CN108955975A - 一种标定气阀杆动态应变计的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种标定气阀杆动态应变计的装置，属于内燃机测试技术领域，采用高频响动态应变计和压电式加速度计的组合测试方案实现内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量。本发明提供的测量装置能够保证测试结果的准确性，建立本发明的测量装置不需要复杂的工艺设备和昂贵的专用仪器，测试成本低，并且操作简便，广泛适用于船舶、汽车内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量。

Description

一种标定气阀杆动态应变计的装置
技术领域
本发明涉及一种标定气阀杆动态应变计的装置，属于内燃机测试技术领域。
背景技术
内燃机是船舶、汽车、电站等领域应用较广泛的动力机械，具有热效率高、比油耗低、功率覆盖面大、转速范围宽、启动安全、维修方便等优点。但是，内燃机在工作过程中会产生较大的振动和辐射噪声。内燃机的振动不仅容易降低自身工作的可靠性，而且会通过机脚或基座传递给其他设备，从而干扰其他设备的正常工作。内燃机的噪声会直接对环境和人体产生损害。因此，低噪声设计成为内燃机振动和噪声控制的重要研究课题。
气阀与气阀座的敲击是内燃机重要的振动和噪声源。配气机构的动力学计算和优化设计是控制气阀敲击振动和噪声的有效途径。气阀与气阀座接触载荷的计算主要是通过在配气机构动力学计算程序中引入接触刚度和接触阻尼来实现。目前，气阀与气阀座的动态接触载荷缺乏有效的测量装置，这限制了利用动力学计算结果进行的配气机构低噪声设计工作。因此，建立气阀与气阀座动态接触载荷的测量装置以及相应的测量方法对于配气机构的动力学计算和低噪声设计具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种成本低、操作简便的标定气阀杆动态应变计的装置。
本发明的目的是这样实现的：一种测量气阀与气阀座动态接触载荷的装置，包括控制系统、电动机、转速转角测量仪、润滑系统、动态应变放大器、电荷放大器、数据采集器、计算机和被测配气机构或配气单元，电动机的输出端通过第一联轴器与转速转角测量仪连接，转速转角测量仪通过第二联轴器与被测配气机构或配气单元的凸轮轴连接，所述配气机构或配气单元的气阀杆与气阀头连接处贴有高频响动态应变计，所述高频响动态应变计与动态应变放大器连接，所述配气机构或配气单元的气阀头上安装有压电式加速度计，所述压电式加速度计与电荷放大器连接，转速转角测量仪、电荷放大器和动态应变放大器分别与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，所述润滑系统向被测配气机构或配气单元工作提供所需的润滑油，电动机与转速转角测量仪还分别与控制系统连接。
一种标定气阀杆动态应变计的装置，包括被测气阀、配套气缸盖、动态应变放大器、加载盘、等重砝码和稳定支撑架，所述被测气阀安装在配套气缸盖上，气缸盖倒置在稳定支撑架上，所述被测气阀杆与气阀头连接部位贴有高频响动态应变计，所述高频响动态应变计的电缆通过进气道或排气道引出后连接至动态应变放大器，所述被测气阀直接与加载盘连接，通过在加载盘加载和卸载等重砝码实现气阀杆动态应变计的标定。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.高频响动态应变计的最高响应频率不低于20kHz；压电式加速度计的最高响应频率不低于20kHz，加速度计质量不大于1/100的气阀质量。
2.动态应变放大器、电荷放大器与数据采集器的单通道带宽不低于20kHz。
3.总加载次数不少于20次，最大载荷不小于4倍的气阀弹簧预紧力，并且不大于6倍的气阀弹簧预紧力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明提供的装置实现了内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量，测量结果可以用于内燃机配气机构动力学计算结果的验证、动力学优化设计和低噪声设计。(2)本发明提供的装置采用的应变计和加速度计最高响应频率不低于20kHz，动态应变放大器、电荷放大器与数据采集器的单通道带宽不低于20kHz，避免了高频冲击分量的泄露；加速度计质量不大于1/100的气阀质量，有效控制了加速度计附加质量的影响。测试装置能够保证测试结果的精度。(3)本发明提供的装置利用电动机倒拖驱动配气机构的运行，采用高频响动态应变计和压电式加速度计进行测量，不需要复杂的工艺设备和昂贵的专用仪器，测试成本低，并且操作简便，广泛适用于船舶、汽车内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量。
附图说明
图1是本发明的内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量装置示意图；
图2是本发明的内燃机气阀杆应变计的标定装置示意图；
其中：1-控制系统，2-电动机，3-联轴器，4-转速转角测量仪，5-凸轮轴，6-传动链，7-气阀，8-气阀杆应变计，9-动态应变放大器，10-压电式加速度计，11-电荷放大器，12-数据采集仪，13-计算机，14-润滑系统，15-被测配气机构或配气单元，16-气缸盖，17-支撑架，18-加载盘，19-砝码。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，电动机2通过联轴器3与转速转角测量仪4连接，转速转角测量仪4通过联轴器3与被测配气机构或配气单元15的凸轮轴5连接。通过控制系统1实现电动机5的启动、停止和转速调节。转速转角测量仪4将凸轮轴5的瞬时转速反馈给控制系统1，将凸轮轴5的转角信号传递给数据采集器12。凸轮轴5通过配气单元传递链6驱动气阀7工作。气阀7上贴有应变计8，应变计8将气阀7的动态应变信号传递给动态应变放大器9，再传递给数据采集器12。气阀7底面粘有加速度10，加速度计10将气阀7的运动加速度信号传递给电荷放大器11，再传递给数据采集器12。数据采集器12将采集到的凸轮轴5的转角信号、气阀7的动态应变信号、气阀7的运动加速度信号传递给计算机13处理。通过润滑系统14向被测配气机构或配气单元提供运行所需的润滑条件。
如图2所示，将气阀7安装在配套气缸盖16上，并将气缸盖16倒置在稳定支撑架17上。气阀7上贴有应变计8，应变计8将气阀7的静态应变信号传递给动态应变放大器9。气阀7顶端直接与加载盘18连接。通过向加载盘18上加载和卸载等重砝码19实现气阀7上应变计8的标定。
本发明采用以下测试技术方案：
内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量装置由控制系统、电动机、转速转角测量仪、联轴器、润滑系统、高频响动态应变计、动态应变放大器、压电式加速度计、电荷放大器、数据采集器、计算机和被测配气机构或配气单元组成。
电动机通过联轴器与转速转角测量仪连接，转速转角测量仪通过联轴器与被测配气机构或配气单元的凸轮轴连接，从而带动凸轮轴旋转。通过控制系统实现电动机的启动、停止和转速调节。转速转角测量仪将监测到的凸轮轴瞬时转速反馈给控制系统，将监测到的转角信号传递给数据采集器。所述配气机构或配气单元的气阀杆与气阀头连接部位贴有高频响动态应变计，应变计的最高响应频率不低于20kHz。所述高频响动态应变计与动态应变放大器连接，动态应变放大器将应变信号传递给数据采集器。所述配气机构或配气单元的气阀头上安装有压电式加速度计。加速度计的最高响应频率不低于20kHz，加速度计质量不大于1/100的气阀质量。所述压电式加速度计将测量得到的气阀运动加速度信号传递给电荷放大器，电荷放大器与数据采集器，数据采集器与计算机连接，采集和处理凸轮轴转角信号、气阀杆应变信号和气阀运动加速度信号。动态应变放大器、电荷放大器与数据采集器的单通道带宽不低于20kHz。通过润滑系统向被测配气机构或配气单元工作提供所需的润滑油。
本发明提供的装置通过气阀杆应变计标定、凸轮轴转速转角测量、气阀杆动态力测量、气阀运动加速度测量、气阀与气阀座接触载荷计算来实现气阀与气阀座的动态接触载荷的测量，具体如下：
气阀杆应变计标定：将高频响动态应变计粘贴在气阀杆与气阀头连接部位，再将气阀安装回气缸盖上，配气机构或配气单元其他零件均不安装。应变计信号电缆通过进气道或排气道出口引出，并与动态应变放大器连接。将气缸盖倒置在稳定支撑架上，气阀杆直接与加载盘连接。在加载盘上逐次加载等重砝码，记录每次加载总质量和动态应变放大器的读数。总加载次数不少于20次，最大载荷不小于4倍的气阀弹簧预紧力，并且不大于6倍的气阀弹簧预紧力。加载测量完成后立即进行卸载测量，即在加载盘上逐次卸载等重砝码，并记录每次加载总重量和动态应变放大器读数。整理加载和卸载记录的数据，利用最小二乘法线性拟合计算得到气阀杆力与相应应变电压信号的关系，即灵敏度系数s。
凸轮轴转速转角测量：电动机输出轴通过联轴器与转速转角测量仪连接，再通过联轴器与凸轮轴连接。转速转角测量仪将监测到的凸轮轴瞬时转速反馈给控制系统，将监测到的转角信号D传递给数据采集器。同一转速下凸轮轴转角信号D与气阀运动加速度信号A和气阀杆应变电压信号U的测量同步进行。
气阀杆动态力测量：将配气机构或配气单元所有零件按照实际装配条件装配在机体或气缸盖上，气阀杆应变计的信号电缆通过进气道或排气道出口引出，并与动态应变放大器连接。动态应变放大器的输出端与数据采集器的输入端连接。数据采集器与计算机连接，采集和处理气阀杆应变电压信号U。根据关系式FS＝s×U计算得到气阀杆与气阀头之间的动态力FS。
气阀运动加速度测量：将配气机构或配气单元所有零件按照实际装配条件装配在机体或气缸盖上，气阀头底面贴有压电式加速度计，加速度计的引出电缆与电荷放大器连接，电荷放大器与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，采集和处理气阀的运动加速度信号A。
气阀与气阀座接触载荷计算：根据关系式FM＝m×A计算得到气阀头的惯性力FM。其中，m为气阀头的质量。再根据关系式FI＝FS+FM计算得到气阀与气阀座的动态接触载荷FI
用于测量内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的装置，包括控制系统、电动机、转速转角测量仪、联轴器、润滑系统、高频响动态应变计、动态应变放大器、压电式加速度计、电荷放大器、数据采集器、计算机和被测配气机构或配气单元，所述被测配气机构或配气单元的气阀杆与气阀头连接部位贴有高频响动态应变计，气阀头底面粘有压电式加速度计。所述高频响动态应变计与动态应变放大器连接，再连接至数据采集器。所述压电式加速度计与电荷放大器连接，再连接至数据采集器。所述高频响动态应变计和压电式加速度计的最高响应频率不低于20kHz，所述动态应变放大器、电荷放大器与数据采集器的单通道带宽不低于20kHz；所述压电式加速度计的质量不大于1/100的气阀质量。所述高频响动态应变计用来测量气阀杆与气阀头连接部位的动态力FS，所述压电式加速度计用来测量气阀的运动加速度A，通过动态力FS与气阀头惯性力FM的代数和计算得到气阀与气阀座的动态接触载荷FI。
用于标定气阀杆动态应变计的装置，包括被测气阀、配套气缸盖、动态应变放大器、加载盘、等重砝码和稳定支撑架，所述被测气阀安装在配套气缸盖上，气缸盖倒置在稳定支撑架上。所述被测气阀杆与气阀头连接部位贴有高频响动态应变计，所述高频响动态应变计的电缆通过进气道或排气道引出，连接至动态应变放大器。所述被测气阀直接与加载盘连接，通过在加载盘加载和卸载等重砝码实现气阀杆动态应变计的标定。总加载次数不少于20次，最大载荷不小于4倍的气阀弹簧预紧力，并且不大于6倍的气阀弹簧预紧力。
本发明属于内燃机测试技术领域，采用高频响动态应变计和压电式加速度计的组合测试方案实现内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量。采用高频响动态应变计测量气阀杆与气阀头连接部位的动态力FS，采用压电式加速度计测量气阀的运动加速度A，通过动态力FS与气阀头惯性力FM的代数和计算得到气阀与气阀座的动态接触载荷。应变计和加速度计的最高响应频率不低于20kHz，动态应变放大器、电荷放大器与数据采集器的单通道带宽不低于20kHz，避免了高频冲击分量的泄露；加速度计质量不大于1/100的气阀质量，有效控制了加速度计附加质量的影响。本发明提供的测量装置能够保证测试结果的准确性，建立本发明的测量装置不需要复杂的工艺设备和昂贵的专用仪器，测试成本低，并且操作简便，广泛适用于船舶、汽车内燃机气阀与气阀座动态接触载荷的测量。

Claims (2)

1.一种标定气阀杆动态应变计的装置，其特征在于：包括被测气阀、配套气缸盖、动态应变放大器、加载盘、等重砝码和稳定支撑架，被测气阀安装在配套气缸盖上，气缸盖倒置在稳定支撑架上，被测气阀杆与气阀头连接部位贴有高频响动态应变计，高频响动态应变计的电缆通过进气道或排气道引出后连接至动态应变放大器，被测气阀直接与加载盘连接，通过在加载盘加载和卸载等重砝码实现气阀杆动态应变计的标定。
2.根据权利要求1所述的一种用于标定气阀杆动态应变计的装置，其特征在于：总加载次数不少于20次，最大载荷不小于4倍的气阀弹簧预紧力，并且不大于6倍的气阀弹簧预紧力。
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