（农业电气化与自动化专业论文）基于虚拟仪器的车辆底盘集中润滑系统工作特性的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 车辆底盘自动集中润滑系统能有效地延长底盘的使用寿命，减少底盘的维护成本，提高车辆 的性能档次，解决了手工定期润滑存在的一系列问题，具有较大的经济价值和推广应用前景。本 文结合浙江省科技厅资助项目“车辆底盘自动集中润滑装置的研制”，利用虚拟仪器技术，以底 盘集中润滑系统工作特性参数的检测和控制为主要研究对象，以实现润滑系统生产加工过程中各 部件性能参数的快速在线检测和参数的优化调配，为集中润滑系统的故障检测和系列产品的研发 及优化设计提供理论依据。主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 润滑系统主油路压力特性曲线包含了润滑系统正常工作时的特征信息，提出了通过采 集润滑系统主油路动态压力波形来获取系统的实际工作曲线，实现润滑系统各种特性参数的动态 检测和控制的技术方法。 ( 2 ) 利用虚拟仪器系统的设计思想，采用美国n i 公司m 系列数据采集卡和图形化编程语 言l a b v i e w 开发了底盘润滑装置虚拟仪器测量系统，该系统可以采集2 路压力信号和3 路温度 信号，能实时显示采集的波形，可以对采集的信号进行分析处理、保存和调用。 ( 3 ) 利用开发的测量系统，采集了不同油脂温度、润滑点数、主油管长度下润滑系统主油 路首末端压力特性曲线，并将润滑系统的一个完整工作循环分为增压、配油器储油、继续增压、 降压、配油器供油、继续降压、间歇7 个不同阶段。从主油路压力特性曲线上提取了表征润滑系 统工作特性的压力最大值、残压、工作周期、齿轮泵工作时间、升压时间、降压时间等1 4 个特 征参数，探讨了油脂温度、润滑点数、主油管长度对润滑系统工作特性的影响规律，并为1 4 个 特征参数建立了三元= 次多项式模型，误差分析结果表明建立的模型合理，有一定的参考价值。 ( 4 ) 采集了润滑系统各种故障工况下主油路首末端的压力信号分析了主油路压力波形及 主要特征参数的变化特点，提出了通过采集润滑系统主油路压力波形实现系统故障检测的新方 法，为基于虚拟仪器的润滑系统故障诊断提供了理论依据。 ( 5 ) 通过实验方法研究了配油器的排量均匀性，结果表明：标定规格越小的配油器排量精 度越低，均匀性越差；配油器安装位置、润滑点数、管路长度等参数对配油器排量均匀性影响很 小，说明配油器设计合理。 关键词：虚拟仪器；集中润滑系统：工作特性：压力；故障检测；均匀性 l l i 浙江太学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t t h ea u t o - c e n t r a l i z e dg r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e mf o rv e h i c l ec h a s s i sc a r le f f e c t i v e l yp r o l o n gt h e l i f e c y c l eo f c h a s s i s ，r e d u c ei t sm a i n t e n a n c ec o s t ，a n di m p m v et h ev e h i c l e sp e r f o r m a n c el e v e l ， c o n s e q u e n t l y ，as e r i e so f p r o b l e m sw i t hh a n d w o r kp e r i o d i cg r e a s el u b r i c a t i o nc o u l db es o l v e d s o ，t h e e c o n o m yv a l u eo f t h ea u t o - c e n t r a l i z e dg r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e mi sq u i t eh u g ea n di t sa p p l i c a b l e f o r e g r o u n di sq u i t eb r i g h t b a s e do nt h ep r o j e c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ea u t o c e n t r a l i z e d g r e a s el u b r i c a t i o ne q u i p m e n t f o rv e h i c l ec h a s s i s ，f i n a n c i a ls u p p o r tf r o ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n to f z h e j i a n gp r o v i n c e ，t h ed e t e c t i o na n dc o n t r o lo f o p e r a t i o np e r f o r m a n c e sp a r a m e t e r su s i n g t h ev i m m li n s t r u m e n tt e c h n i q u ef o rt h ea u t o - c e n t r a l i z e dg r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e mh a db e e ni n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e ra st h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t s t h eo b j e c t i v e so f t h i sr e s e a r c hw e r et or e a l i z et h ef a s to n l i n e d e t e c t i o na n do p t i m i z i n gp e r f o r m a n c e sp a r a m e t e r sf o ra l lc o m p o n e n t sd u r i n gt h ep r o d u c tp r o c e s s ，a n d t op r o v i d et h ep r i n c i p l e sf o rt h ef a u l td e t e c t i o no f t h ec e n t r a l i z e dg r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e ma n dt o i m p r o v et h et h e o r yo f o p t i m i z i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f r e s e m b l ep r o d u c t s t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf l o w i n g ( 1 ) t h em a i nl i n ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so f g r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e mc o n t a i nu s e f u l i n f o r m a t i o nw h e nt h e ya r ei nn o r m a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h ea c t u a lo p e r a t i o nc u r v c so f t h es y s t e m w e r eo b t a i n e do na c q u i r i n gt h ed y n a m i cp r e s s u r ew a v e si nm a i nl i n e sa n dt h ed y n a m i cd e t e c t i o na n d c o n t r o lo f a l lk i n d so f c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc o u l db er e a l i z e d ( 2 ) u s i n gt h ed e s i g nt h o u g h t so f v i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m s ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n ts u r v e ys y s t e m o f g r e a s el u b r i c a t i o ne q u i p m e n ti se x p l o i t e db ym e a n so f t h em - s e r i e sd a t aa c q u i s i t i o nc a r d so f n i c o r p i na m e r i c aa n dt h eg r a p h i c sl a n g u a g e - l a b v i e w t h i ss y s t e mc o u l da c q u i r et w ow a y so f p r e s s u r es i g n a l sa n dt h r e ew a y so f t e m p e r a t u r es i g n a l s ，a n dd i s p l a yt h er e a l t i m ew a v e ，a n da l s o ，c o u l d a n a l y z e ，s a v ea n dg a n s f e rt h e s es i g n a l s ( 3 ) p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e sw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f t h eg r e a s et e m p e r a t u r e ，t h en u m b e r s o f l u b r i c a t i n gp o i n ta n dt h el e n g t ho f m a i np i p ec a nb ea c q u i r e du s i n gt h en e we x p l o i t i n gs u r v e ys y s t e m aw h o l eo p e r a t i o nc y c l eo fl u b r i c a t i o ns y s t e ma r ed i v i d e di n t os e v e np e r i o d sa sf o l l o w s ：p r e s s u r e i n c r e a s i n g ，g r e a s es t o r a g eo f r e - g r e a s i n gd i s t r i b u t o r ，c o n t i n u i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，p r e s s u r ed e c r e a s i n g ， g r e a s es u p p l yo f r e - g r e a s i n gd i s t r i b m o r ，c o n t i n u i n gp r e s s u r ed e c r e a s i n g ，i n t e r m i t t a n c e c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r si n c l u d i n gp r e s s u r ep e a k ，r e s i d u a lp r e s s u r ee r r o r , a c t i o nc y c l e ，o p e r a t i n gt i m eo f g e a r e dp u m p ， p r e s s u r e i n c r e a s i n gt i m e ，p r e s s u r e d e c r e a s i n gt i m e ，e t c ，w h i c hs h o wt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e so f l u b r i c a t i o ns y s t e m , a r ea c q u i r e df r o mp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i ce 1 1 i n e so f m a i nl i n e t h eo p e r a t i o n i v 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t p e r f o r m a n c e so f l u b r i c a t i o ns y s t e mw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f t h eg r e a s et e m p e r a t u r e ，t h en u m b e r so f l u b r i c a t i n gp o i n ta n dt h el e n g t ho f m a i np i p ea r ea l s os t u d i e d t e r n a r yq u a d r a t i cp o l y n o m i a lm o d e lw i t h t h e1 4c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si se s t a b l i s h e d r e s u l to f e r r o ra n a l y s i sp r o v e st h em o d e li sr e a s o n a b l e ， a n dc a nb eu s e d ( 4 ) t h ep r e s s u r es i g n a l si nf o r e - a n db a c k e n do f t h em a i nl i n eu n d e ra l lk i n d so f f a u l tc o n d i t i o n s w e r ea c q u i r e d t h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i co f p r e s s u r ew a v ea n dm a i np a r a m e t e r sw a sa n a l y z e dan e w m e t h o dt or e a l i z ef a u l td o e c t i o nt h r o u g ha c q u i r i n gt h ep r e s s u r ew a v eo f l u b r i c a t i o ns y s t c mw a s p r e s e n t e d ，a n dt h ep r i n c i p l e sf o rf a u l td i a g n o s e so f l u b r i c a t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tw e r e p r o v i d e d ( 5 ) t h ed i s p l a c e m e n tu n i f o r m i t yo f r e g r e a s i n gd i s t r i b m o r sw a sr e s e a r c h e de x p e r i m e n t a l l y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s i g n e dd i s p l a c e m e n to f r e - g r e a s i n gd i s t r i b u t o ri ss m a l l e r , t h ea c t u a l d i s p l a c e m e n tp r e c i s i o ni sl o w e ra n du n i f o r m 时i sw o r s e ；t h ep a r a m e t e r ss u c ha sf i x i n gp o s i t i o n ，t h e n u m b e r so f l u b r i c a t i n gp o i n ta n dt h el e n 醇ho f t h ep i p e ，e t c h a v el i t t l ea f f e c t i o no nd i s p l a c e m e n t u n i f o r m i t y ，t h a tp r o v e st h ed e s i g no f r e - g r e a s i n gd i s t r i b u t o ri sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；c e n t r a l i z e dg r e a s el u b r i c a t i o ns y s t e m ；o p e r a t i o np e r f o r m a n c e s ；p r e s s u r e ； f a u l td e t e c t i o n ；u n i f o r m i t y v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 公交客车、卡车、农业机械( 联合收获机) 及工程机械底盘的动力、传动、悬架、转向、制 动和操纵等运动部件均需用油脂润滑，一般需加脂润滑的节点在3 0 一4 0 个左右( 有的多达6 0 个) 。 虽然车辆在行驶时，这些运动节点温度不高，负荷不大，但裸露的注油嘴常和泥水、灰尘等脏物 接触且难以密封，因此，对车辆的主要技术性能及工作可靠性、行驶安全性等影响很大。国内普 遍通过人工定期压注油脂的方式进行润滑，其缺点是维修保养时间长，润滑状况不易检查；加脂 量难以准确掌握，常造成加脂过多浪费油脂或过少而损坏零件，甚至出现润滑点被遗漏加脂等情 况，而且操作人员劳动强度大、操作难度大；由于不是全密封环境，润滑点上的注油口容易被泥 沙堵塞，注油时极易将泥沙带入油道，从而加速运动件的磨损( 张桂荣，1 9 9 6 ，1 9 9 7 ：盛奎川、 宋慧芝等，盛奎川、钱湘群等，盛奎川、余有芳等，2 0 0 5 ) 。 底盘自动集中润滑技术解决了手动润滑所带来的一系列问题，实现了底盘封闭自动精确润 滑，有效地延长了底盘的寿命，减少了底盘的维护成本。据国外资料报道，一辆安装了底盘自动 润滑系统的车辆和老式的手工注油润滑车辆相比，前者单次维护里程数比后者延长4 5 万k i n ，延 长底盘大修2 4 个周期，总寿命延长4 5 倍。安装自动润滑系统的车辆出车率显著提高，底盘检修费 用也大为降低。车辆底盘自动集中润滑系统是替代人工加脂，改善底盘技术状况和提高车辆性能 档次的必然发展趋势( 盛奎川等，2 0 0 5 ) 。 我国高速公路网系发展迅速，到2 0 0 4 年底，总里程数达到了3 4 万k m 。根据交通部最新公 布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资2 万亿元，新建5 1 万k m 高 速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万k m 。这将给快捷方便的高速公路客运业带来一个质的飞 跃，使高速客运业成为一个新的投资热。另据我国“十五”汽车市场需求预测分析报告的预 测，我国汽车保有量和需求量非常大，见表1 1 。为了简化车辆底盘维护程序，提高出车率，降 低维护和修理费用，保障较大的经济收益，在其底盘上安装自动集中润滑系统将是必然的发展趋 势。 汽车及工程机械底盘的自动润滑在国外发展极为迅速，自动集中润滑系统已广泛用于各种公 路运输车辆上。国内由于技术性和经济性等原因目前还不能普遍应用自动润滑系统。有的豪华大 客车如西沃、厦门金龙、桂林大宇、扬州亚星等安装了国外生产的自动润滑系统，但价格昂贵。 在普通客车、卡车和工程机械上安装，价格上更难以接受。近年来，部分企业单位参考国外同类 产品的前提下，研制或仿制了一些自动集中润滑系统( 王冬妹，1 9 9 4 ：张桂荣，1 9 9 7 ：徐穆华， 1 9 9 7 ；臧铁钢等，2 0 0 4 ) ，但研制的产品在性能上尚有不少不完善之处。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 汽车保有量和需求量预测结果( 不含农用车) 万辆 随着计算机技术的飞速发展，基于p c 机的测试系统正向高速、高效、智能化、多功能化、多 样化方向发展。虚拟仪器技术就是当今最新计算机技术和最新仪器技术相结合的产物。虚拟仪器 是具有虚拟仪器面板的个人计算机测试仪器，它由通用微型计算机( p c 机) 、模块化功能硬件和 控制软件组成。操作人员通过显示屏上的虚拟仪器面板，来控制测试仪器的工作，完成对各种被 测信号的采集与控制、分析与处理、显示与输出。由于它的运行主要依赖软件，所以修改或增加 功能、改善性能都非常灵活，也便于利用p c 机的软硬件资源和直接使用p c 机的外设和网络功能。 虚拟仪器在性价比、灵活性和用户化方面，具有实际仪器不可比拟的优势( 雄洙等，2 0 0 0 ) 。 基于虚拟仪器的车辆底盘集中润滑系统工作特性测试可以有效地降低成本，方便地定义和扩 展仪器的测量功能。本课题研究目的在于应用计算机强大的软件功能实现润滑系统各种特性参数 的测试、分析和处理，获取系统的实际工作曲线，为集中润滑系统系列产品的研发提供理论依据， 实现润滑装置生产加工过程中各部件性能参数的快速在线检测和参数的优化调配，并为润滑系统 的故障检测提供依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车辆底盘自动集中润滑系统研究现状 自上世纪8 0 年代起，汽车底盘集中润滑系统己在发达国家进行深入研究并推广应用，许多 重型汽车如梅塞德斯一奔驰、沃尔沃等都已将集中润滑系统作为必装件( 丁立燕等，1 9 9 5 ) 。在 国外，著名的公司如德国v o g e l ( 福鸟) 公司、日本的l u b e 株式会社、美国的b i j u r 润滑集团 等从事润滑产品的开发、研究、制造已达几十年，集中润滑系统已相当成熟。近年来，韩国锦湖 产业股份有限公司也与德国福鸟公司合资研制开发了主要用于客车的自动集中润滑系统。 近几年这项新技术在我国汽车制造业中也正被推广应用。部分企业在参考国外同类产品的前 提下，自行设计制造了一些自动集中润滑系统，如上海五丰电液成套工程有限公司的z r x 型车用 自动集中润滑装置、宁波三浪工程机械有限公司的工程机械自动润滑系统、杭州万润汽车技术有 限公司的w r a 2 4 - - 4 5 型车辆底盘自动集中润滑装置、南京贝奇尔机械有限公司的行走机械集中润 2 浙江大学硕士学位论文第章绪论 滑系统和重型机械集中润滑系统、南京赛宝润滑技术有限公司的a g 自动油脂润滑系统等。 目前国内外有关底盘集中润滑系统的文献不多，且局限于对集中润滑系统产品的设计及研 制，主要是介绍产品的结构、特点、工作原理、安装、应用等方面( 王冬妹，1 9 9 4 ：张桂荣，1 9 9 7 ： 徐穆华，1 9 9 7 ；高戈，2 0 0 1 ：臧铁钢等，2 0 0 4 ) 。盛奎川等( 2 0 0 5 年) 针对目前车辆底盘自动控 制的方法和技术缺乏研究的现状，提出了单片机控制和液压控制结合的定时定量加脂的新控制方 法，并应用于研制开发的车辆底盘自动集中润滑系统中，取得了满意的效果? 系统通过设置压力 传感器实现主油路的压力控制和油泵工作时间的自动调节，通过配油器实现定量储油和将油脂输 送至各润滑点，通过电子监控器设定加脂间隔时间，实现自动加脂与故障报警功能。 通过文献检索，未见有针对底盘集中润滑系统的实际工作状态、工作曲线、特性参数等方面 的研究报道。 1 2 2 管路压力检测的研究现状 车辆底盘自动集中润滑系统工作时的特征信息主要体现在主油路压力特性上，因此可以通过 采集润滑系统主油路的动态压力波形来获取系统的实际工作曲线，实现润滑系统各种特性参数的 动态检测，并通过检测油路中油压的变化来判断润滑系统的润滑情况是否正常。 目前液压测量方法主要分为接触式和非接触式两类。接触式方法一般是在管道特定部位预先 接入压力仪表或者放入压力传感器，这种检测方法的优点是测量理论和技术成熟，设备成本较低， 可靠性高，测量精度较高。但也存在一些缺点，比如必须在管道系统的设计时预先确定测压部位。 一旦接入就很难改动，这种方法一般破坏了管道系统的整体特性，特别是高压管道易造成事故， 另外在有些场合根本无法安装接触式测量系统。 突破传统接触式测压方法的是非插入式液压检测，这是一种无需在液压管道上加工测压 l 、 安装压力计等程序，就能在管外检测出管内液体介质压力的测量方法。目前有两种思路，一种是 传统测压方法的延伸，根据液体压力作用下金属管道径向产生弹性变形的基本原理，通过检测管 道外径微小变形量即可解算出管道内部工作压力。对管道的微小变形量，可采用各种成熟的微位 移传感器配专用夹具来检测，例如，可以用线性可调差动变压器( l d v t ) j 拄行检测( j o n k ，1 9 8 9 ) ， 也可以采用变间距式电容传感器进行检测( 胡燕平等，1 9 9 6 ) 。如果将测压仪与示波器配合使用， 可测试管内的动态压力。张宪波( 2 0 0 5 ) 用挤压外卡式压电传感器来检测柴油机燃油喷射系统高 压油管内的压力波形，并结合虚拟仪器技术和神经网络实现柴油机燃油喷射系统的故障诊断。 另一种思路是受无损检测技术的启发，利用检测源提供检测介质，与被检测对象相互作用， 使检测介质的参数随被检物体状态变化而变化，从而可以产生多种信号，通过对某些信号的检测、 解释实现特定的检测目标。基于液压系统油液压力变化引起其声速变化这一物理特性，选择超声 波作为检测源，通过测量超声波在油液中传播的声速达到测量压力之目的。由于超声波方向性好、 能量高、穿透能力强、遇界面产生反射和折射等重要特性，从根本上突破了传统压力测试仪表的 感压元件必须和液体相接触这一限制，从而便于实现封闭液压系统多个部位内部压力的外部测 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 量。朱晓梅等( 1 9 9 7 ) 、房本慧( 1 9 9 8 ) 阐述了利用超声波对液压管路内压力从管外进行测试的 原理，介绍了测量系统的机构和原理，并对原理进行了验证实验，结果表明超声波管外测试液压 管路压力的方法是可行的，测量精度可达到一般工业压力表的精度。于凤等( 2 0 0 1 ) 利用安装于 管壁上的超声换能器测量出管内油液中的声速，经过数学模型处理后，实现液压管路压力的非插 入式测量。同时提出了“脉冲回波一穿透”组合检测方案，以自动克服壁厚影响并消除固有声电 延时。考虑到油液的声速不是压力的单一函数，而是压力、密度和温度的多元函数，为了同时校 正多种相互关联因素对测量精确度的影响，提出了神经网络综合校正模型。 由于计算机技术及测试技术的快速发展，越来越多的测试系统开始使用虚拟仪器技术来组 建。虚拟仪器技术的出现给压力管道检测工作提供了一种方便、快捷的解决方案。目前国内外已 有不少学者利用虚拟仪器技术进行压力检测。 闫世敏等( 2 0 0 1 ) 介绍 r t w 在液压管路系统压力测量中的应用，提出了一种编制具有实时 显示功能的高速数据采集软件的方法。采用研华8 1 8 h d 数据采集卡，解决了m a t l a b 中的r t w i 具箱应用中的一些细节问题，开发了采样频率为2 k h z 、可以同时实时显示3 处压力信号和1 处位移 信号的w i n d o w s 数据采集软件。 雷鸣等( 2 0 0 4 ) 介绍了一种h f 2 0 0 5 高压管道压力检测系统，该系统用压力传感器检测管道压 力信号，经信号调理后送a d 采集到计算机进行数据处理，其中软件用d e l p h l 6 开发，该系统已 经应用于某石油机械厂的高压管件测试。 胡江艺等( 2 0 0 3 年) 采用l a b w i n d o w s c v l 开发语言，结合na t i o n a l i n s t r u m e n t s ( n 1 ) 公司的 数据采集板卡开发了基于虚拟仪器的水轮机模型试验压力脉动测试系统，该系统具各波形存储记 录功能，具备实时分析处理波形数据的能力。由于记录的数据直接存储于计算机中，因此还可以 利用一些先进的计算软件对波形进行更为详细的分析，如功率谱分析、小波分析等，实现了波形 数据的共享，取得了令人满意的结果。 金彦等( 2 0 0 0 年) 采用声发射技术作无损检测手段，以l a b v i e w 软件作为开发工具进行了压 力管道无损检测的虚拟仪器上位机系统的研究工作。结果表明：结合诸如超声波、声发射等压力 管道检测技术手段，使用人员可以根据实际情况、不同习惯来开发适合自己具体应用的检测平台， 可以提高压力管道的检测工作的效率和有效性。 通过文献检索，未见有基于虚拟仪器技术的底盘集中润滑系统特性参数检测方面的研究报 道。 1 3 虚拟仪器技术 1 3 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由 用户自己设计定义，具有虚拟面板，其测试功能由用户开发测试软件来实现的计算机仪器系统。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输 出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的分析和处理、测量与调理，从而完成各 种测试功能的一种计算机仪器系统。它彻底改变了传统的仪器观，从根本上更新了测量仪器的概 念，代表测量仪器发展的最新方向和潮流，开辟了测量测试技术的新纪元。虚拟仪器的示意图见 图1 1 所示。 图1 1 虚拟仪器示意囝 虚拟仪器技术的基础是计算机系统，核心是软件技术。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统， 通过不同的软件编程，就可实现功能完全不同的测量仪器。因此，美国国家仪器公司提出著名的 口号：t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ( 软件就是仪器) 。可以说，组建现代化测控系统的成败很大 程度上取决于软件平台和工具以及相关硬件设备的选择。为了使“软件就是仪器”这句口号成为 现实，美国国家仪器公司在软件体系结构的各个层次上，形成了完整的设备驱动程序、系统开发 平台、实用支持软件、应用软件包相互支撑的格局，使虚拟仪器系统的概念不再“虚拟”。 1 3 2 虚拟仪器的构成 通常任何仪器都是由信号的采集和控制、数据的分析和处理、结果的输出与显示这三部分组 成的。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内，而虚拟仪器并不强调物理上的实现形式，它 是一种功能仪器，是将数据处理与分析和处理结果的最终显示由计算机调用相应的软件模块来完 成，是具有仪器功能的软硬件组合，它并不强调物理上的实现形式，只要提供一定的数据采集硬 件，就可以构成虚拟仪器。虚拟仪器构成原理框图见图1 2 所示。 图1 - 2 虚拟仪器构成原理框图 从构成要素讲，v i 系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的：从构成方式讲，则有以 d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c - d a q 测试系统，以g b i p 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的g b i p 系统、v x l 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无 论哪种v i 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等计算机平台，加上应用 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 软件而构成的，因此，v i 的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时显示出v i 的灵活性 与强大生命力( 魏相华，2 0 0 1 ) 。 1 3 _ 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过 与不同的接口总线的通讯，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元调配并组建 成为中小型甚至大型的自动测试系统。虚拟仪器与传统仪器的比较见表l 一2 ( 刘君华，2 0 0 3 ；林 丽兰，2 0 0 5 ) 。 表i - 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低 技术更新周期短( 1 2 年) 关键是软件 价格低，可复用与可重配置性强 用户定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展 与网络及其他周边设备方便的互联的面向应用的仪器系统 可以方便地进行二次开发 开发与维护开销高 技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是硬件 价格昂贵 厂商定义仪器功能 封闭、固定 功能单一、互联有限的独立设各 不能进行二次开发 1 3 4 虚拟仪器的应用 美国于1 9 8 2 年研制成功世界上第一台虚拟仪器，此后随着微电子技术、计算机技术、软件设 计技术、计算机网络技术的高速发展及它们在电子测量领域的广泛应用，使虚拟仪器技术得到迅 猛发展。虚拟仪器性能优越，成本低廉，用户可自行配置软件，这使虚拟仪器的应用范围不断扩 大，在国内外得到迅速发展。虚拟仪器在航空、通信、汽车、电力、半导体、生物医学等众多领 域得到了广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到 工厂，从探索研究到技术集成，都可以看到虚拟仪器应用的成果和开发的产品。从2 0 世纪9 0 年代 中期以来，国内重庆大学、啥尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、成都电子科技 大学、中科泛华电子科技公司等，在研究和开发仪器产品、虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、l i p 公司的产品等方面做了一系列有益的工作，取得了瞩目的成果( 彭长征等，2 0 0 5 ) 。 现在应用最多的虚拟仪器编程环境还是n i 公司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i ，它们占有超 过5 0 的全球市场份额。l a b v i e w 已成为测试与测量领域的工业标准，它所提供的众多开发工具 使得复杂的测试与测量任务变得简单易行：l a b v i e w 强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的 快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案：l a b v i e w 为科学家和工程 师提供了功能强大的高级数学分析库和专门的附加软件包，可满足计算和分析的需要。目前，用 6 浙江大学硕士学位论文 第一章结论 l a b v l e w 开发的测试系统已经数不胜数，表1 3 为用l a b v i e w 开发的一些比较成功的典型测试系 统。 表1 3 基于l a b v i e w 的典型虚拟仪器测试系统 典型测试系统 工业自动化 通信 汽车工业 船舶 纺织 光学 航空航天 电力 石油 生物医学 材料 机电 环境 电子 1 、机器运行状态监控、多任务控制和温湿度测试系统 2 、基于l a b v i e w 的模糊控制位置纠偏系统 1 、移动电话的在线检测系统和通信信道测试中生成虚拟动力线路 2 、s d h p d h 远程测试系统 1 、油泵支架成品性能综合检测系统及发动机测试台等各类实验台 2 、大众宝来a 4 轿车雨刮电机测试系统3 、车灯配光检测系统 分布式实时在线船舶仿真系统 1 、服装面料的质量测定2 纱线动力张力监测系统 红外线成像组件测试分析系统 l 、卫星功能测试系统2 、航天机载附件的a t e 测试系统 1 、核电站数字地震监测系统2 、变压器通用测试系统 原油管道泄漏监测系统 1 、心电及脑电数据采集系统2 、医药产品的标签检测 纳米材料动态测量交流b h 曲线测试仪 l 、压缩机性能测试系统2 、高炉鼓风机组状态监测系统 3 、基于l a b v i e wr t 的实时高速控制系统 大气腐蚀检测与监测系统 1 、印刷电路板自动测试系统和晶体生长精密温度控制系统 2 、多功能静动态参数测试系统 虚拟仪器的突出优点以及在设备检测和故障诊断方面的成功应用，为底盘集中润滑系统的特 性研究及故障诊断提供了全新的思路和方法 1 4 本课题的研究内容 本课题获得浙江省科技厅立项项目“车辆底盘自动集中润滑装置的研制”( 项目编号： 2 0 0 3 c 3 1 0 5 1 ) 的资助，以浙江大学现代农业装备及自动化研究所与杭州万润汽车技术有限公司研 制开发的w r a 2 4 4 5 型车辆底盘自动集中润滑系统为研究对象，主要研究内容如下： ( 1 ) 基于虚拟仪器的车辆底盘集中润滑系统工作特性参数的检测方法研究 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 研究车辆底盘集中润滑系统的结构特点和工作过程；研究润滑系统特性参数测量仪器和相应 传感器的功能集成：根据传感器的信号特点设计并制作相应的信号调理电路：研究数据采集方案， 选用合适的数据采集板卡，用l a b v i e w 软件构建车辆底盘集中润滑系统虚拟仪器动态测试平台。 ( 2 ) 基于虚拟仪器的车辆底盘集中润滑系统压力参数的检测和相关性分析研究 研究润滑系统主油路压力变化特性及管路损失等特性参数的测试方法和特征信息的提取方 法：研究润滑脂温度、润滑点数、主油管长度等因素对压力特性曲线及参数的影响。 ( 3 ) 基于虚拟仪器的底盘集中润滑系统故障检测方法研究 研究集中润滑系统故障工况下主油路压力波形及特征参数的变化规律，为系统故障的快速诊 断和排除提供理论依据和指导。 ( 4 ) 车辆底盘集中润滑系统配油器排量均匀性研究 研究润滑系统关键部件配油器输油压力及排量等特性参数，研究配油器安装位置、润滑点数、 主油路长度等因素对不同规格配油器排量均匀性的影响。 8 浙江大学硕士学位论文第二章车辆底盘自动集中润帽系统 第二章车辆底盘自动集中润滑系统 2 1 润滑系统的组成及工作原理 2 1 1 润滑系统的组成 本文研究的车辆底盘自动集中润滑系统主要由电动泵、配油器( 分配器) 、电子监控器、压 力传感器( 压力开关) 和管路元件等组成( 盛奎川等，2 0 0 5 ) ，如图2 一l 所示。主要组成部分及 作用如下： 囤2 1 车辆底盘自动集中润滑系统的组成示意图 ( 1 ) 电动泵：电动泵由直流电机、齿轮泵、溢流阀和自控平衡式卸荷阀等组成，结构原理 见图2 2 所示。直流电机带动齿轮泵沿压油方向旋转，油箱内的油脂被齿轮泵吸入并压送至齿轮 泵出口。外啮合立式微型齿轮泵既输送油脂，同时又把电机的机械能转换成输送到系统中去的油 脂的压力能，对配油器和卸荷阀产生作用。溢流阀通过溢流口的泄压，使液压系统的压力维持稳 定，实现稳压或限压作用。本系统的溢流阀仅起安全阀的作用，当系统出现意外故障，主油管压 力上升到溢流阀控制压力时，溢流阀开启溢油，以保护油泵和管路密封件。此外，系统不需溢流 阀调节压力，避免了高压油脂经溢流阀泄回油箱，使油箱内的油脂充入气泡的不良现象发生。自 控平衡式卸荷阀无需另设独立外控油路，根据管路内油脂的流动方向和压力的变化，自动控制阀 芯的位移和卸荷口的开关状态，实现主油路的及时卸压。 ( 2 ) 配油器：配油器将主油管内润滑系统的润滑油脂精确定量，并将其自动送至各润滑点， 以满足不同的润滑要求。配油器主要由弹簧压套、供油弹簧、储油柱塞、配油器壳体、出油口、 出油螺钉、止回阀、支撑弹簧、进油口等组成，结构原理如图2 3 所示( 盛奎川等，2 0 0 5 ) 。 9 浙江大学硕士学位论文第二章车辆底盘自动集中润滑系统 6 5 4 3 2 l 8 9 齿轮泵2 卸荷阀3 溢流阀4 油箱托架5 油池6 油池盖 7 电机8 加油总成9 油箱外罩 图2 2 电动润滑泵结构示意图 i 弹簧压套2 供油弹簧3 储油柱塞4 配油器壳体5 出油口 6 出油螺钉7 止回阀8 支撑弹簧9 进油口 图2 3 配油器结构简图 当油泵向润滑系统的配油器供油时，在油压作用下，止回阀阀芯的平端面将出油接头的出 油孔紧紧堵死：碗形唇边在油压下被挤压变形，使进油口和储油腔连通，油脂从进油1 2 1 经止回阀 o 浙江大学硕士学位论文第二章车辆底盘自动集中润滑系统 进入配油器储油腔内。随着油脂输入腔内，储油柱塞上升，在储油的同时推动供油弹簧压缩储能。 当油泵停止工作，主油路卸荷后，储油腔和主油路的压差推动止回阀左移，关闭进油口，打开出 油口，使储油腔与出油口连通。腔内油脂在供油弹簧压力下从出油口经接受管注入各润滑节点。 ( 3 ) 电子监控器：电子监控器以p 1 c 单片机为核心，是实现自动集中润滑过程的关键部分， 负责时序控制、数据采集及处理等工作，其硬件组成框图见图2 - - 4 。它具有储存、记忆、显示、 控制、报警等功能。工作时根据车辆底盘各润滑点的负荷和相对速度，以及车辆的工作环境等条 件，选定供油时间间隔和监控时间，将其数据储存于控制器中。通过汽车发动机的点火开关的通 断来累计发动机的运行时间。当发动机累计运行时问达到电子监控器设定的供油间隔时，监控器 便发出指令，驱动油泵自动完成供油润滑；若发生供油故障，监控装置即发出报警信号，提醒操 作人员停车检查并排除故障。 复位电路l + p i c 苴 数据存储器b _ + 片 机 发动机一- 点火开关 图2 4 电子监控器硬件组成框图 主油路 压力信号 油泵 电机 ( 4 ) 压力开关：压力开关安装在距离电动泵最远的配油器主油路末端，通过检测主油路末 端压力，对油泵的实际工作时间进行自动调节，保