CN107179195A - 柴油机缸套‑活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机缸套‑活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，其包括台架模块、测控模块和辅助模块，其中：测控模块中测量部分置于台架模块中，测控模块中的控制部分置于台架模块旁；辅助模块置于台架模块周围。本发明可方便有效的采集到缸套‑活塞环之间的接触电阻，可以与缸套‑活塞环间的摩擦力和缸套内表面三维形貌相互验证。

Description

柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台

技术领域

本发明涉及柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，具体为一种基于缸套-活塞环间油膜接触电阻及该摩擦副摩擦力测试的整缸摩擦磨损试验机。

背景技术

缸套-活塞环作为内燃机最重要的摩擦副之一，其性能的好坏直接关系到内燃机的使用性能和寿命。研究表明，在内燃机工作过程中由缸套-活塞环引起的摩擦耗功占整个内燃机摩擦耗功的45％-60％，降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦耗功能够提高内燃机的动力性和经济性，同时也能够起到节能减排的作用，满足日益严格的排放法规的要求。因此，对缸套-活塞环的摩擦学性能研究对降低活塞环与缸套之间的摩擦损失和延长活塞环的使用寿命有极大帮助。

对缸套-活塞环的摩擦学性能的研究方法主要分为理论研究和试验研究。迄今为止，理论研究已经有一套比较成熟的系统；虽然有许多学者或机构也从试验方面对缸套-活塞环的摩擦学性能有一定研究，但是并不完善。试验研究主要是基于试验机进行，试验机主要是以下三个方面：

1.试样试验机。武汉理工大学自制的MWF-10微机控制的多功能往复摩擦磨损试验机和大连海事大学自制的往复式摩擦磨损试验机均属于往复式切片试验机，但是这种往复式切片试验机没有考虑到缸套-活塞环动力学的影响，很难模拟摩擦副的实际使用工况，且试验数据与实际情况或许有较大的差别。

2.柴油机改装的台架试验机。华南理工大学利用常柴ZN485Q型柴油机的改装设计成的活塞环-气缸套摩擦磨损试验机和武汉理工大学改装的摩擦磨损与振动模拟试验机即属于这种范畴，这种改装的台架试验机一般采用电机倒拖，但是台架改装较难且试验成本较高，尤其是摩擦系数、油膜厚度检测装置等难以布置。

3.实际试验机。在电机倒拖的未改装的实际柴油机甚至在着火状态下的实际柴油机上利用电容法、应变法和超声波测厚法采集缸套-活塞环的油膜厚度。实机试验周期较长，测量困难以及使用费用较高。此外，由于机械运转条件变化不定，偶然因素易影响测量数据的精确性和重复性，不利于研究摩擦磨损的规律性，也无法对影响摩擦磨损的因素逐个进行研究。

综合上面三种情况，目前使用较多的三种试验都有各自的不足之处，在实际的研究过程中，应根据试验的需要和具体的情况合理的取舍，对某一类型的试验机进行进一步的完善，以期达到好的试验效果及较低的试验成本。综合而言：得出台架试验具有另两种试验所没有的优点，台架试验是缸套-活塞环摩擦副摩擦学性能研究的最常用方法。

现有专利中涉及缸套-活塞环的摩擦学性能研究的整缸试验机很少，主要是应用缸套-活塞环切片试验的切片试验机，可简化试验条件、缩短试验时间，对缸套表面纹理设计及进一步试验具有指向作用，但与真实柴油机的运行状态存在一定的差异，且少有涉及缸套表面纹理结构对缸套-活塞环密封性能的研究。整缸试验试验无法采集摩擦力以及油膜厚度等数据，其分析手段有待改善。在基于γ射线的柴油机缸套活塞之间油膜测厚模拟测试平台(专利公开号：CN105203054A)专利主要是针对基于γ射线透射技术的测试缸套-活塞环之间油膜厚度的试验，没有涉及测控系统详细设置，但是对于摩擦力测试和数据采集系统的具体实现方式并未涉及。

鉴于此，本发明拟设计一种采集试验过程中缸套-活塞环间油膜的接触电阻和该摩擦副的摩擦力、缸压等数据的整缸摩擦磨损台架试验机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，以克服上述现有技术存在的缺陷。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，其包括台架模块、测控模块和辅助模块，其中：测控模块中测量部分置于台架模块中，测控模块中的控制部分置于台架模块旁；辅助模块置于台架模块周围。

所述台架模块包括缸盖、缸体及两者的连接固定螺栓，支撑缸体的固定平板及平板支柱，固定缸体的固定肋板及其固定螺栓，与缸体配合的缸套，位于缸套中的活塞以及让活塞运动的动力部分；整个台架模块通过台架底板置于台架底座上。

所述的活塞装有活塞环和油环，活塞的往复运动由曲柄连杆机构带动，动力部分由装在电机底座上的变频电机产生，并通过挠性联轴器传递过来，然后带动两个曲轴平衡轴齿轮转动，从而将动力传递给曲轴、曲柄连杆，带动活塞运动。

所述的曲轴通过曲轴轴承座装在台架底板上，曲轴平衡轴齿轮与装在平衡轴轴承座上的平衡轴曲轴齿轮啮合相连，平衡轴轴承座装在台架底板上，平衡轴曲轴齿轮的平衡轴通过紧固螺栓与台架底座底板相连。

所述的测控模块用于控制台架模块的启停，其包括测控PC，控制电机启停的变频器，防止干扰的变频器输出滤波器及变频器输入滤波器，以及测量电机运转速度的光电编码器、压电式加速度传感器和电荷放大器，其中：测控PC通过RS485～RS232串口将控制信号传递给变频器，实现电机启停和变速，变频器采用JS型变频器；压电式加速度传感器装在缸体内侧，其通过紧固螺钉与缸体紧密相连，与电荷放大器相结合测量缸体振动。

所述测控模块还包括接触电阻测量部分，其作用是测量缸套活塞环间的电阻；接触电阻测量部分包括连接在活塞油环和缸套的接触电阻引线以及接触电阻变送器所组成的回路，油环非摩擦面包有上耐高温、高压的绝缘纸，将引线穿过活塞油环槽上的布油孔，沿着曲柄连杆引出机体，与缸套电极引线一起，并由接触电阻变送器传递至NI信号接线盒由数据采集卡采集，并保存至测控PC中。

所述测控模块还包括摩擦力测量部分，其作用是测量缸套活塞环间的摩擦力；该摩擦力测量部分包括设置在缸套底部的摩擦力传感器，以及设置在缸体外的摩擦力传感器变送器，缸套底部开有螺纹孔配合有小平板，摩擦力传感器的上下螺杆、分别安装在小平板和机体固定平板的光孔之中，并用紧固螺母。

所述测控模块还包括布置在缸体内的用于检测缸套温度的温度传感器以及用于检测气缸压力的压力传感器。

所述辅助模块包括恒温装置、润滑装置、空气加载装置，分别起到包括控制试验变量温度、滑油注入量、压力的作用，其中：恒温装置由水泵、恒温水箱、水管接头组成，控制缸体与缸套间的水温温度；润滑装置由齿轮油泵、流量调节针阀、七路分油模块、滑油单向阀、缸盖滑油接头以及曲轴滑油接头组成，为活塞运动时给缸套以及平衡轴曲轴齿轮提供润滑；空气加载装置由空压机、空压机开关、空气单向阀气动接口组成，控制气缸内压力。

本发明提供的上述试验平台，其用于测量不同转速和不同气缸压力下缸套-活塞环间的油膜厚度和摩擦力。

本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1.本试验平台采用双摩擦力传感器，且置于缸套底部螺纹孔内，外界干扰小，可方便有效的采集到缸套-活塞环之间的摩擦力。

2.本试验平台可以改变多种不同的变量包括润滑油的注入量、转速、负载、温度等，采集不同变量数据并处理后，为缸套-活塞环间摩擦学性能以及缸套活塞环的密封性能提供试验数据依据。

3.本试验平台可以基于接触电阻测量缸套-活塞环间的油膜厚度，进一步为整缸缸套-活塞环间油膜测量提供一种方法。可以与缸套-活塞环间的摩擦力和表面三维形貌相互验证。表1为本发明部分处理后试验数据。

表1不同表面纹理结构缸套各平均值数据

附图说明

图1为本发明内容涉及试验平台的主视图及测控模块和辅助模块基本布置图；

图2为图1的简略左视图；

图3为图1摩擦力传感器布置局部主视图；

图4为图1摩擦力传感器布置局部左视图；

图5为接触电阻电路原理图。

图中：1.测控PC，2.RS485～RS232串口，3.数据采集卡，4.平衡轴曲轴齿轮，5.平衡轴轴承座，6.平衡轴，7.测控显示，8.曲轴平衡轴齿轮，9.曲轴轴承座，10.摩擦力传感器变送器，11.曲轴，12.接触电阻变送器，13.摩擦力传感器，14.NI信号接线盒，15.电荷放大器，16.缸套，17.曲柄连杆，18.温度传感器，19.缸体，20.活塞，21.油环，22.空气单向阀气动接口，23.压力传感器，24.缸盖滑油接头，25.缸盖，26.压电式加速度传感器，27.滑油单向阀，28.7路分油模块，29.流量调节针阀，30.齿轮油泵，31.固定肋板，32.水管接头，33.恒温水箱，34.固定平板，35.曲轴滑油接头，36.水泵，37.弹性联轴器，38.变频电机，39.平板支柱，40.光电编码器，41.空压机开关，42.空压机，43.电机底座，44.台架底板，45.变频器输入滤波器，46.变频器，47.变频器输出滤波器，48.台架底座，49.引线，50.上螺杆，51.下螺杆，52.上螺母，53.下螺母，54.小平板。

具体实施方式

本发明提供一种柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的综合试验平台，它包括台架模块、测控模块以及辅助模块。其中台架模块包含柴油机缸套、活塞以及活塞环的完整系统，为真实的模拟柴油机缸套-活塞环运行模式及工况提供基础；测控模块主要用于控制试验机运行以及采集运行过程中缸套-活塞环摩擦副的摩擦力和接触电阻值以及气缸压力和温度值；辅助模块主要实现试验运行过程中气缸温度、压力以及滑油注入量的控制。台架模块、测控模块以及辅助模块的相互配合，为缸套-活塞环间摩擦学性能及润滑特性的研究提供试验基础。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，其结构如图1所示，包括台架模块、测控模块以及辅助模块。其中：测控模块中测量部分置于台架模块中，测量模块中的控制部分置于台架模块旁；辅助模块置于台架模块周围。

所述的台架模块，其作用是为往复摩擦试验进行提供基础。该台架模块包括缸盖25、缸体19及两者的连接固定螺栓，支撑缸体19的固定平板34及平板支柱39，固定缸体19的固定肋板31及其固定螺栓，与缸体19配合的缸套16，位于缸套16中的活塞20以及让活塞20运动的动力部分。整个台架模块通过台架底板44置于台架底座48上。本实例中，活塞20位于缸套16中，该活塞装有活塞环(包括三个气环)和油环21，活塞20的往复运动由曲柄连杆17机构带动，动力由装在电机底座43上的变频电机38产生，并通过挠性联轴器37传递过来，然后带动两个曲轴平衡轴齿轮8转动，从而将动力传递给曲轴11、曲柄连杆17，带动活塞20运动。曲轴11通过曲轴轴承座9装在台架底板44上。曲轴平衡轴齿轮8与装在平衡轴轴承座5上的平衡轴曲轴齿轮4啮合相连，平衡轴轴承座5装在台架底板44上。平衡轴曲轴齿轮4的平衡轴通过紧固螺栓与台架底座底板44相连。

所述的测控模块是基于C语言编写的测控软件，包括系统管理、采集设备驱动配置、界面控制与交互管理、多线程高速数据处理、驱动层回调管理、实时数据与参数存储管理以及显示模块。它的作用是控制台架模块的启停，测量台架模块产生的数据并由测控显示7显示。该测控模块包括测控PC1，控制电机启停的变频器46，和防止干扰的变频器输出滤波器47及变频器输入滤波器45，以及测量电机运转速度的光电编码器40、压电式加速度传感器26和电荷放大器15，其中：测控PC 1通过RS485～RS232串口2将控制信号传递给变频器46，实现电机启停和变速，本例中变频器采用JS型变频器；压电式加速度传感器26装在缸体内侧，其通过紧固螺钉与缸体紧密相连，与电荷放大器15相结合测量缸体振动，本例中采用CA-YD-106型压电式加速度传感器以及DH-5862型电荷放大器。

所述的测控模块还应包括接触电阻测量部分，其作用是测量缸套活塞环间的电阻。接触电阻测量部分包括连接在活塞油环21和缸套16的接触电阻引线以及接触电阻传感器12所组成的回路，油环非摩擦面包有上耐高温、高压的绝缘纸，将引线穿过活塞油环21槽上的布油孔，沿着曲柄连杆17引出机体，与缸套16电极引线一起，并由接触电阻变送器12传递至NI信号接线盒14由数据采集卡3采集，并保存至测控PC中，本例中数据采集卡采用NIPCI6251采集卡。接触电阻变送器29的电路原理如5所示，图5中R1＝1KΩ、R2＝2KΩ、R3＝10KΩ、R4＝0.01KΩ、C1＝22μF、C2＝220μF，这些元件的数值也可根据实际情况而定。接触电阻变送器其实质上是一个的恒压源，与待测电阻组成回路，再从待测电阻两端引线，采集待测电阻两端的电压降信号，即可得到待测电阻值。利用金属导电性能与润滑油导电性能相差悬殊的特性检测摩擦副接触电压降，并利用油膜厚度与油膜电阻率之间的关系来计算摩擦副表面间的油膜厚度。在摩擦副两端加上恒压源，摩擦副被油膜完全隔开时，油膜接触电阻较大，电压降较大；而当油膜较薄时，摩擦副表面的微凸体刺穿油膜而接触，导通电流，电压降趋近小值。由此通过测量缸套-活塞环间油膜的接触电阻即可得到油膜的厚度数据。

所述的测控模块还应包括摩擦力测量部分，其作用是测量缸套活塞环间的摩擦力。该测控模块布置如图3所示，缸套16底部开有螺纹孔，摩擦力传感器13通过一个小平板54和上下紧固螺母52、53装于其中。通过小平板54拧入缸套16底部螺纹孔内，上螺杆50和下螺杆51分别由上螺母52和下螺母53紧固，并将引线49引出至摩擦力传感器变送器10。摩擦力传感器13将活塞20运动过程中缸套16与活塞环21间的摩擦力通过摩擦力传感器变送器10转换成电压信号，经信号接线盒14由数据采集卡3采集，再由测控PC 1保存，本例采用NIPCI 6251采集卡。

所述的测控模块还包括布置在缸体19内的用于检测缸套16与缸体19之间温度的温度传感器18，经信号接线盒14由数据采集卡3采集，再通过测控PC 1保存数据；位于缸盖25上测量气缸内压力的压力传感器23，经信号接线盒14由数据采集卡3采集，再通过测控PC1保存数据，本例数据采集卡3采用NI PCI 6251采集卡。最后通过测控PC 1，可得到接触电阻、温度、摩擦力、转速、气缸压力等数据，利用这些数据并结合试验后缸套表面三维形貌测量、活塞环磨损量测量和油液分析等分析手段可为缸套-活塞环的摩擦学性能提供综合的分析数据。

所述的辅助模块包括恒温装置、润滑装置、空气加载装置，分别可以起到控制试验变量温度、滑油注入量、压力等的作用。其中恒温装置由水泵36、恒温水箱33、水管接头32组成，控制缸体19与缸套16间的水温温度；润滑装置由齿轮油泵30、流量调节针阀29、七路分油模块28、滑油单向阀27、缸盖滑油接头24以及曲轴滑油接头35组成，为活塞20运动时给缸套16以及平衡轴曲轴齿轮4提供润滑；空气加载装置由空压机42、空压机开关41、空气单向阀气动接口22组成，控制气缸内压力。

本发明提供的柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，可准确测量缸套-活塞环间的油膜厚度，准确测量缸套-活塞环间的摩擦力，其工作过程如下：试验前称取活塞环质量，而后装机进行试验前的磨合，设置转速、温度、润滑油量以及缸压负载等变量，试验时采集试验中的缸套-活塞环间的摩擦力、接触电阻等数据，在试验后进行摩擦副表面三维形貌测量得到表面形貌参数，采集润滑油分析得到油液性质数据，称取活塞环质量以计算磨损量，综合分析这些特征参数得出相关研究结论。本发明为研究整缸缸套-活塞环间的摩擦学性能提供了一种有效的试验平台。

Claims (10)

1.一种柴油机缸套-活塞环摩擦磨损与润滑油膜测量的试验平台，其特征是包括台架模块、测控模块和辅助模块，其中：测控模块中测量部分置于台架模块中，测控模块中的控制部分置于台架模块旁；辅助模块置于台架模块周围。

2.根据权利要求1所述的试验平台，其特征是台架模块包括缸盖(25)、缸体(19)及两者的连接固定螺栓，支撑缸体(19)的固定平板(34)及平板支柱(39)，固定缸体(19)的固定肋板(31)及其固定螺栓，与缸体(19)配合的缸套(16)，位于缸套(16)中的活塞(20)以及让活塞(20)运动的动力部分；整个台架模块通过台架底板(44)置于台架底座(48)上。

3.根据权利要求2所述的试验平台，其特征是活塞(20)装有活塞环和油环(21)，活塞(20)的往复运动由曲柄连杆(17)机构带动，动力部分由装在电机底座(43)上的变频电机(38)产生，并通过挠性联轴器(37)传递过来，然后带动两个曲轴平衡轴齿轮(8)转动，从而将动力传递给曲轴(11)、曲柄连杆(17)，带动活塞(20)运动。

4.根据权利要求3所述的试验平台，其特征是曲轴(11)通过曲轴轴承座(9)装在台架底板(44)上，曲轴平衡轴齿轮(8)与装在平衡轴轴承座(5)上的平衡轴曲轴齿轮(4)啮合相连，平衡轴轴承座(5)装在台架底板(44)上，平衡轴曲轴齿轮(4)的平衡轴通过紧固螺栓与台架底座底板(44)相连。

5.根据权利要求1所述的试验平台，其特征是测控模块用于控制台架模块的启停，其包括测控PC(1)，控制电机启停的变频器(46)，防止干扰的变频器输出滤波器(47)及变频器输入滤波器(45)，以及测量电机运转速度的光电编码器(40)、压电式加速度传感器(26)和电荷放大器(15)，其中：测控PC(1)通过RS485～RS232串口(2)将控制信号传递给变频器(46)，实现电机启停和变速，变频器采用JS型变频器；压电式加速度传感器(26)装在缸体内侧，其通过紧固螺钉与缸体紧密相连，与电荷放大器(15)相结合测量缸体振动。

6.根据权利要求5所述的试验平台，其特征是所述测控模块还包括接触电阻测量部分，其作用是测量缸套活塞环间的电阻；接触电阻测量部分包括连接在活塞油环(21)和缸套(16)的接触电阻引线以及接触电阻传感器(12)所组成的回路，油环非摩擦面包有上耐高温、高压的绝缘纸，将引线穿过活塞油环(21)槽上的布油孔，沿着曲柄连杆(17)引出机体，与缸套(16)电极引线一起，并由接触电阻变送器(12)传递至NI信号接线盒(14)由数据采集卡(3)采集，并保存至测控PC(1)中。

7.根据权利要求5所述的试验平台，其特征是所述测控模块还包括摩擦力测量部分，其作用是测量缸套活塞环间的摩擦力；该摩擦力测量部分包括设置在缸套底部的摩擦力传感器(13)，以及设置在缸套(16)底部的摩擦力传感器(13)，缸套(16)底部开有螺纹孔配合有小平板(54)，摩擦力传感器(13)的上下螺杆(50)、(51)分别安装在小平板(54)和机体固定平板的光孔之中，并用紧固螺母。

8.根据权利要求5所述的试验平台，其特征是所述测控模块还包括布置在缸体内的缸套-活塞环间油膜接触电阻变送器(12)，以及用于采集变频电机转速的光电编码器(40)，检测缸套温度的温度传感器(18)，检测气缸压力的压力传感器(23)。

9.根据权利要求1所述的试验平台，其特征是所述辅助模块包括恒温装置、润滑装置、空气加载装置，分别起到包括控制试验变量温度、滑油注入量、压力的作用，其中：恒温装置由水泵(36)、恒温水箱(33)、水管接头(32)组成，控制缸体(19)与缸套(16)间的水温温度；润滑装置由齿轮油泵(30)、流量调节针阀(29)、七路分油模块(28)、滑油单向阀(27)、缸盖滑油接头(24)以及曲轴滑油接头(35)组成，为活塞(20)运动时给缸套(16)以及平衡轴曲轴齿轮(4)提供润滑；空气加载装置由空压机(42)、空压机开关(41)、空气单向阀气动接口(22)组成，控制气缸内压力。

10.根据权利要求1至9中任一所述试验平台的用途，其特征是用于测量不同工况条件下缸套-活塞环间的油膜厚度，和测量缸套-活塞环间的摩擦力。