軍車發(fā)動機低壓渦輪葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)前階段，主流的軍車發(fā)動機檢測系統(tǒng)無法針對軍車發(fā)動機低壓渦輪葉片裂紋失效進行檢測，對軍車的安全行駛帶來嚴(yán)重的安全隱患[7]。為此設(shè)計了一種針對軍車發(fā)動機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驗這部分。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器、以及PCB力錘等構(gòu)成；軟件部分主要針對葉片裂紋檢測界面進行了設(shè)計，設(shè)計了檢測系統(tǒng)的主界面、檢測通道、檢測信號模塊和信號波形顯示模塊。最后進行了葉片裂紋檢測實驗，實驗結(jié)果表明利用本文檢測系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確的檢測出發(fā)動機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)動機低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)構(gòu)成

軍車發(fā)動機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驗?zāi)K構(gòu)成。實驗需要的設(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位動態(tài)信號采集卡、4路輸入USB動態(tài)信號采集模塊和4路同步采集模擬輸入模塊構(gòu)成[8]，具備的信號輸入范圍，信號采樣頻率最高可達。4路輸入通道同時進行信號輸入時采樣速率最高能夠達到將輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號。交流耦合與IEPE能夠長時間共同使用。USB2.0具備24位高速分辨率，其動態(tài)范圍為102db；NI USB-9233的動態(tài)范圍為102db，能夠與加速度計共同實現(xiàn)集成電路電壓式的信號調(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葉片裂紋信號采集系統(tǒng)設(shè)計

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

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

表1葉片裂紋深度與信號相位的關(guān)系

表2葉片裂紋位置與信號相位關(guān)系

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

2低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)主界面設(shè)計

本文利用VC++編寫的軍車發(fā)動機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的波形、控制面板和菜單選項。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)多通道同時進行信號的采集。面板中的功能按鈕能夠?qū)崿F(xiàn)信號的采集和對信號源的控制。

2.1低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)的通道設(shè)計

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

圖3葉片信號采集通道參數(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)在該界面對信號采集通道進行設(shè)置。通道列表中各項功能的含義如下所述：

（1）通道激活：點擊后會出現(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)前檢測信號的類型，如速度、位移等，單擊后會出現(xiàn)下拉菜單進行選擇。

（3）R類型：確定在頻響函數(shù)計算中，當(dāng)前對應(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這兩種耦合方式進行耦合。

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

（6）量程：：單擊相應(yīng)的下拉菜單后，會出現(xiàn)自動、

這幾種量程可供選擇，選擇時必須滿足實際需要以以及信號采集卡的要求。

（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：用來描述當(dāng)前測量通道對應(yīng)的發(fā)動機低壓渦輪葉片上的測量點。

（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)的檢測信號模塊設(shè)計

利用下圖4能夠描述軍車發(fā)動機低壓渦輪葉片檢測系統(tǒng)的檢測信號界面。

圖4檢測信號界面

根據(jù)上圖4能夠得知，檢測信號模塊中包括信號頻帶、檢測次數(shù)、觸發(fā)設(shè)置和窗函數(shù)等選項的設(shè)置。信號檢測在程序啟動時會自動加載上次到的信號數(shù)據(jù)，如需更改則會做出相應(yīng)的提示。各選項設(shè)置功能的含義如下所述：

（1）頻帶設(shè)置：能夠設(shè)置信號頻率的分析頻寬。信號頻率的間隔根據(jù)分析頻寬和FFT點數(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、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

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波形顯示模塊。

圖5葉片裂紋信號波形顯示模塊

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、響應(yīng)通道等。各選項功能的含義如下所述：

（1）數(shù)據(jù)分析：能夠?qū)θ~片波形信號的時域、頻譜、功率譜等進行分析。

（2）坐標(biāo)選項：能夠?qū)θ~片波形信號的幅值、實部、虛部、相位進行分析。

（3）響應(yīng)通道：每個信號窗口都能顯示當(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)計的軍車發(fā)動機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進行描述：

圖6檢測流程圖

本文設(shè)計的葉片裂紋失效檢測系統(tǒng)主要有頻率檢測與裂紋實驗這兩部構(gòu)成。進行葉片裂紋實驗之前，首先需要檢測葉片的一階固有頻率，然后再通過裂紋實驗?zāi)K將獲取的葉片頻率信號發(fā)送出去。利用采集卡采集到的葉片信號響應(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葉片裂紋實驗過程

在進行發(fā)動機低壓渦輪葉片裂紋實驗的過程中，需要使用JDF-1 型電渦流激振器，能夠檢測葉片裂紋信號的相位變化、響應(yīng)幅值。其中最重要的一項是對裂紋信號相位變化的檢測。當(dāng)葉片在實驗的過程中出現(xiàn)裂紋時，其信號的響應(yīng)以及相位特征就會發(fā)生變化。葉片裂紋實驗開始時，信號源傳輸?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，就會離開共振區(qū)，此時葉片裂紋實驗的效果會降低。檢測系統(tǒng)會根據(jù)響應(yīng)的葉片信號的相位調(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的響應(yīng)的頻響曲線和相位。在葉片上布置10個檢測點，將加速傳感器放置在葉片上，對檢測過程中的數(shù)據(jù)進行記錄，并用I-DEAS 軟件建立模型，能夠獲取葉片裂紋信號的二階振模型，利用下圖8能夠描述：

圖8葉片裂紋信號的二階振模型

根據(jù)上述識別結(jié)果與有限元結(jié)果進行對比能夠得知，兩者結(jié)果極為相似，對葉片進行正弦測頻，獲取的結(jié)果與實際相同。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實驗結(jié)果及分析

為了驗證本文設(shè)計的系統(tǒng)的有效性，需要進行一次實驗。實驗環(huán)境能夠用下圖10進行描述：

圖10實驗環(huán)境

實驗需要的設(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。

實驗過程中，首先將傳感器放置在葉片上，然后需要利用錘擊法，對葉片上的20個測試點進行錘擊。在進行通道參數(shù)設(shè)置的過程中，需要設(shè)置通道1作為力通道，通道2作為葉片裂紋信號響應(yīng)通道。

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

表3不同方法對裂紋深度檢測結(jié)果

表4不同方法對裂紋位置檢測結(jié)果

從上表中實驗結(jié)果能夠得知，傳統(tǒng)的軍車發(fā)動機檢測系統(tǒng)在對發(fā)動機低壓渦輪葉片進行檢測時，對于葉片上的裂紋深度和裂紋的位置都不能有效的進行檢測，無法保證軍車發(fā)動機的安全性能；利用本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)，能夠避免傳統(tǒng)的發(fā)動機檢測系統(tǒng)的弊端，能夠?qū)θ~片上裂紋的深度和位置進行準(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

針對傳統(tǒng)的軍車發(fā)動機檢測系統(tǒng)無法針對發(fā)動機低壓渦輪葉片進行裂紋失效檢測的缺陷，設(shè)計了一種軍車發(fā)動機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、檢測信號模塊和信號波形顯示模塊等相關(guān)模塊。實驗結(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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