CN102175544A - 摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台，主要由机架工作台、主轴驱动装置、摩擦副模拟摆动机构、液压加载装置、液压控制系统、PC控制系统组成；该模拟试验台的PC控制系统采集扭矩传感器、压力传感器、转速传感器的信号，可实现加载力幅值、频率的控制，实验程序的运行与控制，数据采集、处理与存储，试验数据及试验曲线的显示及打印。依据模拟磨损试验应遵循系统关联准则、温度场相似准则、极限准则、磨损机理相同、磨损试验模拟性判断标准，以实际摆动摩擦副为测试对象，具有结构紧凑、载荷幅值、转速、加载频率可调等特点，可模拟发动机的不同工况，可对不同型号的摆动摩擦副的摩擦磨损特性进行测量。

Description

摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，尤其是涉及一种用于活塞式发动机的摆动摩擦副滑动轴承与轴的摩擦磨损试验台。

技术背景

发动机摆动摩擦副摩擦磨损试验通常分为一般性试样试验、台架试验及摩擦副模拟性试验。

一般性试样试验主要用于研究摩擦磨损机理、一般规律及材料的相对耐磨性，这种试验由于试验条件理想化，其结果难以直接用到某一具体场合中，但周期短、条件易控制、数据重复性、可比性好。广泛用于选材及表面处理工艺等的试验研究。台架试验在更接近摩擦副的实际工况条件下进行，数据可靠且真实，方法易于实现得到的试验结果最为准确，但其试验周期长、设备复杂、成本高、技术性强。该试验方法国外应用较广，国内有但应用不多。摩擦副模拟性试验主要是模拟某种零件的实际工作情况，因而针对性比较强。在零件批量投产之前应作这种试验，以便对其性能进行优化。但由于摩擦磨损影响因素的多样性和摩擦磨损过程的复杂性，要做到确切的模拟比较困难，要做多方面的考虑。

摩擦磨损试验的模拟问题是磨损试验技术中非常重要的课题，因为缺乏理论上成熟的相似准则，这种模拟试验比其他试验要困难得多。模拟磨损试验应遵循系统关联准则、温度场相似准则、极限准则、磨损机理相同、磨损试验模拟性判断标准。一般来说，模拟磨损试验系统中最多只对负荷、速度、时间、试样尺寸和形状这四种参数可以与实际摩擦系统不相同，在其它摩擦运动方式、摩擦状况、磨损机理、组成摩擦系统的各要素及其材料性质等方面，以及摩擦时的温度及摩擦温升、摩擦系数等参数，模拟系统必须与实际系统相同或相似。

常用的加载方式有机械式、液压式和电磁式三种。机械式加载又可分为杠杆加载、弹簧加载和重物直接加载或以上三种加载形式的组合，杠杆加载和重物直接加载系统的结构简单，载荷稳定，不存在负荷保持的问题，加载精度高，但当摩擦副运动不稳定时却会引起振动和冲击；弹簧加载产生的振动比较小，但是，弹簧加载的精度不高，难于实现负荷精确调整。液压式加载包括动压加载和静压加载两种，液压加载很难保持负荷稳定。电磁加载易于实现负荷的自动控制，但其弱点是控制部分的成本较高，而且在已有摩擦磨损试验机上使用还比较少。

发明内容

本发明的目的是解决以上现有技术所存在的不足和问题，依据模拟磨损试验应遵循系统关联准则、温度场相似准则、极限准则、磨损机理相同、磨损试验模拟性判断标准，以实际摆动摩擦副为测试对象，提供一种具有新型结构、可调整载荷幅值、转速、加载频率，可模拟发动机的不同工况，可测量发动机不同型号的摆动摩擦副的摩擦磨损特性试验台。

本发明的技术方案是：

摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台，包括机架、主轴驱动装置、摩擦副模拟摆动机构，其特征是：还包括液压加载装置、液压控制系统、PC控制系统；

所述的主轴驱动装置由驱动电动机、联轴器、传动轴、深沟球轴承、传动轴承座与转速传感器组成；所述的驱动电动机是变频电动机，电动机轴通过联轴器与传动轴的一端同轴相连，传动轴的另一端定位于传动轴承座内，传动轴承座固定在机架工作台上；所述的转速传感器与电动机轴或传动轴连接；

所述的摩擦副模拟摆动机构由曲轴、连杆、摇臂、调心轴承、旋转体、被测摩擦副零件滑动轴承与活塞销及扭矩测量装置组成；所述的曲轴固定在传动轴上，连杆的一端与曲轴通过滚针轴承配合联接，另一端通过销与摇臂相连，摇臂固定于旋转体上；被测摩擦副零件滑动轴承冷缩配合装于旋转体内，旋转体内嵌在调心轴承内，另一被测摩擦副零件活塞销穿过摩擦副零件滑动轴承，该被测摩擦副零件活塞销两端安装轴承，并装在两端的轴承座中，轴承座固定在机架工作台上面；

所述的扭矩测量装置由支架、扭矩传感器、转接件组成；所述的扭矩传感器与转接件、被测摩擦副零件活塞销同轴，通过螺栓压紧接触，扭矩传感器与支架相连接，支架固定在机架工作台上面；

所述的液压加载装置由油缸、压力测量装置组成；所述的油缸固定于机架工作台下面，压力测量装置安装在摩擦副模拟摆动机构的旋转体与机架工作台开设的矩形通孔之间；液压控制系统通过油管与油缸相连；

所述的PC控制系统采集扭矩传感器、压力传感器、转速传感器的信号，实现加载力幅值、频率的控制，实现程序的运行与控制，数据采集、处理与存储，试验数据及试验曲线的显示及打印。

本发明突出有特点和显著益效果：

1、该试验台载荷幅值、转速、加载频率可调，被测摩擦副是实际零件，可模拟发动机的不同工况，可测量发动机不同型号的摆动摩擦副的摩擦磨损特性。弥补发动机摆动摩擦副模拟性试验的国内空白，具有模拟性号，测量参数功能齐全，应用范围大等优点，使得试验效率大为提高，试验费用也大为降低。

2、该试验台设计采用系统关联准则、相似准则、极限准则，被测试件为真实的摆动摩擦副零件，在此基础上进行运动学和动力学相似设计了一种摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台。由变频电动机驱动的四连杆机构模拟发动机连杆的摆动，可实现不同转速的控制，液压加载系统模拟发动机不同的爆发压力。

3、利用该试验台进行发动机摆动摩擦副摩擦磨损性能试验，能够考虑不同型号发动机、不同工况的因素对摩擦材料性能的影响，可提高与台架试验数据的可比性水平，通过动摩擦副的模拟试验反映台架试验的结果。

4、该试验台适用于用于发动机摆动摆动摩擦副新产品开发的摩擦磨损特性试验，尤其是不同材料、不同工艺下摩擦副的配伍性研究。

附图说明

图1是本发明的摆动机构三维视图；

图2是本发明的摆动机构装配主视图；

图3是图2的摆动机构装配主视图A-A剖面；

图4是图2的摆动机构装配主视图B-B剖面；

图5是本发明的液压控制系统原理图；

图6是本发明的PC控制系统原理框图；

图7是本发明的电气控制主电路原理图；

图8是本发明的电气控制电路原理图；

图9是本发明的电气控制辅助电路原理图。

具体实施方式

以下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1、图2和图3所示，摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台，主要由机架工作台、主轴驱动装置、摩擦副模拟摆动机构、液压加载装置、液压控制系统、PC控制系统组成；将提供不同转速的主轴驱动装置通过轴承座固定在机架工作台1上，将用于安装被摩擦副零件中的滑动轴承6与活塞销13的摩擦副模拟摆动机构通过上下轴承座8、9也固定在机架工作台1上，液压加载系统的油缸35也通过螺栓固定在机架工作台1下。机架工作台可采用型材、钢板焊接而成，也可采用分件铸造，然后固结组装而成，不管采用哪种方式都要保证其具有足够的刚度和强度。机架工作台中部要加工一个矩形通孔，上面固定模拟摆动机构，下面固定油缸35，中间连结加载块18，加载块18与加载油缸35相接触的位置篏放压力传感器36，以方便对被测摩擦副零件加载压力的测量。油缸35通过油管与液压加载系统相连，最后在主轴驱动系统和摆动模拟机构的机架工作台上加一防护罩。该模拟试验台由PC控制系统采集扭矩传感器、压力传感器、转速传感器的信号，及发出控制指令并控制主轴驱动装置的转速、液压加载装置的压力等。

图2和图3所示，摩擦副模拟摆动机构。它由曲轴26、连杆23、摇臂19、调心轴承17、旋转体16、被测摩擦副零件滑动轴承6与活塞销13、加载块18及扭矩测量装置组成；所述的曲轴26通过定位顶丝28固定在传动轴29上，连杆23的一端与曲轴26通过滚针轴承24配合联接，另一端通过销21与摇臂19相连，摇臂19固定于旋转体16上；被测摩擦副零件滑动轴承6冷缩配合装于旋转体16内，旋转体16内嵌在调心轴承17内，另一被测摩擦副零件活塞销13穿过摩擦副零件滑动轴承6，该被测摩擦副零件活塞销13两端安装轴承15，并装在两端的轴承座(9)中。轴承座9分为上下轴承座，上下轴承座用内六角螺钉固定为一体，下轴承座内六角螺钉11与机架工作台1固定。

模拟发动机摆动摩擦副活塞销与滑动轴承在不同工况下的相对摆动，压力传感器36安装在加载块18与油缸35之间。扭矩测量装置由支架3、扭矩传感器4、转接件5组成；所述的扭矩传感器4与转接件5、被测摩擦副零件活塞销13同轴，通过内六角螺栓14压紧接触，扭矩传感器4用外六方螺钉与支架3相连接，支架3用螺栓固定在机架工作台1上。

液压加载装置由油缸35、液压控制系统、压力测量装置组成。所述的液压站通过油管与油缸35相连，油缸35通过螺栓固定于机架工作台1上，压力测量装置安装在油缸35与摩擦副模拟摆动系统之间。

图4所示，主轴驱动装置，它由驱动电动机、联轴器、传动轴29、深沟球轴承30、孔用卡环31、传动轴承座32、转速传感器组成。所述的驱动电动机是选用变频电动机，以实现对转速的无级调速，电动机轴通过联轴器与传动轴29的一端同轴相连，传动轴29的另一端通过孔用卡环31、圆锥销34定位于传动轴承座32内，传动轴承座32用内六螺栓33固定在机架工作台1上。转速传感器与电动机轴或传动轴连接。

所述的PC控制系统采集扭矩传感器、压力传感器、转速传感器的信号，用于实现加载力幅值、频率的控制，实现程序运行与控制，数据采集、处理与存储，试验数据及试验曲线的显示及打印。

本发明摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台液压系统原理：

图5所示，液压控制系统是由液压驱动电动机46、油箱38、空滤器40、蓄能器57、恒压变压柱塞泵44、风冷却器53、管路过滤器48、插装减压阀54、插装溢流阀55、伺服阀组成。所述的油箱38、液压驱动电动机46、蓄能器57、恒压变压柱塞泵44固定在液压控制系统底座上，风冷却器53、管路过滤器48、插装减压阀54、插装溢流阀55固定在油箱38上，伺服阀固定在油缸35上。

油箱38上安装有液位计39用于监控油箱油量，油箱38底部装有低压球阀37可进行油箱排污清理。油箱38进气口(进油口)装有空气过滤器40。电动机46通过泵套/连轴器45与恒压变量柱塞泵44相连，恒压变量柱塞泵44进油口通过可挠接头42、低压球阀37与油箱38相连。电动机46底角安装减震垫43以抑制电动机振动。恒压变量柱塞泵44泵油出口通过高压胶管47送往高压滤油器48对高压油过滤后，通过单向阀49送往蓄能器53，以保证系统正常压力，进行压缩能与压力的相互转换。蓄能器53进油管通过测压接头50、测压软管51安装压力表52以进行油管压力的监控。截止阀59安装在蓄能器53底端用于蓄能器的排油清理。油路经减压阀54使出口压力低于进口压力，并使出口压力自动保持稳定，然后通过高压胶管58向油缸35供油。在减压阀54与油缸35的中间通过测压接头50、测压软管51也装有压力表以测量油缸35的进油压力。油路的另一部分通过高压胶管与伺服阀相连，通过伺服阀控制油缸35向加载块18提供周期加载力。伺服阀的回油管路通过低压胶管经风冷器56冷却后流回油箱38。同时直动溢流阀55维持阀进口压力于恒定，系统多余油汇集伺服阀的回油及减压阀57后流回油箱38。在油箱38上还安装有双金属温度计65向控制系统反馈温度信息，计算机控制系统自动通过继电器对风冷器56实施控制。

本发明摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台电气控制原理：

图6所示，控制系统框图。摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台的电气控制采用PC控制系统，PC控制系统主要由工业PC机、PLC、数据采集和液压系统组成。人机交互方便；控制系统应用分散控制方式，采用数字化通信技术，其特点是数据处理迅速，集中显示操作，通用性强、系统组态灵活；控制系统分散化提高了运行的安全可靠性。

(1)工业PC机主要完成人机界面信息处理、数据输入和输出、状态显示、数据处理等功能，它与PLC通过RS485总线连接，从而实现相互间的通讯；

(2)数据采集系统实现数据采集和处理，实时采集主轴转速、摩擦扭矩、油缸压力、油箱油温的信号，经计算机处理后用不同颜色曲线进行显示；

(3)PLC通过RS485总线与变频器连接，实现对变频电动机的起动、停止控制，以及根据采集的转速信号实现加载频率的控制；

(4)液压系统用来对被测摩擦副载荷施加载荷，且载荷幅值可调。

图7、图8和图9所示，分别是该试验台的电气控制主电路、控制电路、辅助电路的原理图。

负荷开关QL1接通总电源，变频器上电，并与变频电动机M1连接，变频电动机通过继电器YA2进行控制，SB3为变频电动机M1启动按钮，SB4为变频电动机M1停止按钮，变频电动机M1接通工作时HL4亮。

负荷开关QL2为液压站电动机提供电源，通过接触器KM1主触头、热继电器FR1与液压站电动机M2连接，控制电路中SB1为液压站电动机M2启动按钮，SB2为液压站电动机M2停止按钮，并与热继电器FR1常闭触头、继电器YA1线圈串联，按下启动按钮SB1后，继电器YA1常开触头闭合，接触器KM1得电，主触头闭合，液压站电动机M2启动，HL2亮。

负荷开关QL3提供控制电路电源，负荷开关QL4控制为DC24V开关电源和DC10V开关电源，分别为辅助电路及传感器供电。

启动按钮SB5、停止按钮SB6及继电器YA3对风冷器进行控制，按下SB5为风冷器工作做好准备，HL5亮，由温度传感采集到的温度对风冷器进行启停控制。管路堵塞时LV1堵塞报警启动，HL3亮。

本发明摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台的工作原理

被试摆动摩擦副零件装于摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台上，在被试摆动摩擦副零件安装好后，合上所有负荷复合开关，变频器自动启动，同时启动PC工控机为试验做好准备。按下SB1启动液压电动机，按下SB5为风冷器运行做好准备。按下SB3启动变频电动机，变频电动机驱动摆动系统运转，通过PC机对变频电动机调速达到试验所需转速后，调节压力加载控制达到试验所需载荷，油液压力由压力调整阀控制，液压油经过伺服阀作用于油缸，进入试验状态。油缸压力作用于加载块后，并施加传递到被试摩擦副零件上。被试摩擦副零件之一的摩擦副滑动轴承进行摆动，被试摩擦副零件之一的活塞销相对静止，PC机通过与销相连的扭矩传感器，对被试摩擦副零件的扭矩进行采集并显示。同时压力传感器、转速传感器返回当前压力值、转速值，并在PC机窗口显示。当液压系统油温过高时系统自动启动风冷器对液压油进行冷却。试验完成后按顺序停止变频电动机、液压电动机，关闭PC机，断开电源。

试验过程中各试验参数，如主轴转速、加载压力均可调节以模拟被试摩擦副零件的实际工况，主轴转速、加载压力、摩擦扭矩、试验时间均可被测量，其数据存储于PC机，并可在实时显示，用于后续摆动摩擦副零件的摩擦特性分析。

试验结束后，先后拆下摆动机构上轴承座、旋转体，取出被试摩擦副零件，应用相关实验仪器进行被试摩擦副零件的磨损特性分析。更换不同型号、不同材料的被试摩擦副零件及旋转体，即可进行下次摩擦磨损模拟试验。

Claims (2)

1.一种摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台，包括机架、主轴驱动装置、摩擦副模拟摆动机构，其特征是：还包括液压加载装置、液压控制系统、PC控制系统；

所述的主轴驱动装置由驱动电动机、联轴器、传动轴(29)、深沟球轴承(30)、传动轴承座(32)与转速传感器组成；所述的驱动电动机是变频电动机，电动机轴通过联轴器与传动轴的一端同轴相连，传动轴的另一端定位于传动轴承座内，传动轴承座固定在机架工作台(1)上；所述的转速传感器与电动机轴或传动轴连接；

所述的摩擦副模拟摆动机构由曲轴(26)、连杆(23)、摇臂(19)、调心轴承(17)、旋转体(16)、被测摩擦副零件滑动轴承(6)与活塞销(13)及扭矩测量装置组成；所述的曲轴固定在传动轴(29)上，连杆的一端与曲轴通过滚针轴承(24)配合联接，另一端通过销(21)与摇臂相连，摇臂固定于旋转体上；被测摩擦副零件滑动轴承(6)冷缩配合装于旋转体内，旋转体内嵌在调心轴承内，另一被测摩擦副零件活塞销穿过摩擦副零件滑动轴承，该被测摩擦副零件活塞销两端安装轴承(15)，并装在两端的轴承座(9)中，轴承座固定在机架工作台(1)上面；

所述的扭矩测量装置由支架(3)、扭矩传感器(4)、转接件(5)组成；所述的扭矩传感器与转接件、被测摩擦副零件活塞销(13)同轴，通过螺栓(14)压紧接触，扭矩传感器与支架相连接，支架固定在机架工作台(1)上面；

所述的液压加载装置由油缸(35)、压力测量装置组成；所述的油缸固定于机架工作台(1)下面，压力测量装置安装在摩擦副模拟摆动机构的旋转体(16)与机架工作台开设的矩形通孔之间；液压控制系统通过油管与油缸相连；

所述的PC控制系统采集扭矩传感器、压力传感器、转速传感器的信号，用于实现对加载力幅值、频率的控制，实现程序的运行与控制，数据采集、处理与存储，试验数据及试验曲线的显示及打印。

2.按照权利要求1所述的摆动摩擦副摩擦磨损模拟试验台，其特征在于：所述的压力测量装置由压力传感器(36)、加载块(18)组成，压力传感器安装在加载块与油缸(35)之间。

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