CN107655431A - 高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量装置及方法，柱塞安装在柱塞套里，柱塞套开设有圆柱孔，圆柱孔里设置水槽，水槽与柱塞套之间形成密封容积，水槽上分别出水口和进水口，出水口与进水口之间设置换能器，换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上；柱塞套里设置温度传感器和压力传感器，与柱塞配合的曲轴上设置位置传感器，柱塞套的侧方设置换能器，换能器、多路复用开关、信号放大器、脉冲发生/接收器、数据采集器、显示及控制器依次相连，压力传感器和温度传感器连接数据采集器。本发明该方法采用非接触式测量，不会破坏柱塞偶件间隙的工作环境，更加真实的反应高压油泵工作过程柱塞偶件间隙动态变化规律。

Description

高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种间隙测量装置及方法，具体地说是柱塞副间隙测量装置及方法。

背景技术

高压共轨燃油系统因具有高喷油压力、喷油定时和喷油规律柔性可调等特点，是实现柴油机节能减排的核心技术之一，成为柴油机技术的发展方向。已有研究认为提高喷油压力可使柴油机的动力性、经济性均有所改善，排气烟度大幅度降低。因此，现有柴油机燃油系统追求更高的喷射压力和更灵活的喷油控制。然而，随着柴油机燃油喷射压力呈不断上升的趋势，对高压油泵的供油压力也提出更高的要求。高压油泵作为燃油喷射系统的动力来源，其泵油能力直接制约着系统最大喷射压力，而油泵泵油能力主要是由零部件的密封性和刚度决定的。供油压力的提高会导致油泵泄露呈指数增加，严重影响系统工作。因此，精确预测并控制高压油泵柱塞副的泄漏是柴油机高压共轨燃油喷油系统研制中的关键性课题之一，其对于提高高压油泵的泵油能力及整个喷油系统的工作可靠性至关重要。而掌握并控制油压升高所产生的柱塞副附加间隙的问题，则是解决泄漏精确预测的重中之重。

Fujimoto Hiroya在1990提出气缸变形的测量方法，通过安装一个耐高温的电感间隙传感器测量工作过程中气缸变形。

Kyogoku K.等人在1990年代对柱塞副润滑特性进行了研究,搭建了相应的试验装置,电涡流位移传感器和力传感器对油膜特性和柱塞与缸体间的摩擦力进行了测量,并讨论了摩擦特性与柱塞运动之间的关系。

Kleist A.在1995年确立了一种在径向柱塞机械中对柱塞和缸体离心运动等温间隙的解算方法,并搭建了测试样机进行测试,对轴向柱塞泵的柱塞副研究也有一定的指导意义。

浙江大学的徐兵、杨华勇等教授在其轴向柱塞泵的研究课题中，基于柱塞泵液固耦合的虚拟样机技术，选择电涡流法对柱塞副油膜厚度进行测量。并利用研制的柱塞副油膜特性测试泵在不改变柱塞泵原理性结构的条件下实现了柱塞副油膜压力场、油膜厚度和温度场的测试。

以上采用接触式测量方法测量油泵柱塞副间隙存在安装困难，工作环境恶劣，以及破坏测试环境等问题。因此，近年来国内外对油泵柱塞副间隙的测量研究较少。然而，随着非接触式测量技术的发展，采用非接触测量可以解决以上问题。非接触测量厚度问题主要包括光学法和声学法。光学法需要开设可视化视窗，难度较大，而声学法尽管具有温度和压力的影响，但是不需要改变测试环境，具有工程实用价值。

1973年Tattersall H G.通过超声脉冲法进行粘结测试，若嵌入介质I内的介质Ⅱ与I相比是薄层，则介质Ⅱ可由轻质弹簧替换。1985年Jong-Ryul Park等主要研究介质厚度、超声波频率和介质声阻抗对超声波脉冲回波方法测量液体膜厚度的影响。2004年R.S.Dwyer-Joyce和B.W.Drinkwater等分别对油膜厚度进行测量。分析不同理论测量方法适用的润滑油膜厚度范围，并设计了用于静态和动态油膜层的测量装置。

随后几年，Bruce W.Drinkwater研究团队对超声测量法做了进一步研究。2005年，Jie Zhang,Bruce W.Drinkwater等针对超声波技术缺乏校准程序的缺点，探讨润滑油膜厚度超声测量技术的校准，促进了超声测量技术的发展。2008年，他们对超声传感器线性阵列进行研究，并将垂直入射扩展到任何角度的斜入射超声波测量，对厚度为2～9μm的油膜进行了实验且测量精度较高。Hunter A J和Drinkwater B W研究了无损检测中自动聚焦问题，并利用超声阵列对复杂的几何形状进行了评估。

2011年，D.Gasni,M.K.Wan Ibrahim,R.S.Dwyer-Joyce研究了弹簧模型中粗糙表面接触时反射系数与刚度关系，得出反射系数不是直接与实际接触的面积有关，而是取决于表面接触微凸体的个数、形状和分布。同年Dwyer-Joyce.R.S研究了弹性流体动力润滑中边界润滑或混合润滑时超声膜厚测量机理，且通过实验对其进行验证。

国内学者对超声测量方法也进行了研究发展。2001年张锐等人在反射传递函数的基础上，提出频域定征方法和反向算法对弹性单层介质的声速、厚度和密度等参数进行定征。2007年，卢黎明研究利用脉冲发射法测量液体滑动轴承的油膜厚度，实验获得的结果与理论结果相符。2009年，焦敬品，张强等人研究了超声波在三层介质中的传播和影响反射系数的各种因素。对此方法进行实验分析，得到两侧介质材料改变对液体层厚度测量没有影响和测量结果只与被测层的材料性质有关的结论。2010年唐伟坤发表了题为“利用反射系数测量油膜厚度的研究”的文章。2013年申洪苗分析了超声波频率、超声波入射角度和润滑剂膜厚对反射系数的影响规律。

实际上，由于油泵在工作中，存在的泄露现象，油泵柱塞偶件之间存在着燃油，这层油膜的厚度可以反映柱塞偶件的间隙，因此通过测量油泵柱塞偶件间的油膜厚度就可以得到柱塞偶件的间隙。

发明内容

本发明的目的在于提供高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量装置，其特征是：包括显示及控制器、数据采集器、脉冲发生/接收器、信号放大器、多路复用开关、换能器、柱塞套、柱塞；柱塞安装在柱塞套里，柱塞套开设有圆柱孔，圆柱孔里设置水槽，水槽与柱塞套之间形成密封容积，水槽上分别出水口和进水口，出水口位于进水口上方，出水口与进水口之间设置换能器，换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上，并通过微调螺母调整轴向位置；柱塞套里设置温度传感器和压力传感器，与柱塞配合的曲轴上设置位置传感器，柱塞套的侧方设置换能器，换能器、多路复用开关、信号放大器、脉冲发生/接收器、数据采集器、显示及控制器依次相连，压力传感器和温度传感器连接数据采集器，显示及控制器分别连接位置传感器、脉冲发生/接收器、多路复用开关。

本发明高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量方法，其特征是：通过温度传感器和压力传感器得到柱塞内燃油的实时温度和压力，当需要采集柱塞副某处的间隙时，利用位置传感器得到柱塞的位置，当该位置处有相应的换能器时，显示及控制器发出指令，使对应的多路复用开关合并，使换能器工作；同时，显示及控制器再次发出激发脉冲发生/接收器指令，脉冲发生/接收器发出脉冲信号，经过多路复用开关激发换能器，换能器产生超声波，聚焦后射入柱塞副油膜，超声波反射信号被换能器接收，经过多路复用开关、信号放大器被脉冲发生/接收器接收，在经过信号采集到显示及控制器；该反射超声波信号经过滤波和FFT变换，变成频域信号，对于超声波反射前后的幅值，计算出反射系数，然后利用等效弹簧模型或谐振模型，计算出油膜厚度，即柱塞副间隙。

本发明的优势在于：利用等效弹簧模型或谐振模型，通过超声波测量柱塞偶件间隙中的油膜厚度，从而得到柱塞偶件间隙。该方法采用非接触式测量，不会破坏柱塞偶件间隙的工作环境，更加真实的反应高压油泵工作过程柱塞偶件间隙动态变化规律；同时，从传感器安装考虑，本发明不需要破环柱塞偶件，因此不存在传感器安装泄露和密封问题。

附图说明

图1为本发明柱塞副内部结构示意图；

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明基于等效弹簧模型或谐振模型，即两层介质之间的油膜厚度与入射超声波的反射系数有关，而在油泵工作过程中，油膜存在于油泵柱塞偶件副之间，因此测量油膜厚度可以得到柱塞偶件副的间隙。本发明包括显示及控制器11、数据采集器12、脉冲发生/接收器13、信号放大器14、多路复用开关15、换能器、温度传感器17、压力传感器16等部件。显示及控制器11控制脉冲发生/接收器13，并控制多路复用开关15，换能器产生并获得超声波信号，通过多路复用开关15、信号放大器14、脉冲发生/接收器13、数据采集器12进入显示及控制器11，数据计算后得到柱塞副间隙大小。温度传感器17和压力传感器16获得柱塞偶件内燃油的压力和温度数据，对计算后得到柱塞副间隙大小进行数据修正。

本发明可以包括多个超声波换能器，这些换能器通过多路复用开关15，实现一个测量通道可以完成对柱塞副多个高度位置的间隙测量。超声波换能器采用水浸式，利用循环水对换能器进行冷却。超声波换能器有一个轴向位置微调机构，用于调整换能器的焦距。包括一个曲轴18转角位置传感器19，用于计算得到柱塞的运动位置，实现对相应换能器激发超声波，并进行数据测量。

结合图1，本发明主要包括柱塞1、柱塞套2、水槽3、水耦合器4、出水口5、微调螺母6、换能器7、进水口8。

在柱塞套2加工有圆柱孔，水槽3安装在圆柱孔内，水槽3的没有底面，它和柱塞套2之间形成密封容积，为了防止水槽3与圆柱孔之间的泄露，在它们之间涂高温密封胶。

水槽3中通过进水口8和出水口5流入循环的冷却水，冷却水出口高于换能器7的水平高度，保证水耦合器始终淹没换能器7。

换能器7通过螺纹安装在水槽3的密封盖上，并利用微调螺母6调整轴向位置，调整换能器7的焦距，使得焦点位于柱塞副的接触面上，并锁定微调螺母6。

结合图2，本发明测量系统包括显示及控制器11、数据采集器12、脉冲发生/接收器13、信号放大器14、多路复用开关15、换能器、温度传感器17、压力传感器16和位置传感器19等部件。

多路复用开关15实现多个换能器的激发和数据采集。

温度传感器17和压力传感器16用于修正计算的柱塞副间隙。

位置传感器19用于计算柱塞副的位置，以激发相应位置的换能器。

显示及控制器11用于柱塞副间隙计算和修正，控制多路复用开关15，激发相应位置的换能器等功能。

本发明在实际应用中，利用温度和压力传感器16得到柱塞内燃油的实时温度和压力。当需要采集柱塞副某处的间隙时，利用曲轴18位置传感器19计算出柱塞副的位置，当该位置处有相应的换能器时，显示及控制器11发出指令，使对应的多路复用开关15合并，该换能器可以工作；同时，显示及控制器11再次发出激发脉冲发生/接收器13指令，脉冲发生/接收器13发出脉冲信号，经过多路复用开关15激发换能器，换能器产生超声波，聚焦后射入柱塞副油膜，超声波反射信号被换能器接收，经过多路复用开关15、信号放大器14被脉冲发生/接收器13接收，在经过信号采集到显示及控制器11。该反射超声波信号经过滤波和FFT变换，变成频域信号，对于超声波反射前后的幅值，计算出反射系数，然后利用等效弹簧模型或谐振模型，计算出油膜厚度，即柱塞副间隙。

通过设计在不同柱塞副高度位置和圆周位置布置多个换能器，可以得到油泵工作过程中柱塞副间隙的变化分布。

当油膜的厚度远小于超声波的波长时，采用等效弹簧模型计算油膜厚度；当油膜的厚度与超声波的波长相近时，采用谐振模型计算油膜厚度。

温度和压力对燃油的密度和声速有影响，不同的温度和压力下，燃油的密度和声速不同，因此，利用温度和压力传感器16对燃油的密度和声速进行修正，可以计算出相对精确的油膜厚度数值。

利用超声波测量高压油泵工作过程中柱塞副中油膜的厚度，从而计算得到柱塞副的间隙。

将超声波换能器安装在柱塞套上，换能器端面与柱塞副接触面之间距离5-12mm。

换能器采用水浸式聚焦型，换能器利用循环水进行冷却，并利用微调机构对焦距进行调整。

通过多路复用开关15控制，实现一个测量通道分时采集多个超声波换能器数据，完成对柱塞副多个高度位置的间隙测量。

在油泵的曲轴18上安装有一个曲轴18转角位置传感器19，用于计算得到柱塞副的运动位置，控制相应换能器激发超声波，并对反射波的数据进行测量。

Claims (2)

1.高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量装置，其特征是：包括显示及控制器、数据采集器、脉冲发生/接收器、信号放大器、多路复用开关、换能器、柱塞套、柱塞；柱塞安装在柱塞套里，柱塞套开设有圆柱孔，圆柱孔里设置水槽，水槽与柱塞套之间形成密封容积，水槽上分别出水口和进水口，出水口位于进水口上方，出水口与进水口之间设置换能器，换能器通过螺纹安装在水槽的密封盖上，并通过微调螺母调整轴向位置；柱塞套里设置温度传感器和压力传感器，与柱塞配合的曲轴上设置位置传感器，柱塞套的侧方设置换能器，换能器、多路复用开关、信号放大器、脉冲发生/接收器、数据采集器、显示及控制器依次相连，压力传感器和温度传感器连接数据采集器，显示及控制器分别连接位置传感器、脉冲发生/接收器、多路复用开关。

2.高压油泵工作过程中柱塞副间隙超声波测量方法，其特征是：通过温度传感器和压力传感器得到柱塞内燃油的实时温度和压力，当需要采集柱塞副某处的间隙时，利用位置传感器得到柱塞的位置，当该位置处有相应的换能器时，显示及控制器发出指令，使对应的多路复用开关合并，使换能器工作；同时，显示及控制器再次发出激发脉冲发生/接收器指令，脉冲发生/接收器发出脉冲信号，经过多路复用开关激发换能器，换能器产生超声波，聚焦后射入柱塞副油膜，超声波反射信号被换能器接收，经过多路复用开关、信号放大器被脉冲发生/接收器接收，在经过信号采集到显示及控制器；该反射超声波信号经过滤波和FFT变换，变成频域信号，对于超声波反射前后的幅值，计算出反射系数，然后利用等效弹簧模型或谐振模型，计算出油膜厚度，即柱塞副间隙。