军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效检测系统设计

当前阶段，主流的军车发动机检测系统无法针对军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效进行检测，对军车的安全行驶带来严重的安全隐患[7]。为此设计了一种针对军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效的检测系统。检测系统包括叶片测频部分和叶片裂纹实验这部分。硬件部分主要包括NI USB-9233、PCB加速度传感器、MA-600功放器、PYD-1型电涡流急诊疲劳试验器、以及PCB力锤等构成；软件部分主要针对叶片裂纹检测界面进行了设计，设计了检测系统的主界面、检测通道、检测信号模块和信号波形显示模块。最后进行了叶片裂纹检测实验，实验结果表明利用本文检测系统能够及时准确的检测出发动机低压涡轮叶片中的裂纹情况，从而为军车的安全行驶提供了保障。

1发动机低压涡轮叶片检测系统设计

1.1低压涡轮叶片检测系统构成

军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效检测系统主要由叶片频率检测模块和叶片裂纹实验模块构成。实验需要的设备主要有NI USB-9233、PCB加速度传感器、MA-600功放器、PYD-1型电涡流叶片裂纹试验器、以及PCB力锤等。其中关键的设备是NI USB-9233。NI USB-9233主要由24位动态信号采集卡、4路输入USB动态信号采集模块和4路同步采集模拟输入模块构成[8]，具备的信号输入范围，信号采样频率最高可达。4路输入通道同时进行信号输入时采样速率最高能够达到将输入信号转化为数字化信号。交流耦合与IEPE能够长时间共同使用。USB2.0具备24位高速分辨率，其动态范围为102db；NI USB-9233的动态范围为102db，能够与加速度计共同实现集成电路电压式的信号调理功能。低压涡轮叶片裂纹检测系统构成用下图1能够进行描述：

图1低压涡轮叶片检测系统构成

1.2叶片裂纹信号采集系统设计

NI USB-9233不能直接对叶片裂纹信号进行采集，因此，在设计信号采集系统时，需要利用连续采集的方式进行信号采集功能。详细的过程如下所述：在连续采集方式下，对信号的电压值进行判断，假设采集的信号电压值达到预设的触发电平时，系统自动开始记录当前数据，其中包括负延时的这段数据，停止信号采集的条件是采集到预设的点数。根据上述方法能够完成NI USB-9233的信号采集过程。如果要实现对叶片裂纹失效信号的连续采集和定频采集，则需要调用中的函数库进行叶片裂纹信号的采集。

利用叶片裂纹失效信号采集系统采集的叶片裂纹与信号相位的关系能够用下表1和表2进行描述：

表1叶片裂纹深度与信号相位的关系

表2叶片裂纹位置与信号相位关系

表1是叶片裂纹位置时，裂纹深度与信号相位的关系；表2是叶片裂纹深度时，裂纹位置与信号相位的关系。从上表1和表2中的结果能够得知，当发动机低压涡轮叶片的裂纹位置确定时，裂纹深度越深，信号的相位越大；当裂纹深度确定时，裂纹距离叶片根部越远，信号的相位就越大。利用上述系统对采集的裂纹信号进行分析后能够得知，当裂纹的位置位于叶片根部时，采集信号的相位变化率越大。采集到的信号相位发生变化时，系统会自动记录并发送频率。

2低压涡轮叶片检测系统主界面设计

本文利用VC++编写的军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效检测系统的主界面能够用下图2进行描述：

图2叶片裂纹失效检测系统主页面

主界面主要包括叶片裂纹信号的波形、控制面板和菜单选项。在该界面能够完成叶片裂纹的测频工作，并且能够实现多通道同时进行信号的采集。面板中的功能按钮能够实现信号的采集和对信号源的控制。

2.1低压涡轮叶片检测系统的通道设计

在进行军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效检测的过程中，需要针对检测系统的信号采集通道进行设计。利用下图3能够描述信号采集通道的参数测量界面：

图3叶片信号采集通道参数测量界面

根据上图2中能够得知检测系统中全部可利用通道的设置情况，并能够实现在该界面对信号采集通道进行设置。通道列表中各项功能的含义如下所述：

（1）通道激活：点击后会出现下拉菜单，可以选择激活或者关闭几条通道。

（2）标示：用来描述当前检测信号的类型，如速度、位移等，单击后会出现下拉菜单进行选择。

（3）R类型：确定在频响函数计算中，当前对应的通道是作为参考通道还是作为响应通道。

（4）耦合：单击相应的下拉菜单后，能够选择AC和DC这两种耦合方式进行耦合。

（5）传感类型：单击相应的下拉菜单后，会出现ICP ON和ICP OFF这两个选项。如果当前对应的通道中使用了ICP传感器时，必须选择ICP ON。

（6）量程：：单击相应的下拉菜单后，会出现自动、

这几种量程可供选择，选择时必须满足实际需要以以及信号采集卡的要求。

（7）单位模式：用来描述工程单位EU。

（8）标定值：用来设定当前通道中的传感器的灵敏度。

（9）单位：分别能够描述牛顿，加速度 ，速度，位移，工程单位和电压。

（10）测量点：用来描述当前测量通道对应的发动机低压涡轮叶片上的测量点。

（11）方向余弦：用来描述当前通道传感器测量的方向。

2.2叶片检测系统的检测信号模块设计

利用下图4能够描述军车发动机低压涡轮叶片检测系统的检测信号界面。

图4检测信号界面

根据上图4能够得知，检测信号模块中包括信号频带、检测次数、触发设置和窗函数等选项的设置。信号检测在程序启动时会自动加载上次到的信号数据，如需更改则会做出相应的提示。各选项设置功能的含义如下所述：

（1）频带设置：能够设置信号频率的分析频宽。信号频率的间隔根据分析频宽和FFT点数确定。分析频宽乘以2.56即为采样频率。采样频率除以采样点数即为频率间隔。

（2）触发设置：利用该功能，能够设置触发通道、触发延时、触发电平等功能。

（3）窗函数设置：利用该功能，能够设置力窗指数窗、平顶窗和hanning 窗。

（4）检测次数设置：能够设置检测系统对叶片的检测次数。

2.3叶片检测系统的波形显示模块设计

利用下图5能够描述叶片检测系统的检测的叶片裂纹信号波形显示模块。

图5叶片裂纹信号波形显示模块

根据上图能够得知，该模块中包括数据分析、坐标选项、响应通道等。各选项功能的含义如下所述：

（1）数据分析：能够对叶片波形信号的时域、频谱、功率谱等进行分析。

（2）坐标选项：能够对叶片波形信号的幅值、实部、虚部、相位进行分析。

（3）响应通道：每个信号窗口都能显示当前检测的通道。

2.4叶片裂纹失效检测系统检测流程

本文设计的军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效检测系统的检测流程能够用下图6进行描述：

图6检测流程图

本文设计的叶片裂纹失效检测系统主要有频率检测与裂纹实验这两部构成。进行叶片裂纹实验之前，首先需要检测叶片的一阶固有频率，然后再通过裂纹实验模块将获取的叶片频率信号发送出去。利用采集卡采集到的叶片信号响应数据能够判断叶片是否存在裂纹。假设存在裂纹，即改变发送信号的频率，从而能够得到最好的检测结果。

2.4.1叶片裂纹实验过程

在进行发动机低压涡轮叶片裂纹实验的过程中，需要使用JDF-1 型电涡流激振器，能够检测叶片裂纹信号的相位变化、响应幅值。其中最重要的一项是对裂纹信号相位变化的检测。当叶片在实验的过程中出现裂纹时，其信号的响应以及相位特征就会发生变化。叶片裂纹实验开始时，信号源传输的频率就是涡轮叶片的一阶固有频率。假设叶片出现裂纹，就会离开共振区，此时叶片裂纹实验的效果会降低。检测系统会根据响应的叶片信号的相位调整发送频率。利用上述方法，检测系统就能够检测到叶片波形的相位变化，从而能够检测出叶片的裂纹情况。

2.4.2叶片频率检测过程

在对叶片裂纹频率检测的过程中，获取的叶片裂纹频率波形能够用下图7进行描述：

图7叶片裂纹频率波形

从上图能够得知叶片裂纹信号的响应的频响曲线和相位。在叶片上布置10个检测点，将加速传感器放置在叶片上，对检测过程中的数据进行记录，并用I-DEAS 软件建立模型，能够获取叶片裂纹信号的二阶振模型，利用下图8能够描述：

图8叶片裂纹信号的二阶振模型

根据上述识别结果与有限元结果进行对比能够得知，两者结果极为相似，对叶片进行正弦测频，获取的结果与实际相同。在同一目录下，能够保存多次叶片检测数据。这些数据包括频响函数数据、功率谱、频响、和相位等数据。下图9为历次叶片检测数据的汇总：

图9叶片裂纹检测数据的汇总

3实验结果及分析

为了验证本文设计的系统的有效性，需要进行一次实验。实验环境能够用下图10进行描述：

图10实验环境

实验需要的设备主要有：CPU 为Intel Core/酷睿 i7-4700MQ、内存为4GB的笔记本、USB-9233、PCB 传感器、PCB 力锤、JDF-1型电涡流激振器。

实验过程中，首先将传感器放置在叶片上，然后需要利用锤击法，对叶片上的20个测试点进行锤击。在进行通道参数设置的过程中，需要设置通道1作为力通道，通道2作为叶片裂纹信号响应通道。

为了验证本文系统的有效性，分别利用传统检测系统和本文设计系统进行叶片裂纹失效检测实验，不同检测方法获取的叶片裂纹深度能够用下表3和表4进行描述：

表3不同方法对裂纹深度检测结果

表4不同方法对裂纹位置检测结果

从上表中实验结果能够得知，传统的军车发动机检测系统在对发动机低压涡轮叶片进行检测时，对于叶片上的裂纹深度和裂纹的位置都不能有效的进行检测，无法保证军车发动机的安全性能；利用本文设计的检测系统，能够避免传统的发动机检测系统的弊端，能够对叶片上裂纹的深度和位置进行准确的检测，充分表明了该系统的准确性和稳定性，保证了军车的安全行驶。

4结束语

针对传统的军车发动机检测系统无法针对发动机低压涡轮叶片进行裂纹失效检测的缺陷，设计了一种军车发动机低压涡轮叶片裂纹失效检测系统。该系统主要包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要有NI USB-9233、PCB加速度传感器、MA-600功放器、PYD-1型电涡流急诊疲劳试验器、以及PCB力锤等构成；软件部分利用VC++编写了检测系统的主界面、检测通道、检测信号模块和信号波形显示模块等相关模块。实验结果表明，利用本文系统能够准确的检测出叶片裂纹的位置和裂纹深度，为军车的安全行驶提供了可靠的保障，取得了令人满意的效果。

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