軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前階段，主流的軍車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng)無法針對(duì)軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效進(jìn)行檢測，對(duì)軍車的安全行駛帶來嚴(yán)重的安全隱患[7]。為此設(shè)計(jì)了一種針對(duì)軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效的檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)包括葉片測頻部分和葉片裂紋實(shí)驗(yàn)這部分。硬件部分主要包括NI USB-9233、PCB加速度傳感器、MA-600功放器、PYD-1型電渦流急診疲勞試驗(yàn)器、以及PCB力錘等構(gòu)成；軟件部分主要針對(duì)葉片裂紋檢測界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了檢測系統(tǒng)的主界面、檢測通道、檢測信號(hào)模塊和信號(hào)波形顯示模塊。最后進(jìn)行了葉片裂紋檢測實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用本文檢測系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的檢測出發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片中的裂紋情況，從而為軍車的安全行駛提供了保障。

1發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)構(gòu)成

軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)主要由葉片頻率檢測模塊和葉片裂紋實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備主要有NI USB-9233、PCB加速度傳感器、MA-600功放器、PYD-1型電渦流葉片裂紋試驗(yàn)器、以及PCB力錘等。其中關(guān)鍵的設(shè)備是NI USB-9233。NI USB-9233主要由24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡、4路輸入U(xiǎn)SB動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊和4路同步采集模擬輸入模塊構(gòu)成[8]，具備的信號(hào)輸入范圍，信號(hào)采樣頻率最高可達(dá)。4路輸入通道同時(shí)進(jìn)行信號(hào)輸入時(shí)采樣速率最高能夠達(dá)到將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號(hào)。交流耦合與IEPE能夠長時(shí)間共同使用。USB2.0具備24位高速分辨率，其動(dòng)態(tài)范圍為102db；NI USB-9233的動(dòng)態(tài)范圍為102db，能夠與加速度計(jì)共同實(shí)現(xiàn)集成電路電壓式的信號(hào)調(diào)理功能。低壓渦輪葉片裂紋檢測系統(tǒng)構(gòu)成用下圖1能夠進(jìn)行描述：

圖1低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)構(gòu)成

1.2葉片裂紋信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

NI USB-9233不能直接對(duì)葉片裂紋信號(hào)進(jìn)行采集，因此，在設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)時(shí)，需要利用連續(xù)采集的方式進(jìn)行信號(hào)采集功能。詳細(xì)的過程如下所述：在連續(xù)采集方式下，對(duì)信號(hào)的電壓值進(jìn)行判斷，假設(shè)采集的信號(hào)電壓值達(dá)到預(yù)設(shè)的觸發(fā)電平時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開始記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)，其中包括負(fù)延時(shí)的這段數(shù)據(jù)，停止信號(hào)采集的條件是采集到預(yù)設(shè)的點(diǎn)數(shù)。根據(jù)上述方法能夠完成NI USB-9233的信號(hào)采集過程。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片裂紋失效信號(hào)的連續(xù)采集和定頻采集，則需要調(diào)用中的函數(shù)庫進(jìn)行葉片裂紋信號(hào)的采集。

利用葉片裂紋失效信號(hào)采集系統(tǒng)采集的葉片裂紋與信號(hào)相位的關(guān)系能夠用下表1和表2進(jìn)行描述：

表1葉片裂紋深度與信號(hào)相位的關(guān)系

表2葉片裂紋位置與信號(hào)相位關(guān)系

表1是葉片裂紋位置時(shí)，裂紋深度與信號(hào)相位的關(guān)系；表2是葉片裂紋深度時(shí)，裂紋位置與信號(hào)相位的關(guān)系。從上表1和表2中的結(jié)果能夠得知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片的裂紋位置確定時(shí)，裂紋深度越深，信號(hào)的相位越大；當(dāng)裂紋深度確定時(shí)，裂紋距離葉片根部越遠(yuǎn)，信號(hào)的相位就越大。利用上述系統(tǒng)對(duì)采集的裂紋信號(hào)進(jìn)行分析后能夠得知，當(dāng)裂紋的位置位于葉片根部時(shí)，采集信號(hào)的相位變化率越大。采集到的信號(hào)相位發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄并發(fā)送頻率。

2低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

本文利用VC++編寫的軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)的主界面能夠用下圖2進(jìn)行描述：

圖2葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)主頁面

主界面主要包括葉片裂紋信號(hào)的波形、控制面板和菜單選項(xiàng)。在該界面能夠完成葉片裂紋的測頻工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的采集。面板中的功能按鈕能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的采集和對(duì)信號(hào)源的控制。

2.1低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)的通道設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效檢測的過程中，需要針對(duì)檢測系統(tǒng)的信號(hào)采集通道進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用下圖3能夠描述信號(hào)采集通道的參數(shù)測量界面：

圖3葉片信號(hào)采集通道參數(shù)測量界面

根據(jù)上圖2中能夠得知檢測系統(tǒng)中全部可利用通道的設(shè)置情況，并能夠?qū)崿F(xiàn)在該界面對(duì)信號(hào)采集通道進(jìn)行設(shè)置。通道列表中各項(xiàng)功能的含義如下所述：

（1）通道激活：點(diǎn)擊后會(huì)出現(xiàn)下拉菜單，可以選擇激活或者關(guān)閉幾條通道。

（2）標(biāo)示：用來描述當(dāng)前檢測信號(hào)的類型，如速度、位移等，單擊后會(huì)出現(xiàn)下拉菜單進(jìn)行選擇。

（3）R類型：確定在頻響函數(shù)計(jì)算中，當(dāng)前對(duì)應(yīng)的通道是作為參考通道還是作為響應(yīng)通道。

（4）耦合：單擊相應(yīng)的下拉菜單后，能夠選擇AC和DC這兩種耦合方式進(jìn)行耦合。

（5）傳感類型：單擊相應(yīng)的下拉菜單后，會(huì)出現(xiàn)ICP ON和ICP OFF這兩個(gè)選項(xiàng)。如果當(dāng)前對(duì)應(yīng)的通道中使用了ICP傳感器時(shí)，必須選擇ICP ON。

（6）量程：：單擊相應(yīng)的下拉菜單后，會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)、

這幾種量程可供選擇，選擇時(shí)必須滿足實(shí)際需要以以及信號(hào)采集卡的要求。

（7）單位模式：用來描述工程單位EU。

（8）標(biāo)定值：用來設(shè)定當(dāng)前通道中的傳感器的靈敏度。

（9）單位：分別能夠描述牛頓，加速度 ，速度，位移，工程單位和電壓。

（10）測量點(diǎn)：用來描述當(dāng)前測量通道對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片上的測量點(diǎn)。

（11）方向余弦：用來描述當(dāng)前通道傳感器測量的方向。

2.2葉片檢測系統(tǒng)的檢測信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

利用下圖4能夠描述軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)的檢測信號(hào)界面。

圖4檢測信號(hào)界面

根據(jù)上圖4能夠得知，檢測信號(hào)模塊中包括信號(hào)頻帶、檢測次數(shù)、觸發(fā)設(shè)置和窗函數(shù)等選項(xiàng)的設(shè)置。信號(hào)檢測在程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)加載上次到的信號(hào)數(shù)據(jù)，如需更改則會(huì)做出相應(yīng)的提示。各選項(xiàng)設(shè)置功能的含義如下所述：

（1）頻帶設(shè)置：能夠設(shè)置信號(hào)頻率的分析頻寬。信號(hào)頻率的間隔根據(jù)分析頻寬和FFT點(diǎn)數(shù)確定。分析頻寬乘以2.56即為采樣頻率。采樣頻率除以采樣點(diǎn)數(shù)即為頻率間隔。

（2）觸發(fā)設(shè)置：利用該功能，能夠設(shè)置觸發(fā)通道、觸發(fā)延時(shí)、觸發(fā)電平等功能。

（3）窗函數(shù)設(shè)置：利用該功能，能夠設(shè)置力窗指數(shù)窗、平頂窗和hanning 窗。

（4）檢測次數(shù)設(shè)置：能夠設(shè)置檢測系統(tǒng)對(duì)葉片的檢測次數(shù)。

2.3葉片檢測系統(tǒng)的波形顯示模塊設(shè)計(jì)

利用下圖5能夠描述葉片檢測系統(tǒng)的檢測的葉片裂紋信號(hào)波形顯示模塊。

圖5葉片裂紋信號(hào)波形顯示模塊

根據(jù)上圖能夠得知，該模塊中包括數(shù)據(jù)分析、坐標(biāo)選項(xiàng)、響應(yīng)通道等。各選項(xiàng)功能的含義如下所述：

（1）數(shù)據(jù)分析：能夠?qū)θ~片波形信號(hào)的時(shí)域、頻譜、功率譜等進(jìn)行分析。

（2）坐標(biāo)選項(xiàng)：能夠?qū)θ~片波形信號(hào)的幅值、實(shí)部、虛部、相位進(jìn)行分析。

（3）響應(yīng)通道：每個(gè)信號(hào)窗口都能顯示當(dāng)前檢測的通道。

2.4葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)檢測流程

本文設(shè)計(jì)的軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)的檢測流程能夠用下圖6進(jìn)行描述：

圖6檢測流程圖

本文設(shè)計(jì)的葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)主要有頻率檢測與裂紋實(shí)驗(yàn)這兩部構(gòu)成。進(jìn)行葉片裂紋實(shí)驗(yàn)之前，首先需要檢測葉片的一階固有頻率，然后再通過裂紋實(shí)驗(yàn)?zāi)K將獲取的葉片頻率信號(hào)發(fā)送出去。利用采集卡采集到的葉片信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)能夠判斷葉片是否存在裂紋。假設(shè)存在裂紋，即改變發(fā)送信號(hào)的頻率，從而能夠得到最好的檢測結(jié)果。

2.4.1葉片裂紋實(shí)驗(yàn)過程

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋實(shí)驗(yàn)的過程中，需要使用JDF-1 型電渦流激振器，能夠檢測葉片裂紋信號(hào)的相位變化、響應(yīng)幅值。其中最重要的一項(xiàng)是對(duì)裂紋信號(hào)相位變化的檢測。當(dāng)葉片在實(shí)驗(yàn)的過程中出現(xiàn)裂紋時(shí)，其信號(hào)的響應(yīng)以及相位特征就會(huì)發(fā)生變化。葉片裂紋實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，信號(hào)源傳輸?shù)念l率就是渦輪葉片的一階固有頻率。假設(shè)葉片出現(xiàn)裂紋，就會(huì)離開共振區(qū)，此時(shí)葉片裂紋實(shí)驗(yàn)的效果會(huì)降低。檢測系統(tǒng)會(huì)根據(jù)響應(yīng)的葉片信號(hào)的相位調(diào)整發(fā)送頻率。利用上述方法，檢測系統(tǒng)就能夠檢測到葉片波形的相位變化，從而能夠檢測出葉片的裂紋情況。

2.4.2葉片頻率檢測過程

在對(duì)葉片裂紋頻率檢測的過程中，獲取的葉片裂紋頻率波形能夠用下圖7進(jìn)行描述：

圖7葉片裂紋頻率波形

從上圖能夠得知葉片裂紋信號(hào)的響應(yīng)的頻響曲線和相位。在葉片上布置10個(gè)檢測點(diǎn)，將加速傳感器放置在葉片上，對(duì)檢測過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并用I-DEAS 軟件建立模型，能夠獲取葉片裂紋信號(hào)的二階振模型，利用下圖8能夠描述：

圖8葉片裂紋信號(hào)的二階振模型

根據(jù)上述識(shí)別結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比能夠得知，兩者結(jié)果極為相似，對(duì)葉片進(jìn)行正弦測頻，獲取的結(jié)果與實(shí)際相同。在同一目錄下，能夠保存多次葉片檢測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括頻響函數(shù)數(shù)據(jù)、功率譜、頻響、和相位等數(shù)據(jù)。下圖9為歷次葉片檢測數(shù)據(jù)的匯總：

圖9葉片裂紋檢測數(shù)據(jù)的匯總

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境能夠用下圖10進(jìn)行描述：

圖10實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備主要有：CPU 為Intel Core/酷睿 i7-4700MQ、內(nèi)存為4GB的筆記本、USB-9233、PCB 傳感器、PCB 力錘、JDF-1型電渦流激振器。

實(shí)驗(yàn)過程中，首先將傳感器放置在葉片上，然后需要利用錘擊法，對(duì)葉片上的20個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行錘擊。在進(jìn)行通道參數(shù)設(shè)置的過程中，需要設(shè)置通道1作為力通道，通道2作為葉片裂紋信號(hào)響應(yīng)通道。

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，分別利用傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行葉片裂紋失效檢測實(shí)驗(yàn)，不同檢測方法獲取的葉片裂紋深度能夠用下表3和表4進(jìn)行描述：

表3不同方法對(duì)裂紋深度檢測結(jié)果

表4不同方法對(duì)裂紋位置檢測結(jié)果

從上表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得知，傳統(tǒng)的軍車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片進(jìn)行檢測時(shí)，對(duì)于葉片上的裂紋深度和裂紋的位置都不能有效的進(jìn)行檢測，無法保證軍車發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能；利用本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)，能夠避免傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng)的弊端，能夠?qū)θ~片上裂紋的深度和位置進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，充分表明了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，保證了軍車的安全行駛。

4結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)的軍車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測系統(tǒng)無法針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片進(jìn)行裂紋失效檢測的缺陷，設(shè)計(jì)了一種軍車發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要有NI USB-9233、PCB加速度傳感器、MA-600功放器、PYD-1型電渦流急診疲勞試驗(yàn)器、以及PCB力錘等構(gòu)成；軟件部分利用VC++編寫了檢測系統(tǒng)的主界面、檢測通道、檢測信號(hào)模塊和信號(hào)波形顯示模塊等相關(guān)模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的檢測出葉片裂紋的位置和裂紋深度，為軍車的安全行駛提供了可靠的保障，取得了令人滿意的效果。

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