CN110243707A - 船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，包括传动装置、模拟装置、加载装置、润滑装置、控制系统和监测系统，传动装置包括电机和齿轮箱，模拟装置包括偏心曲轴与活塞销座，偏心曲轴的偏心轴颈部分模拟活塞销，偏心曲轴的一端通过齿轮箱与电机连接，活塞销座套装于活塞销上，通过偏心轴段的挤压实现与活塞销同步运动；加载装置给活塞销座施加交变载荷，润滑装置将润滑油输送至齿轮箱和活塞销座内部；PLC控制系统分别与液压泵、滑油泵连接；监测系统包括信号处理模块和分布安装于试验装置各零部件上的传感器。本发明可以验证船用柴油机活塞销磨损监测系统，提供船用柴油机活塞疲劳磨损试验的方法，为活塞销—活塞销座材料匹配设计打下基础。

Description

船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置

技术领域

本发明涉及轮机工程技术领域，具体涉及一种船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置。

背景技术

作为柴油机的主要摩擦副之一，活塞销和活塞销座是柴油机的关键零部件和易损件。活塞销在运动过程中受力复杂，在曲柄连杆机构中，活塞销是能量由燃烧工质转换成曲轴的驱动扭矩并成为动力传递的关键点。在缸内压力和往复惯性力的综合施压下，活塞销承受着周期性冲击载荷，容易发热和磨损。通常，由于结构尺寸局限性，活塞销的工作承载面较少，表面比压高且分布不均匀，加上表面润滑不理想，从而会破坏活塞销与连杆衬套、活塞销座之间的正常间隙。活塞销的不均匀过度磨损又会使得间隙增大，引起活塞销对活塞销座的冲击力增大，直接影响柴油机的总体工作性能；活塞销的过度磨损还会造成缸套、活塞和活塞环的快速磨损，导致燃烧室燃气窜气和燃油消耗率增加，直接影响柴油机的输出功率。严重的活塞销磨损甚至会导致曲轴箱爆炸等恶性事故的发生，不但会带来重大经济损失，更重要的是会给柴油机的安全运行埋下巨大隐患。

目前国内外没有针对船用柴油机活塞的疲劳磨损试验装置，大多数通过理论计算进行匹配设计，并通过轴瓦疲劳磨损试验台来进行材料的匹配设计。但是这些试验方法和船用柴油机活塞销的运动有很大区别，船用柴油机活塞销承受着气缸侧推力、燃烧爆压和惯性力，是一种往复运动和旋转运动的合力。上述的试验方法不足以满足活塞销-活塞销座疲劳试验要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，它可以验证船用柴油机活塞销磨损监测系统，提供船用柴油机活塞疲劳磨损试验的方法，为活塞销—活塞销座材料匹配设计打下基础。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，包括传动装置、模拟装置、加载装置、润滑装置、控制系统和监测系统：

所述传动装置包括电机和齿轮箱，所述电机安装于试验台上；

所述模拟装置包括偏心曲轴与活塞销座，所述偏心曲轴的偏心轴颈部分用于模拟活塞销，偏心曲轴的一端通过所述齿轮箱与电机连接，经过齿轮箱的运动传递，电机的旋转运动转换为偏心曲轴的摆动运动，模拟发动机中活塞销相对于活塞销座的摆动运动，偏心曲轴的另一端与齿轮盘固定连接；所述活塞销座套装于活塞销上，通过偏心轴段的挤压实现与活塞销同步运动；

所述加载装置包括液压油箱、液压泵、分流器、加载腔、活塞和连杆，所述活塞设置于加载腔内将加载腔分为上加载腔和下加载腔，连杆的一端与活塞固定连接、另一端与所述活塞销座固定连接；液压油箱内部装填一定量的液压油，液压泵给液压油提供一定量的初始压力，分流器用于将滑油分成两路流入上加载腔和下加载腔；

所述润滑装置包括润滑油箱、滑油泵和润滑油路，所述滑油泵将润滑油箱内的润滑油经润滑油路分别输送至齿轮箱和活塞销座内部；

所述控制系统包括工业PC机和PLC控制系统，所述PLC控制系统分别与液压泵、滑油泵连接；

所述监测系统包括信号处理模块和分布安装于试验装置各零部件上的传感器，所有的传感器均与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与工业PC机连接。

上述方案中，所述传动装置还包括伺服驱动器，所述伺服驱动器分别与PLC控制系统及电机连接，所述工业PC机通过PLC控制系统给伺服驱动器电流信号来控制电机的转速。

上述方案中，所述监测系统包括扭矩传感器、K型热电偶温度传感器、压力传感器、霍尔传感器、位移传感器和应变片式压力传感器；所述扭矩传感器安装于电机主轴上，用于监测电机主轴扭矩；所述K型热电偶温度传感器安装于活塞销上方，用于监测活塞销温度；所述压力传感器安装于与活塞销座相连的润滑油路出口处，用于监测滑油压力；所述霍尔传感器安装于所述齿轮盘上方，用于监测齿轮盘的转速；所述位移传感器分为两支安装于活塞销座上并互成90°方向，用于监测活塞销相对于活塞销座轴心轨迹；所述应变片式压力传感器安装于连杆杆身上，用于监测液压油载荷。

上述方案中，所述齿轮盘一端设有传感器引出轴，所述传感器引出轴固定在齿轮盘上且采用止口对中，所述传感器引出轴上安装有光电编码器和热电传感器，所述光电编码器用于监测活塞销转角信号，所述热电传感器用于监测热电信号。

上述方案中，所述模拟装置还包括设置于所述偏心曲轴两端的支撑轴承，所述支撑轴承通过支撑架安装于试验台上，所述润滑装置设置有润滑油路支路将润滑油输送至所述支撑轴承。

上述方案中，所述活塞销座上安装有用于调节活塞销与活塞销座间隙的调节螺栓。

上述方案中，所述加载装置的两条液压管路上分别设有第一加热器，所述第一加热器与PLC控制系统连接。

上述方案中，所述润滑装置的输油管路上设有第二加热器，所述第二加热器与PLC控制系统连接。

上述方案中，所述齿轮箱包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第一连杆、第二连杆和转盘，所述转盘与主机主轴同轴连接，所述第一齿轮安装于转盘的偏心位置；所述第二齿轮与第一齿轮相互啮合；所述第一连杆的大小端分别与第一齿轮和第二齿轮的中心铰接；所述第二连杆的大小端分别于第二齿轮与第三齿轮的中心铰接；所述第四齿轮与第三齿轮相互啮合，并且与偏心曲轴固定连接。

本发明的有益效果在于：

1、本发明试验装置采用模块化设计，包括传动装置、模拟装置、加载装置、润滑装置、控制系统和监测系统，可根据船用柴油机工作状况实现灵活配置，增强了装置的适应性。

2、通过调节电机主轴转速，模拟不同摆动频率下柴油机活塞销—活塞销座工况的变化；通过调节液压力，模拟不同负荷下柴油机活塞销—活塞销座工况的变化；通过改变活塞销—活塞销座的间隙改变活塞销的磨损状态，避免了长时间的磨损试验，减少了运行时间，提高了装置工作效率；通过活塞销滑油温度和进口压力的控制，模拟不同润滑状态，以保证活塞销疲劳磨损试验台结果的准确性，实现不同润滑状态下活塞销—活塞销座的材料—磨损量—时间的标定。

3、采用灵活的反馈控制策略，保证升降转速和调整载荷平稳过度，提供试验轴稳定的变工况条件，通过可靠的磨损监测系统实现了磨损量—负荷—材料的标定。

4、采用模块化活塞销—活塞销座设计，通过曲轴来模拟活塞销，试验中采用不同材料的活塞销和活塞销座来满足不同机型的要求，以适应不同摩擦副材料的船用柴油机，提高了装置的通用性。

5、信号处理模块采用G语言编写，每个子模块实现相应的功能并可以独立修改和使用；采用独立的数据库管理标定过程的数据，多行数据表的设计，可以将结构化、半结构化和非结构化文档的数据直接存储到数据库中，为大数据挖掘打基础；可以实时在线分析从处理单元收到的信号，诊断活塞销是否存在故障，实现材料—时间—磨损量的标定。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置的结构图；

图2是活塞销磨损热电信号标定图谱；

图3-4是齿轮箱的结构图。

图中：11、电机；12、齿轮箱；121、第一齿轮；122、第二齿轮；123、第三齿轮；124、第四齿轮；125、第一连杆；126、第二连杆；127、转盘；13、齿轮盘；14、传感器引出轴；15、伺服驱动器；21、偏心曲轴；22、活塞销座；23、支撑轴承；31、液压油箱；32、液压泵；33、分流器；34、第一加热器；35、加载腔；36、活塞；37、连杆；41、润滑油箱；42、滑油泵；43、第二加热器；44、润滑油路；51、工业PC机；52、PLC控制系统；60、信号处理模块；61、扭矩传感器；62、K型热电偶温度传感器；63、压力传感器；64、霍尔传感器；65、位移传感器；66、应变片式压力传感器；67、光电编码器；68、热电传感器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明一较佳实施例的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，包括传动装置、模拟装置、加载装置、润滑装置、控制系统和监测系统。

传动装置包括伺服驱动器15、电机11和齿轮箱12，电机11安装于试验台上，由伺服驱动器15控制电机11的旋转。

模拟装置包括偏心曲轴21与活塞销座22，偏心曲轴21的偏心轴颈部分用于模拟活塞销，偏心曲轴21的一端通过齿轮箱12与电机11连接，经过齿轮箱12的运动传递，将电机11的旋转运动转换为偏心曲轴21的摆动运动，模拟发动机中活塞销相对于活塞销座22的摆动运动，偏心曲轴21的另一端与齿轮盘13固定连接，齿轮盘13与偏心曲轴21有止口设计，保证其同轴度。活塞销座22套装于活塞销上，通过偏心轴段的挤压实现与活塞销同步运动。活塞销座22上安装有调节螺栓，用于调节活塞销与活塞销座22的间隙，从而模拟不同的磨损状态。模拟装置还包括设置于偏心曲轴21两端的支撑轴承23，支撑轴承23通过支撑架安装于试验台上。

加载装置包括液压油箱31、液压泵32、分流器33、加载腔35、活塞36和连杆37，活塞36设置于加载腔35内将加载腔35分为上加载腔和下加载腔，连杆37的一端与活塞36固定连接、另一端与活塞销座22固定连接。液压油箱31内部装填一定量的液压油，液压泵32给液压油提供一定量的初始压力，分流器33用于将滑油分成两路流入上加载腔和下加载腔。加载装置的两条液压管路上分别设有第一加热器34，第一加热器34与PLC控制系统52连接，第一加热器34接受PLC控制系统52的位置量信号从而改变功率将液压油以一定温度送入上加载腔和下加载腔。液压油在使用时，如温度偏高，会使液压油的粘度降低，润滑性下降，会使油泵及液压元件在工作时磨损加快，容易造成泄漏。如温度偏低，会使液压油的粘度升高，将会造成液压元件的运动灵活性下降，严重时可能会使运动元件不能运动，影响正常工作。因此通过设置第一加热器34设置将液压油工作中的温度控制在50℃-60℃范围内，传动效率最高。偏心曲轴21摆动时带动连杆-活塞机构做上下往复运动，活塞36在上行和下行过程中均可对液压油进行挤压，从而产生交变载荷，模拟柴油机运行时，活塞销座22受力。

润滑装置包括润滑油箱41、滑油泵42、第二加热器43和润滑油路44，润滑油箱41内部装有经过滤器过滤后的滑油，滑油泵42接收PLC控制系统52的位置量信号将滑油以一定压力泵入第二加热器43，第二加热器43接收PLC控制系统52的位置量信号将滑油以一定温度送入润滑油路44，润滑油路44将一定压力和温度的滑油供给齿轮箱12、活塞销座22和支撑轴承23。这样在满足润滑的条件下，可以通过改变滑油压力与温度来达到不同的润滑方式，实现了不同润滑方式下，磨损状态的比较。

控制系统包括工业PC机51和PLC控制系统52，PLC控制系统52分别与伺服驱动器15、液压泵32、滑油泵42、第一加热器34、第二加热器43连接。工业PC机51通过PLC控制系统52给伺服驱动器15电流信号来控制电机11的转速。PLC控制系统52给液压泵32位置量信号来控制加载装置的初始压力，PLC控制系统52给滑油泵42位置量信号调节供油压力。

监测系统包括信号处理模块60和分布安装于试验装置各零部件上的传感器，所有的传感器均与信号处理模块60连接，信号处理模块60与工业PC机51连接。

进一步优化，本实施例中，监测系统包括扭矩传感器61、K型热电偶温度传感器62、压力传感器63、霍尔传感器64、位移传感器65和应变片式压力传感器66。扭矩传感器61安装于电机11主轴上，用于监测电机11主轴扭矩。K型热电偶温度传感器62安装于活塞销上方，用于监测活塞销温度。压力传感器63安装于和活塞销座22相连的润滑油路44出口处，用于监测滑油压力。霍尔传感器64安装于齿轮盘13上方，用于监测齿轮盘13的转速。位移传感器65分为两支安装于活塞销座22上并互成90°方向，用于监测活塞销相对于活塞销座22轴心轨迹。应变片式压力传感器66安装于连杆37杆身上，用于监测液压油载荷。

进一步优化，本实施例中，齿轮盘13一端设有传感器引出轴14，传感器引出轴14固定在齿轮盘13上且采用止口对中，传感器引出轴14上安装有光电编码器67和热电传感器68，光电编码器67用于监测活塞销转角信号，热电传感器68用于监测热电信号。

信号处理模块60接受上述九个传感器的监测信号，主要由数据处理、数据分析和数据库三部分组成。程序提取50个周期的数据为一个分析循环；使用Hermite插值保证每个周期数据量一直实现数据等角度化；利用周期平均、光顺处理剔除畸变；采用低通滤波除去信号中的高频干扰，最后处理为一个1440×7数组。计算转速信号的波动率来衡量装置运行的稳定性；通过2路位移信号的几何关系计算轴心轨迹，找到最小油膜厚度；最小油膜厚度决定润滑状态，温升信号决定活塞销磨损状态；将一个周期采样序列的热—电信号作为极半径，偏心曲轴21转角作为角坐标，提取最大值作为热—电信号特征值。将热—电信号特征值、磨损状态、摩擦功耗、轴—轴瓦间隙、温升信号、转速信号写入对应的数据表，由数据库统一管理试验数据。

如图2所示，时间—磨损量的标定图谱，反应磨损时间与磨损量的关系。通过改变活塞销与活塞销座22的间隙，模拟不同磨损状态下的活塞销状态，由于磨损状态不同，摩擦损耗也不同，通过测量系统采集热电信号、活塞销温度信号、最小油膜厚度信号，并经由TCP\IP传递给信号处理模块60，通过处理得到疲劳磨损时间—磨损量的关系。

如图3所示，齿轮箱12包括第一齿轮121、第二齿轮122、第三齿轮123、第四齿轮124、第一连杆125、第二连杆126和转盘127，转盘127与电机11主轴同轴连接，第一齿轮121安装于转盘127的偏心位置，第二齿轮122与第一齿轮121相互啮合，第一连杆125的大小端分别与第一齿轮121和第二齿轮122的中心铰接，第二连杆126的大小端分别与第二齿轮122与第三齿轮123的中心铰接，第四齿轮124与第三齿轮123相互啮合，且与偏心曲轴21固定连接。这样在电机11主轴旋转时，第一齿轮121绕主轴轴线作回转运动，并通过第一连杆125带动第二齿轮122作绕第三齿轮123中心轴线的摆动运动，第二齿轮122的摆动运动经第二连杆126转换为第三齿轮123绕自身轴线的摆动运动，第三齿轮123经啮合作用将自身摆动运动传递给直径较小的第四齿轮124以获得更高摆动速度，这样，经过齿轮箱12内部齿轮的运动传递，就将电机11主轴的旋转运动变为偏心曲轴21的摆动运动并获得了较高摆动速度。

本发明设计的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置具有如下优点：

1、本发明试验装置采用模块化设计，包括传动装置、模拟装置、加载装置、润滑装置、控制系统和监测系统，可根据船用柴油机工作状况实现灵活配置，增强了装置的适应性。

2、通过调节电机主轴转速，模拟不同摆动频率下柴油机活塞销—活塞销座工况的变化；通过调节液压力，模拟不同负荷下柴油机活塞销—活塞销座工况的变化；通过改变活塞销—活塞销座的间隙改变活塞销的磨损状态，避免了长时间的磨损试验，减少了运行时间，提高了装置工作效率；通过活塞销滑油温度和进口压力的控制，模拟不同润滑状态，以保证活塞销疲劳磨损试验台结果的准确性，实现不同润滑状态下活塞销—活塞销座的材料—磨损量—时间的标定。

3、采用灵活的反馈控制策略，保证升降转速和调整载荷平稳过度，提供试验轴稳定的变工况条件，通过可靠的磨损监测系统实现了磨损量—负荷—材料的标定。

4、采用模块化活塞销—活塞销座设计，通过曲轴来模拟活塞销，试验中采用不同材料的活塞销和活塞销座来满足不同机型的要求，以适应不同摩擦副材料的船用柴油机，提高了装置的通用性。

5、信号处理模块采用G语言编写，每个子模块实现相应的功能并可以独立修改和使用；采用独立的数据库管理标定过程的数据，多行数据表的设计，可以将结构化、半结构化和非结构化文档的数据直接存储到数据库中，为大数据挖掘打基础；可以实时在线分析从处理单元收到的信号，诊断活塞销是否存在故障，实现材料—时间—磨损量的标定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，包括传动装置、模拟装置、加载装置、润滑装置、控制系统和监测系统：

所述传动装置包括电机和齿轮箱，所述电机安装于试验台上；

所述模拟装置包括偏心曲轴与活塞销座，所述偏心曲轴的偏心轴颈部分用于模拟活塞销，偏心曲轴的一端通过所述齿轮箱与电机连接，经过齿轮箱的运动传递，电机的旋转运动转换为偏心曲轴的摆动运动，模拟发动机中活塞销相对于活塞销座的摆动运动，偏心曲轴的另一端与齿轮盘固定连接；所述活塞销座套装于活塞销上，通过偏心轴段的挤压实现与活塞销同步运动；

所述加载装置包括液压油箱、液压泵、分流器、加载腔、活塞和连杆，所述活塞设置于加载腔内将加载腔分为上加载腔和下加载腔，连杆的一端与活塞固定连接、另一端与所述活塞销座固定连接；液压油箱内部装填一定量的液压油，液压泵给液压油提供一定量的初始压力，分流器用于将滑油分成两路流入上加载腔和下加载腔；

所述润滑装置包括润滑油箱、滑油泵和润滑油路，所述滑油泵将润滑油箱内的润滑油经润滑油路分别输送至齿轮箱和活塞销座内部；

所述控制系统包括工业PC机和PLC控制系统，所述PLC控制系统分别与液压泵、滑油泵连接；

所述监测系统包括信号处理模块和分布安装于试验装置各零部件上的传感器，所有的传感器均与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与工业PC机连接。

2.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述传动装置还包括伺服驱动器，所述伺服驱动器分别与PLC控制系统及电机连接，所述工业PC机通过PLC控制系统给伺服驱动器电流信号来控制电机的转速。

3.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述监测系统包括扭矩传感器、K型热电偶温度传感器、压力传感器、霍尔传感器、位移传感器和应变片式压力传感器；所述扭矩传感器安装于电机主轴上，用于监测电机主轴扭矩；所述K型热电偶温度传感器安装于活塞销上方，用于监测活塞销温度；所述压力传感器安装于与活塞销座相连的润滑油路出口处，用于监测滑油压力；所述霍尔传感器安装于所述齿轮盘上方，用于监测齿轮盘的转速；所述位移传感器分为两支安装于活塞销座上并互成90°方向，用于监测活塞销相对于活塞销座轴心轨迹；所述应变片式压力传感器安装于连杆杆身上，用于监测液压油载荷。

4.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述齿轮盘一端设有传感器引出轴，所述传感器引出轴固定在齿轮盘上且采用止口对中，所述传感器引出轴上安装有光电编码器和热电传感器，所述光电编码器用于监测活塞销转角信号，所述热电传感器用于监测热电信号。

5.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述模拟装置还包括设置于所述偏心曲轴两端的支撑轴承，所述支撑轴承通过支撑架安装于试验台上，所述润滑装置设置有润滑油路支路将润滑油输送至所述支撑轴承。

6.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述活塞销座上安装有用于调节活塞销与活塞销座间隙的调节螺栓。

7.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述加载装置的两条液压管路上分别设有第一加热器，所述第一加热器与PLC控制系统连接。

8.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述润滑装置的输油管路上设有第二加热器，所述第二加热器与PLC控制系统连接。

9.根据权利要求1所述的船用柴油机活塞销疲劳磨损试验装置，其特征在于，所述齿轮箱包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第一连杆、第二连杆和转盘，所述转盘与主机主轴同轴连接，所述第一齿轮安装于转盘的偏心位置；所述第二齿轮与第一齿轮相互啮合；所述第一连杆的大小端分别与第一齿轮和第二齿轮的中心铰接；所述第二连杆的大小端分别于第二齿轮与第三齿轮的中心铰接；所述第四齿轮与第三齿轮相互啮合，并且与偏心曲轴固定连接。