CN109238714B - 高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速重载曲轴‑滑动轴承系统动态试验台。通过控制柜控制以电机经正时带带动曲轴、曲柄、连杆和活塞运动，并在其顶端施加载荷，模拟内燃机曲轴系运动和受力状态；采用刚度系数和长度恰当匹配的双弹簧模拟活塞上受到的爆压载荷，同时测得的受力曲线用缸压曲线标定；试验台曲轴‑滑动轴承部位设计了动态接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块和轴瓦温度测量以测量轴‑轴承动态接触碰撞力、运动状态和因接触摩擦产生的高温；有利于更真实的模拟轴‑轴承系统实际运动状态，填补目前内燃机零部件静态实验、难配置内部测试装置的整机试验和鲜考虑径向动态冲击载荷作用的传统滑动轴承试验装置的科研盲点。

Description

高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台

技术领域

本发明涉及内燃机台架试验设计领域，尤其涉及内燃机工况和载荷特性的滑动轴承动态模拟和间隙接触碰撞力测试试验台。

背景技术

内燃机是广泛应用在工程机械、农业机械、汽车、摩托车、国防等领域的动力装置，内燃机中有活塞环-缸套、活塞销-连杆小头、连杆大头-连杆轴颈、曲轴-滑动轴承几个主要的滑动摩擦副，其中曲轴是内燃机中将气缸中气体爆发压力转化成转矩的关键部件，其形状复杂同时承受复杂的变载荷作用；滑动轴承作为其重要的支撑部件，起到动力传递和骨架的作用。轴-轴承系统的动力学行为、摩擦学特性及疲劳强度对内燃机的工作可靠性耐久性、输出特性、振动和噪声影响很大，其工作状态和使用寿命直接影响整机的功能实现。

影响轴-轴承寿命的因素有载荷、间隙、工作温度、润滑、安装情况、腐蚀、材料缺陷等，轴承设计的最佳间隙要求油膜最大限度地平衡载荷变化等外部激励的扰动，但是随着内燃机强化程度的提高，其转速和爆压的进一步提高，高频的爆压冲击下导致服役过程中油膜无法完全承载而引起轴-轴承局部的接触碰撞，同时因高速转动产生的大量热不止影响润滑也会导致轴和轴瓦的热变形，影响内燃机效率甚至导致灾难性事故。

内燃机试验研究是其产品开发中至关重要的环节，其中关键零部件试验，如曲轴、轴承的可靠性试验，是分别对两个部件进行固定件进行疲劳试验，此种方法无法真是模拟运动副间动态作用过程；整机可靠性试验则是整台内燃机在台加上进行耐久试验，因轴-轴承的高速相对运动和封闭性很难测量关键参数；而现有的对滑动轴承的诸多试验装置的开发研究中，多是为了验证动压油膜的形成及润滑性能，对象简化成直轴-轴承、滑块-圆盘或传递轴向旋转运动的转子-轴承系统，鲜有内燃机这种承受变工况的高频爆压载荷的工作环境。疲劳累计损伤理论中指出，载荷的幅值最大值和平均值对材料的损伤影响显著，轴-轴承在服役过程中碰撞产生的突发的冲击载荷会加速材料的劣化、减少构件的剩余寿命，且随着内燃机向高功率密度方向发展，以及内燃机压缩比不断提高这些技术均加剧了内燃机的摩擦和磨损间隙的产生，并进一步对内燃机零部件的抗疲劳设计提出更高要求，对服役状态下的轴-轴承系统动态试验研究也显示出越来越大的重要性。

基于以上原因，高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台的研制有利于更真实的模拟轴-轴承系统实际运动状态，填补目前内燃机零部件、整机试验和传统滑动轴承试验装置的科研盲点，探明曲轴-轴承动态相互作用机制，对改进曲轴-轴承的设计以及内燃机服役过程中的载荷控制策略，提升整机和部件的可靠性具有重要的意义。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种模拟内燃机曲轴运动和轴-轴承受力特性的轴承间隙接触碰撞力测试实验台。

为解决该技术问题，本发明的技术方案是：

一种高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台包括控制柜、正时带轮组、转速传感器、电机、轴系支承、飞轮、曲轴、滑动轴承、轴承支承、燕尾槽导轨、连杆、滑块、接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块、轴瓦温度测量模块和活塞运动与外力加载、测量模块；曲轴分为输入轴段、主轴颈、曲柄和连杆轴颈；

控制柜通过导线与电机连接，电机输出轴通过正时带轮组带动轴旋转；曲轴通过两个轴系支承固定在台架底板上；曲轴左端安装转速传感器，飞轮安装在曲轴上，且位于两个轴系支承之间，输入轴段与主轴颈相连，主轴颈与曲柄壁相连，曲柄和连杆轴颈相连；连杆轴颈与连杆大头的内孔形成转动副，连杆小头的孔与滑块外侧的销形成转动副；曲轴与滑动轴承配合；滑动轴承通过轴承支承安装在其中一个轴系支承内；滑动轴承包括轴承座和轴瓦；

曲轴-滑动轴承配合处设置有接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块和轴瓦温度测量模块；活塞与竖直板上的燕尾槽组成竖直线性运动副，其顶部与活塞运动与外力加载、测量模块相连；

所述的接触碰撞力测试模块用于测量曲轴-滑动轴承系统之间的动态接触碰撞力；

轴心轨迹测量模块用于测量主轴颈的动态运动轨迹；

轴瓦温度测量模块用于测量轴瓦承载区内因轴颈-轴承动态接触摩擦后的温度分布；

活塞运动与外力加载、测量模块用于模拟内燃机气缸内爆发压力并加载到滑块上。

优选的，所述的接触碰撞力测试模块包括3个加速度传感器、电荷放大装置、动态信号采集分析仪和PC机；加速度传感器固定在轴承支承上，沿轴向分别安装在轴承的左则、中间和右侧，每个加速度传感器均分别通过电荷放大装置、动态信号采集分析仪连至PC机。

优选的，所述的轴心轨迹测量模块包括位移传感器安装架、位移传感器、前置处理装置、动态信号采集分析仪和PC机；环形的位移传感器安装架套在主轴颈左侧轴段，其中间截面上下左右四个位置打孔，4个位移传感器分别安装在位移传感器安装架的对应孔中，每个位移传感器通过前置处理装置、动态信号采集分析仪连至PC机。

优选的，所述的轴瓦温度测量模块包括多组温度传感器、信号采集系统和PC机；多组温度传感器焊接在轴瓦表面下方的温度传感器安装孔中，温度传感器连接至信号采集系统，信号采集系统连至PC机。

优选的，所述的温度传感器的布置方式为轴瓦周向布置三排温度传感器，轴瓦两端轴向各布置两排温度传感器。传感器引线通过轴瓦侧向打的孔连接至信号采集系统

优选的，所述的活塞运动与外力加载、测量模块包括双弹簧、载荷力传感器、弹簧导杆、滑动轴承、加速度传感器、金属片和滑块位移传感器；

滑块位移传感器平行布置在轴承滑动侧面，其测量方向与滑块顶面粘接的金属片对齐，弹簧导杆固定在活塞顶面，双弹簧与燕尾槽顶端的载荷力传感器连接；以双弹簧模拟内燃机缸内气体压力的载荷加载，通过恰当匹配两个弹簧的长度和刚度系数使其总体力-曲轴转角曲线与缸压曲线近似。

主轴颈润滑方式与仿真中柴油机曲轴主轴颈一致，即通过油泵在主轴承油孔处供油。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台可以真实地模拟内燃机部件的受载特性和相对运动状态，但其组成和结构更加简单明了；内燃机的曲轴-轴承密封在机体和机座中，给曲轴-轴承的受力参数、运动参数和温度参数测量带来很大困难，高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台的设计使以上参数的测量和数据导出得以实现；高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台的发明填补了目前内燃机零部件单独静态试验、整机试验难测量和传统滑动轴承试验装置关注稳态油膜的科研交叉盲点，并可以根据不同的机型更改加载曲线、轴承间隙配合、轴承材料和结构等，具有较大的灵活性，并能实现对多种机型进行模拟的功能。

附图说明

图1为试验台架系统示意图；

图2为缸压曲线示意图；

图3为轴-轴承接触碰撞力测试模块示意图；

图4为接触碰撞力测试模块标定流程示意图；

图5为轴心轨迹测量模块示意图；

图6为活塞力施加和测量模块示意图；

图7为轴瓦温度测量模块示意图；

图8为轴瓦承载区热电偶测点布置。

图中：控制柜1、正时带轮2、转速传感器3、电机4、轴系支承5、飞轮6、位移传感器安装架7、接触力测试模块8、曲柄9、燕尾槽导轨10、连杆11、滑块12、双弹簧13、载荷力传感器14、弹簧导杆15、轴承16、加速度传感器17、金属片18、位移传感器19、位移传感器20、温度传感器21。

具体实施方式

如图1、3、5、6、7所示，高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台包括控制柜、正时带轮组、转速传感器、电机、轴系支承、飞轮、曲轴、滑动轴承、轴承支承、燕尾槽导轨、连杆、滑块、接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块、轴瓦温度测量模块和活塞运动与外力加载、测量模块；曲轴分为输入轴段、主轴颈、曲柄和连杆轴颈；

控制柜通过导线与电机连接，电机输出轴通过正时带轮组带动轴旋转；曲轴通过两个轴系支承固定在台架底板上；曲轴左端安装转速传感器，飞轮安装在曲轴上，且位于两个轴系支承之间，输入轴段与主轴颈相连，主轴颈与曲柄壁相连，曲柄和连杆轴颈相连；连杆轴颈与连杆大头的内孔形成转动副，连杆小头的孔与滑块外侧的销形成转动副；曲轴与滑动轴承配合；滑动轴承通过轴承支承安装在其中一个轴系支承内；滑动轴承包括轴承座和轴瓦；

曲轴-滑动轴承配合处设置有接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块和轴瓦温度测量模块；活塞与竖直板上的燕尾槽组成竖直线性运动副，其顶部与活塞运动与外力加载、测量模块相连；

所述的接触碰撞力测试模块用于测量曲轴-滑动轴承系统之间的动态接触碰撞力；

轴心轨迹测量模块用于测量主轴颈的动态运动轨迹；

轴瓦温度测量模块用于测量轴瓦承载区内因轴颈-轴承动态接触摩擦后的温度分布；

活塞运动与外力加载、测量模块用于模拟内燃机气缸内爆发压力并加载到滑块上。

试验时由控制柜1控制电机4转速，电机4输出的动力带动正时带轮2、正时带输入轴系使其以设定转速转动；轴系中设置飞轮6以平衡转速波动，保持转速稳定，并由转速传感器3测量轴系转速；轴系的转动通过曲柄9、连杆11转换为活塞的竖直方向的线性平移运动；实验中加工不同间隙配合曲轴-滑动轴承配合付，以实现轴-轴承间隙的改变。

接触碰撞力测试模块如图3所示，接触碰撞力测试模块包括3个加速度传感器、电荷放大装置、动态信号采集分析仪和PC机；加速度传感器固定在轴承支承上，沿轴向分别安装在轴承的左则、中间和右侧，分别测量轴两端和中心的接触力；每个加速度传感器均分别通过电荷放大装置、动态信号采集分析仪连至PC机。

在测量前进行标定后，通过测量支撑座的振动加速度信号振动加速度信号可得轴-轴承碰撞力。标定方法如图4所示，在标定时，采用力锤敲击静止的主轴颈左侧端部，同时采集时域内的冲击力信号和加速度信号，通过对两组信号进行快速傅里叶变换转化为频域的信号。此装置中，冲击力信号作为输入信号，加速度信号作为输出信号，将输出信号与输入信号相除即可得传递函数。为考虑整个测试模块的非线性影响，采用不同大小的冲击力对测试模块进行标定。

如图5所示，所述的轴心轨迹测量模块包括位移传感器安装架、位移传感器、前置处理装置、动态信号采集分析仪和PC机；轴心轨迹测量模块是在主轴颈左侧安装一环形位移传感器安装架7，通过环形安装架圆心的水平面和竖直面在安装架上打孔，并将4个位移传感器安装在孔内两两对置，位移传感器测得的水平、竖直方向的位移分量经矢量合成可得主轴颈轴心轨迹。具体的环形的位移传感器安装架套在主轴颈左侧轴段，其中间截面上下左右四个位置打孔，4个位移传感器分别安装在位移传感器安装架的对应孔中，每个位移传感器通过前置处理装置、动态信号采集分析仪连至PC机。

轴瓦温度测量模块如图7所示，在轴瓦承载区易发生接触的轴瓦两边缘附近内表面1mm以下安装热电偶温度传感器21，引线通过轴瓦侧向打的孔连接至信号采集系统，然后连至PC机；热电偶布置方式如图8所示，周向3排、两端轴向各2排，共12个。

活塞所受外部载荷通过其顶部的双弹簧13加载，以模拟内燃机活塞受力，活塞运动与外力加载、测量模块示意图如图6所示，以双压缩弹簧模拟内燃机活塞受力，将测试载荷曲线与真实缸压曲线对比，通过选择两弹簧刚度系数的匹配使滑块12在运动过程中受力曲线与真实缸压曲线更接近；试验中选取多组双弹簧，匹配每组双弹簧的刚度系数和长度以表征不同工况下的爆压曲线，典型爆压曲线形状如图2所示；同时为了检测活塞运动，在载荷力传感器14旁安装一位移传感器19，对应其测量位置，在活塞顶部焊接一轻质金属片18，以方便位移测量。

Claims (2)

1.一种高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台，其特征在于：包括控制柜、正时带轮组、转速传感器、电机、轴系支承、飞轮、曲轴、滑动轴承、轴承支承、燕尾槽导轨、连杆、滑块、接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块、轴瓦温度测量模块和活塞运动与外力加载、测量模块；其中曲轴分为输入轴段、主轴颈、曲柄和连杆轴颈；

控制柜通过导线与电机连接，电机输出轴通过正时带轮组带动轴旋转；曲轴通过两个轴系支承固定在台架底板上；曲轴左端安装转速传感器，飞轮安装在曲轴上，且位于两个轴系支承之间，输入轴段与主轴颈相连，主轴颈与曲柄壁相连，曲柄和连杆轴颈相连；连杆轴颈与连杆大头的内孔形成转动副，连杆小头的孔与滑块外侧的销形成转动副；曲轴与滑动轴承配合；滑动轴承通过轴承支承安装在其中一个轴系支承内；滑动轴承包括轴承座和轴瓦；

曲轴-滑动轴承配合处设置有接触碰撞力测试模块、轴心轨迹测量模块和轴瓦温度测量模块；滑块与竖直板上的燕尾槽组成竖直线性运动副，其顶部与活塞运动与外力加载、测量模块相连；

所述的接触碰撞力测试模块用于测量曲轴-滑动轴承系统之间的动态接触碰撞力；所述的接触碰撞力测试模块包括3个加速度传感器、电荷放大装置、动态信号采集分析仪和PC机；加速度传感器固定在轴承支承上，沿轴向分别安装在轴承的左侧、中间和右侧，每个加速度传感器均分别通过电荷放大装置、动态信号采集分析仪连至PC机；

轴心轨迹测量模块用于测量主轴颈的动态运动轨迹，所述的轴心轨迹测量模块包括位移传感器安装架、位移传感器、前置处理装置、动态信号采集分析仪和PC机；环形的位移传感器安装架套在主轴颈左侧轴段，其中间截面上下左右四个位置打孔，4个位移传感器分别安装在位移传感器安装架的对应孔中，每个位移传感器通过前置处理装置、动态信号采集分析仪连至PC机；

轴瓦温度测量模块用于测量轴瓦承载区内因轴颈-轴承动态接触摩擦后的温度分布，所述的轴瓦温度测量模块包括多组温度传感器、信号采集系统和PC机；多组温度传感器焊接在轴瓦内表面1mm下方的温度传感器安装孔中，温度传感器连接至信号采集系统，信号采集系统连至PC机；所述的温度传感器的布置方式为轴瓦周向布置三排温度传感器，轴瓦两端轴向各布置两排温度传感器；

活塞运动与外力加载、测量模块用于模拟内燃机气缸内爆发压力并加载到滑块上。

2.根据权利要求1所述的高速重载曲轴-滑动轴承系统动态试验台，其特征在于所述的活塞运动与外力加载、测量模块包括双弹簧、载荷力传感器、弹簧导杆、滑动轴承、加速度传感器、金属片和滑块位移传感器；

滑块位移传感器平行布置在载荷力传感器侧面，其测量方向与滑块顶面粘接的金属片对齐，弹簧导杆固定在滑块顶面，双弹簧与燕尾槽顶端的载荷力传感器连接；以双弹簧模拟内燃机缸内气体压力的载荷加载，通过恰当匹配两个弹簧的长度和刚度系数使其总体力-曲轴转角曲线与缸压曲线近似。