CN105203054B - 基于γ射线的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台 - Google Patents
基于γ射线的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，包括固定在测试平台上的柴油机缸套‑活塞往复运动模拟台架、数据采集装置、数据处理装置；柴油机缸套‑活塞往复运动模拟台架包括柴油机气缸体、与气缸体配合的缸套、位于缸套中的活塞、台架动力单元；数据采集装置包括油膜厚度检测装置，准直γ放射源装置放射准直γ射线，穿透活塞裙部外侧、油膜和缸套，被探头接收，用于表征油膜厚度。本平台无需在缸套上穿通孔，且准直γ放射源装置镶嵌于活塞裙部内侧，对缸套‑活塞影响较小，γ射线稳定且不受电磁干扰，可方便有效的采集到缸套‑活塞之间的油膜厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种柴油机缸套-活塞之间油膜厚度检测模拟测试平台，具体为一种基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台。
背景技术
未来十年中，内燃机决定了车辆与船舶在行驶过程中有害物质排放量的多少，因此节能减排是汽油机和柴油机降低燃油耗和有害气体排放的最为有效的措施，这对内燃机的效率和可靠性提出了更高的要求。就内燃机而言，尽量降低摩擦损耗，能进一步提高内燃机效率，挖掘降低CO2排放的潜力。研究表明，在内燃机的摩擦损失中，大约45%～65%来源于由活塞和缸套组成的摩擦副。缸套-活塞是内燃机中最重要的摩擦副之一，因此深入研究缸套-活塞的摩擦磨损规律，减少其磨损量，降低该摩擦副的摩擦功耗，对提高内燃机效率，延长内燃机使用寿命都具有重要意义。
早期人们在利用透明缸套所进行的试验中发现，在活塞裙部与缸套极小的间隙内存在一层油膜。这层油膜通过润滑摩擦副和带走摩屑来减小摩擦，从而降低摩擦功耗，提高柴油机效率。同时这层油膜起到“垫子”的作用，可减小运行表面间的冲击，并起到防止活塞裙部和缸套直接接触的作用，可防止拉缸和局部磨损。在工作过程中，由于温度和外载荷的影响，活塞裙部将发生变形，其与气缸壁之间可能会出现局部间隙过小，产生咬缸、拉缸现象；或者间隙过大，增加机油消耗并产生敲缸、引起缸套穴蚀或噪声过大等现象；或者是变形后导致活塞裙部表面纹理不合理，使润滑油油膜难以形成，从而影响工作可靠性。目前的研究有赖于通过实验对润滑油膜进行实际测量，并与理论计算结果进行对比。
现如今船舶柴油机大多采用喷射式润滑，由于不知道具体需要多少润滑油才能达到良好的润滑效果，所以只能过度喷射，这会导致多余的润滑油进入气缸燃烧，造成巨大的经济损失、资源浪费，同时增加的尾气排放会加剧环境污染。内燃机润滑油用量控制有赖于缸套-活塞之间油膜厚度的实时监测。因而设计一种方便有效的油膜厚度测试装置意义重大。
国内外油膜厚度的检测方法有很多，有较为传统的接触电阻法、电容法和电涡流法等，有最新的激光位移传感器检测法、激光诱导荧光法（LIF）、粒子图像测速法（PIV）和超声波膜厚测量法等。但大多用于测试一个平面油膜或者轴承的油膜厚度，可对缸套-活塞之间的油膜厚度的测量一直是一个难题，在这方面做出的成果也非常有限。对现有的研究技术文献检索发现涉及到缸套-活塞之间油膜厚度测量的专利、文献或研究论文较少，与本专利相关的有以下几个：武汉理工大学的袁成清等人先后发明了两种缸套-活塞间油膜的测厚装置，都只涉及油膜厚度检测装置，不是完整的模拟测试平台。一是：一种基于激光传感技术的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置（专利公开号：CN202522201U），该装置可达到实时监测的目的，但需要在缸套上打通孔，因而会影响缸套性能，在缸套上安装激光位移传感器比较困难，而且由于缸套-活塞间油膜实际状态复杂，内部气泡的光学作用会降低激光检测精度；二是：基于电涡流的柴油机缸套与活塞环之间油膜厚度检测装置（专利公开号：CN203298717U），该装置的电涡流探头灵敏度较高，但是需要在缸套上打通孔以安装电涡流传感器，设置困难且影响缸套性能，而且电涡流技术要求的测量对象为导体，易受电磁干扰，测量的结果只是最小油膜厚度。大连海事大学的徐久军等人的专利：一种缸套与活塞组件摩擦力的测试装置及方法（专利公开号：CN104568275A）涉及的模拟平台主要针对摩擦力的测试，其发明点侧重于利用高压气体对活塞加载以模拟活塞负荷特性，该发明专利未涉及任何缸套-活塞之间油膜厚度的测量及其测量装置，而且其模拟平台制造成本较高。
迄今为止，缸套-活塞之间的油膜厚度的测量一直是一个很难突破的问题，已有的油膜厚度测试方法有各自的优点，但是分别存在设置困难、测量精度不高、容易发生短路以及易受电磁干扰等缺点，成果有限，要想应用到实际中还有相当一段距离。如何得到准确的缸套--活塞之间油膜厚度数据一直是内燃机摩擦学研究中的重要内容。
国内外油膜厚度的检测方法有很多，但大多用于测试一个平面油膜或者轴承的油膜厚度，可对缸套-活塞之间油膜厚度的测量一直是一个难题，在这方面做出的成果也非常有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，其特征在于：它包括测试平台、固定在测试平台上的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架、用于采集柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架中数据的数据采集装置、以及用于处理数据采集装置采集到的数据的数据处理装置；其中：
所述的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架包括柴油机气缸体、与气缸体配合的缸套、位于缸套中的活塞、以及用于让活塞往复运动的台架动力单元；
所述的数据采集装置包括油膜厚度检测装置，油膜厚度检测装置包括镶嵌于活塞裙部内侧的准直γ放射源装置和密封安装固定在气缸体通孔中并与缸套外壁紧密接触的探头，准直γ放射源装置放射准直γ射线，穿透活塞裙部外侧、油膜和缸套，被探头接收，用于表征油膜厚度；准直γ放射源装置位于活塞主、副推力侧，且当活塞运动到下止点时准直γ放射源装置仍然在气缸体内；探头接触点位置分别与活塞上止点、下止点以及一个自由运动点相对应，主、副推力侧各三个且对称布置。
按上述平台，它还包括用于为活塞与缸套间的往复运动提供润滑油的润滑装置，以及缸套加热装置；所述的数据采集装置还包括安装在缸套与气缸体之间的温度传感器。
按上述平台，所述的数据采集装置还包括设置在缸套底部的摩擦力传感器，以及用于采集台架动力单元的转速和扭矩的转速传感器和扭矩传感器。
按上述平台，它还包括用于模拟负载的活塞侧壁压力加载装置。
按上述平台，γ射线经过的气缸体位置外覆盖有屏蔽铅。
本发明的有益效果为：
1、本平台无需在缸套上穿通孔，且准直γ放射源装置镶嵌于活塞裙部内侧，对缸套-活塞影响较小，γ射线稳定且不受电磁干扰，可方便有效的采集到缸套-活塞之间的油膜厚度。
2、本平台还能够结合润滑油粘度等性质、温度、主轴转速、扭矩、缸壁摩擦力、负载等信号，经过信号处理，提取特征值，得到对应实验数据，为缸套-活塞间摩擦磨损特性和润滑油用量控制研究提供依据。
3、γ射线经过位置的气缸体外覆盖屏蔽铅以防止污染。
附图说明
图1为本发明涉及的模拟测试平台的前视图。
图2为图1的简略左视图以及测试部件基本布置图。
图3为图1的A-A’的简略剖视图。
图4为本发明涉及的模拟测试平台的台架底座图。
图中：1-压盖，2-螺栓，3-气环一，4-气环二，5-油环，6-活塞，7-活塞销，8-缸套，9-气缸体，10-水管接头，11-肋板，12-固定平板，13-连杆，14-平板支柱，15-曲轴，16-轴承座，17-飞轮，18-轴承，19-联轴器，20-电动机，21-变频器，22-流量控制器，23-润滑油喷口，24-屏蔽铅，25-探头，26-轴承垫块，27-台架底座，28-准直γ放射源装置，29-热电偶，30-探头感应部分，31-航空接头，33-油膜厚度信号，34-温度信号，36-其它信号（主轴转速、扭矩、缸套-活塞间摩擦力），37-信号放大器，38-工控机，39-转速传感器，40-扭矩传感器，41-上止点探测点，42-自由运动探测点，43-下止点探测点，44-恒温水箱，45-摩擦力传感器。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
如图1至图4所示，本发明提供一种基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，包括测试平台、固定在测试平台上的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架、用于采集柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架中数据的数据采集装置、以及用于处理数据采集装置采集到的数据的数据处理装置；其中
所述的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架包括柴油机气缸体9、与气缸体9配合的缸套8、位于缸套8中的活塞6、以及用于让活塞6往复运动的台架动力单元。本实施例中，缸套8设置在气缸体9中，采用压盖1和螺栓2固定，活塞上设有活塞环，包括气环一3、气环二4和油环5。台架动力单元由依次连接的变频器21、电动机20、联轴器19、刚性主轴、飞轮17、曲轴15和连杆13组成。测试平台包括台架底座27、轴承18、轴承座16、轴承垫块26、肋板11、固定平板12和平板支柱14，刚性主轴通过轴承18和轴承座16设置在台架底座27上，为了适应不同的高度，在轴承座16与台架底座27之间设有轴承垫块26，轴承座16上通过平板支柱14支撑有固定平板12，固定平板12上设置所述的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架，连杆13从固定平板12中穿过与所述的活塞6通过活塞销7连接，柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架四周通过肋板11固定。
所述的数据采集装置包括油膜厚度检测装置，油膜厚度检测装置包括镶嵌于活塞裙部内侧的准直γ放射源装置28和密封安装固定在气缸体9通孔中并与缸套8外壁紧密接触的探头25，准直γ放射源装置28放射准直γ射线，穿透活塞裙部外侧、油膜和缸套8，被探头25接收，用于表征油膜厚度；准直γ放射源装置28位于活塞6主、副推力侧，且当活塞6运动到下止点时准直γ放射源装置28仍然在气缸体内；探头接触点位置分别与活塞上止点、下止点以及一个自由运动点相对应，即如图2所示的上止点探测点41、自由运动探测点42、下止点探测点43，主、副推力侧各三个且对称布置。优选的，γ射线经过的气缸体位置外覆盖有屏蔽铅24以防止污染。
γ射线测厚原理：γ射线被物质吸收遵循负指数衰减定律。γ射线穿透物质的能力与γ射线的能量和物质衰减系数有关：物质衰减系数越小、γ射线能量越高，穿透能力越大。γ射线已经用于一些钢板厚度在线测量，橡胶生产，纸张厚度控制，石膏、药膏厚度控制，玻璃生产厚度测量，以及料位计和液位计等测厚测高领域。有研究分别对不同浓度（密度）的盐水溶液进行γ射线测厚，其实验结果表明：γ射线对盐水溶液的穿透率与盐水溶液的厚度呈负指数关系。基于γ射线测厚的缸套-活塞之间油膜厚度检测装置的基本原理为：已知所用润滑油、缸套及活塞裙部对特定γ射线的衰减系数，在缸套和活塞外侧厚度已知的前提下，就可以应用γ射线的测厚原理得到缸套-活塞之间油膜厚度的数据。
影响润滑油膜厚度的因素有：缸套和活塞配对副种类、发动机转速大小、负载大小、温度大小、润滑油量和粘性等。因此， 本实施例根据以上因素，采集各种所需的数据进行试验，为缸套-活塞间摩擦磨损特性和润滑油用量控制研究提供依据。
首先，增加用于为活塞6与缸套8间的往复运动提供润滑油的润滑装置，以及缸套加热装置；所述的数据采集装置还包括安装在缸套与气缸体之间的温度传感器。本实施例中，润滑装置包括润滑油喷口23及流量控制器22，缸套加热装置由恒温水箱44供水，通过水管接头10循环热水，维持缸套温度，通过安装在缸套8与气缸体9之间的温度传感器（例如热电偶29）实时检测温度。
另外，所述的数据采集装置还包括设置在缸套8底部的摩擦力传感器45，以及用于采集台架动力单元的转速和扭矩的转速传感器39和扭矩传感器40。
进一步的，它还可以包括用于模拟负载的活塞侧壁压力加载装置。
试验时，可预先选择不同的缸套-活塞配对副和润滑油，通过变频器21调节电机20的转速，通过流量控制器22调节润滑油供应量，通过缸套加热装置的恒温水箱44预设几种温度。
在数据的传输和处理部分，探头25内部由闪烁计数器、前置放大电路、简易信号处理电路组成，准直γ射线穿透活塞裙部外侧、油膜和缸套8，被探头25接收，探头感应部分30采集到的以射线能量信号表征的油膜厚度信号33、热电偶29采集的温度信号34以及摩擦力传感器45、转速传感器39和扭矩传感器40采集到的其它信号36一起通过航空接头31，利用引线传到信号放大器37，最后通过引线传给工控机38。工控机38通过软件对信号采集部分得到的信号进行数字滤波、数据处理等，得到油膜厚度、温度、摩擦力、转速以及扭矩等数据特征值。综合这些数据，结合缸套内壁磨损后表面图像等可为柴油机缸套-活塞间摩擦磨损特性评价和柴油机润滑油用量的控制研究提供依据。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，其特征在于：它包括测试平台、固定在测试平台上的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架、用于采集柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架中数据的数据采集装置、以及用于处理数据采集装置采集到的数据的数据处理装置；其中：
所述的柴油机缸套-活塞往复运动模拟台架包括柴油机气缸体、与气缸体配合的缸套、位于缸套中的活塞、以及用于让活塞往复运动的台架动力单元；
所述的数据采集装置包括油膜厚度检测装置，油膜厚度检测装置包括镶嵌于活塞裙部内侧的准直γ放射源装置和密封安装固定在气缸体通孔中并与缸套外壁紧密接触的探头，准直γ放射源装置放射准直γ射线，穿透活塞裙部外侧、油膜和缸套，被探头接收，用于表征油膜厚度；准直γ放射源装置位于活塞主、副推力侧，且当活塞运动到下止点时准直γ放射源装置仍然在气缸体内；探头接触点位置分别与活塞上止点、下止点以及一个自由运动点相对应，主、副推力侧各三个且对称布置。
2.根据权利要求1所述的基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，其特征在于：它还包括用于为活塞与缸套间的往复运动提供润滑油的润滑装置，以及缸套加热装置；所述的数据采集装置还包括安装在缸套与气缸体之间的温度传感器。
3.根据权利要求1所述的基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，其特征在于：所述的数据采集装置还包括设置在缸套底部的摩擦力传感器，以及用于采集台架动力单元的转速和扭矩的转速传感器和扭矩传感器。
4.根据权利要求1所述的基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，其特征在于：它还包括用于模拟负载的活塞侧壁压力加载装置。
5.根据权利要求1所述的基于γ射线测厚技术的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台，其特征在于：γ射线经过的气缸体位置外覆盖有屏蔽铅。
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