大氣壓，氣體力向下通過(guò)活塞和連桿傳遞至曲軸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化。模擬試驗(yàn)符合仿真結(jié)果，系統(tǒng)能夠完成曲軸應(yīng)力測(cè)試的用戶需求。

4 結(jié)論

本測(cè)試設(shè)備整機(jī)尺寸約為5 cm×7 cm×3 cm，采用共形設(shè)計(jì)的方式將其安裝于曲柄壁上，并在對(duì)稱方向配備平衡重以消除設(shè)備自身重量對(duì)曲軸正常旋轉(zhuǎn)的影響，且不會(huì)對(duì)曲軸軸頸應(yīng)力產(chǎn)生干擾從而影響數(shù)據(jù)和曲軸結(jié)構(gòu)可靠性；系統(tǒng)具有無(wú)線通信能力，可方便實(shí)時(shí)對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部工況進(jìn)行監(jiān)控，在使用無(wú)線通信方式的同時(shí)又保留了USB接口，以免無(wú)線通信模塊故障造成數(shù)據(jù)丟失，提高了可靠性；系統(tǒng)各模塊功耗低，工作時(shí)最大電流最大僅為幾mA級(jí)，單次充電后可持續(xù)工作90 min，裝置內(nèi)部存儲(chǔ)器容量可存儲(chǔ)記錄最近25 min的數(shù)據(jù)；同時(shí)系統(tǒng)具備無(wú)線充電的能力，避免了反復(fù)拆裝充電帶來(lái)的重復(fù)勞動(dòng)，單次安裝后可完成多次長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試任務(wù)，使用方便。模擬試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠在150℃的高溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間正常工作，無(wú)線充電設(shè)計(jì)可保證系統(tǒng)能完成多次測(cè)試任務(wù)，具有適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)箱體內(nèi)惡劣工況的能力。