CN102175166B - 柴油机缸套—活塞环油膜厚度检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种柴油机缸套-活塞环油膜厚度检测装置，属于油膜厚度检测领域，用于实时地准确记录柴油机工作过程中缸套-活塞环之间的油膜厚度。它包括光源、光纤传感器、数据采集部分和数据处理部分；所述光纤传感器的发射光纤与光源连接，光纤传感器的接收光纤与数据采集部分连接，其特别之处在于：所述光纤传感器的光纤传感器探头设置在缸套上并指向活塞，光纤传感器探头设置有两列，分别位于缸套的主推力面和副推力面上。本发明中，光纤传感器探头在缸套的主、副推力面上设置有两列，一方面能够实时测量活塞环运行至不同位置时的油膜厚度，另一方面，由于主、副推力面上缸套-活塞间的摩擦力最大，该处的油膜厚度能够最好的反映这对摩擦副的摩擦学性能。
Description
技术领域
本发明属于油膜厚度检测领域，具体地指一种柴油机缸套-活塞环油膜厚度检测装置。
背景技术
缸套-活塞环是内燃机中最重要的摩擦副之一，它的应用极为广泛，数以亿计的内燃机都采用这种摩擦副，其润滑性能的好坏对内燃机的动力性、可靠性、耐久性有着极大的影响。研究表明，内燃机在工作过程中由缸套-活塞环摩擦副引起的摩擦功耗高达整个发动机摩擦功耗的45～65％，所以缸套-活塞环的工作状况影响着内燃机的经济性、寿命和排放性能。其润滑性能好，在保证对燃烧室气体密封的前提下，活塞环一缸套间的摩擦力就小，内燃机的摩擦功耗也小；反之会造成相当大的摩擦功耗，而且还会导致缸套-活塞环的过度磨损，影响其使用寿命。因此这对摩擦副摩擦学性能的优劣直接影响着内燃机的性能。缸套-活塞环之间油膜厚度的变化和分布规律是内燃机摩擦学研究的重要内容之一，如果能准确的测量出这个厚度，对合理设计活塞环组、降低活塞环与缸套之间的摩擦损失、延长活塞环的使用寿命具有很大帮助。
润滑油膜厚度的检测方法有很多，常见的包括：接触电阻法、电容法、电涡流法、光干涉法、光纤传感器法、电容分压器法、超声波法、阻容振荡法、X射线法、激光衍射法、应变仪法等。这些方法各有其优缺点，但大多一般都用于测试一个平面油膜或者轴承的油膜厚度的，真正应用于对缸套-活塞环的油膜厚度进行测量的只有接触电阻法，电容法，电涡流法和光纤传感器法。
接触电阻法是通过在缸套和活塞环中埋设电极，然后测量油膜的接触电阻，利用油膜厚度与接触电阻之间的关系来测量的方法。由于在活塞环上埋设电极过于困难，且电极的绝缘也很难保证，所以现在应用很少。
电容法是一种比较成熟的技术。其原理是通过测量两物体之间的电容值来计算油膜厚度。如果已知润滑油的介电常数，根据油膜的电容值随油膜厚度增加而降低的变化关系，可相当准确地计算出油膜厚度。但该方法测出的只是平均膜厚，在部分膜状态下该方法就失去了功效，而且，该方法要求被测量的润滑油是非极性的。此外，实际应用于测量缸套-活塞环厚度时，一方面，导线及周围环境的分布电容往往很难准确估算，导致其测量精度不高；另一方面，极易发生缸套-活塞环的短路，特别是一旦活塞环发生倾斜，就会造成电容的短路。
电涡流法也是目前润滑油膜厚度测量的工程实用方法之一。电涡流传感器即是利用金属 导体的电涡流效应，将一些非电量转化为电量进行测量的一种传感器。它能准确测量被测金属物体与传感器探头端面之间的静态或动态位移，结构简单、测量精度高、灵敏度高、动态响应好，可实现非接触测量。但是它要求测量对象为导体，易受电磁干扰，测量的结果是最小油膜厚度，并且应用于测量缸套-活塞环油膜厚度时，存在活塞运行至缸套上止点处时活塞环脱离测量点的问题。
光纤传感器法是在1995年国际测量会议上首次被提出的测量方法。1996年12月美国密西根工学院的Lawrence.W.Evers教授及其研究生在实验室条件下研制成功测量油膜厚度的光纤传感器。测量油膜厚度的光纤传感器由两组光导纤维探头组成，一组发射光纤，一组接收光纤。由发射光纤把激光束发射到被测物体上，这束光的一部分被反射回来，被接收光纤接收，接收的光信号强度即可反映光纤前端与反射面的间隙(即为油膜厚度)。光纤传感器法精度高，抗干扰能力强，目前在柴油机的主要摩擦副——滑动轴承的油膜检测上有所应用，但是对于缸套-活塞环之间油膜的测量还没有应用，主要原因在于在缸套上设置检测装置和检测过程中对活塞环运行位置的把握都比较困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种柴油机缸套-活塞环油膜厚度检测装置，能够实时地准确记录柴油机工作过程中缸套-活塞环之间的油膜厚度。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种柴油机缸套-活塞环油膜厚度检测装置，包括光源、光纤传感器、数据采集部分和数据处理部分；所述光纤传感器的发射光纤与光源连接，光纤传感器的接收光纤与数据采集部分连接，所述光纤传感器的光纤传感器探头设置在缸套上并指向活塞，光纤传感器探头设置有两列，分别位于缸套的主推力面和副推力面上。
上述技术方案中，每列光纤传感器探头至少包括三个光纤传感器探头，各光纤传感器探头分别设置于活塞运动的上止点、中点和下止点。案中，所述接收光纤包括第一接收光纤和第二接收光纤；所述光纤传感器由三圈同轴式光纤构成，从内向外依次为发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤。
上述技术方案中，所述发射光纤和接收光纤均为多模光纤。
上述技术方案中，所述数据采集部分包括光电转换电路和采集卡，所述接收光纤与光电转换电路连接。
上述技术方案中，所述数据处理部分为工控机。
本发明的有益效果在于：光纤传感器探头在缸套的主、副推力面上设置有两列，一方面能够实时测量活塞环运行至不同位置时的油膜厚度，另一方面，由于主、副推力面上缸套- 活塞间的摩擦力最大，该处的油膜厚度能够最好的反映这对摩擦副的摩擦学性能。
采用三圈同轴式光纤、其中有两组为接收光纤，能够利用两组接收光纤接收的光强的比值计算油膜厚度，较传统的直接采用入射光纤和接收光纤的光信号强度比值，大大提高了测量精度。
由于多模光纤接收到的最大光强要比单模光纤高一个数量级左右，因此发射光纤和接收光纤均采用多模光纤，提高了测量的信噪比。
整个装置为开展缸套-活塞环的摩擦磨损和润滑研究提供了良好的基础。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构框图；
图2为图1中一个光纤传感器探头的截面图；
图中：1-缸套，2-活塞环，3-活塞，4-光纤传感器探头，5-发射光纤，6-第一接收光纤，7-第二接收光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一个具体实施例作进一步地详细描述：
如图1和图2所示，本发明的一种柴油机缸套-活塞环油膜厚度检测装置，包括光源、光纤传感器、数据采集部分和数据处理部分。其中：
光源通过电源转换电路连接电源，向光纤传感器发射光束；
光纤传感器由三圈同轴式光纤构成，从内向外依次为发射光纤5、第一接收光纤6和第二接收光纤7，发射光纤5与上述光源相连，第一接收光纤6和第二接收光纤7则与数据采集部分连接。为提高测量的信噪比，发射光纤5、第一接收光纤6和第二接收光纤7均为多模光纤。本实施例中光纤传感器探头4共六个，分别设置于活塞3运动的上止点、中点和下止点。光纤传感器探头4的安装方式可以为：在活塞3运动的上止点、中点和下止点分别打通孔，装入光纤传感探头4并使光纤传感探头4指向活塞3后采用高压玻璃密封技术封装，经修磨后基本与气缸壁平滑过渡；
数据采集部分包括光电转换电路和采集卡，光电转换电路与上述第一接收光纤6和第二接收光纤7连接，采集卡与数据处理部分连接，用于将光纤传感器采集的光信号A/D转换后输入数据处理部分；
本实施例的数据处理部分为工控机，工控机对数据采集部分得到的数字信号进行数字滤波、数据处理等，并通过显示界面实时显示缸套-活塞环油膜厚度的变化曲线。
本装置的工作原理如下：
通过对活塞3运行规律的计算，事先设定各光纤传感器探头4的开闭顺序及间隔时间，随着活塞3在缸套1内往复运动，活塞环2运行至相应的光纤传感器探头4时，相应光纤传感器探头4工作，并测量该处的缸套-活塞环油膜厚度。具体来说：光源提供的光束经发射光纤5进入光纤传感器探头4，光线在传输过程中，一部分到达油膜表面后直接反射进入第一接收光纤6，一部分穿过油膜到达活塞环2后反射进入第二接收光纤7，第一接收光纤6与第二接收光纤7接收光强的比值与油膜厚度存在一定的函数关系。设第一接收光纤6接收的光强为r1，第二接收光纤7接收的光强为r2，油膜厚度为t，比例系数为k，则存在如下关系：
该比例系数k可以由标定装置标定后得到。
光信号进入数据采集部分进行光电转换和A/D转换后进入工控机，计算的结果由工控机记录并由其上的显示器实时显示，这样就得到了油膜厚度的变化曲线。
本发明的保护范围并不限于该实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (1)
1.一种柴油机缸套-活塞环油膜厚度检测装置，包括光源、光纤传感器、数据采集部分和数据处理部分；所述光纤传感器的发射光纤与光源连接，光纤传感器的接收光纤与数据采集部分连接，其特征在于：所述光纤传感器的光纤传感探头设置在缸套上并指向活塞，光纤传感器探头设置有两列，分别位于缸套的主推力面和副推力面上；
每列光纤传感器探头至少包括三个光纤传感器探头，各光纤传感器探头分别设置于活塞运动的上止点、中点和下止点；
所述接收光纤包括第一接收光纤和第二接收光纤；所述光纤传感器由三圈同轴式光纤构成，从内向外依次为发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤；
所述第一接收光纤用于接收经油膜表面反射的光源；第二接收光纤用于接收穿过油膜道达活塞环后反射的光源；
所述光源提供的光束经发射光纤进入光纤传感器探头，光线在传输过程中，一部分到达油膜表面后直接反射进入第一接收光纤，一部分穿过油膜到达活塞环后反射进入第二接收光纤，第一接收光纤与第二接收光纤接收光强的比值与油膜厚度存在如下关系：
第一接收光纤接收的光强为r1，第二接收光纤的光强为r2，油膜厚度为t，比例系数为k，比例系数k由标定装置标定后得到。
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