CN112730049A - 往复式试验机的冲程测量方法及往复式试验机 - Google Patents

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Abstract

本公开提出一种往复式试验机的冲程测量方法及往复式试验机，往复式试验机的冲程测量方法包括以下步骤：测量冲程推杆与激振器之间产生的第一位移，并测量冲程推杆与托板之间产生的第二位移；根据第一位移计算冲程推杆与底座之间产生的第三位移；将第三位移与第二位移求差，得到托板与底座之间产生的第四位移；根据第四位移计算托板与加热台之间的第五位移；以及将第二位移与第五位移求差，得到冲程推杆与加热台之间产生的第六位移，即得到冲程推杆的冲程。

Description

往复式试验机的冲程测量方法及往复式试验机
技术领域
本公开涉及摩擦磨损学试验技术领域，尤其涉及一种往复式试验机的冲 程测量方法及往复式试验机。
背景技术
2017年SH/T 0765标准起草单位联合57家试验室，采用8种代表性柴 油样品，对70多台国内外三种品牌的高频往复式柴油润滑性试验机，进行了 500多次的盲测比对试验。统计数据表明，国内现有的高频往复式试验机研 制水平良莠不齐，技术创新主要集中在外观改进或采用同等效果的技术方案 进行替换以规避现有技术，缺乏深入研究往复式运动的振动原理，对试验机 进行数学物理建模分析，用于改进试验精密度的原始创新。现有高频往复式 燃油润滑性试验机广泛使用单一的LVDT(线性位移差分变送器)或光栅、 磁栅式位移传感器测量往返振幅，和轴承支架固定激振器的简单机械装置对 冲程进行控制。以上两种传感器实际上测量的是试验钢球相对于激振器外壳 或者底座的往返位移，因为底座受到激振器的反作用力作用，而产生一定的 振幅。并且由于通过弹性支架固定于底座上的试验油盒的振幅与底座振幅并 不相同，所以通过LVDT或者光栅、磁栅式位移传感器测量出来的振幅并不 等于试验球与试验片之间的真实冲程。更因为不同润滑性的油样，造成的摩擦阻力不同，因此底座、油盒的振幅均不相同，无法用软件实现简单的修正 补偿。并且光栅、磁栅式位移传感器的易受油雾粉尘污染的缺点，其长期精 度和可靠性较差。
发明内容
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一 种测量精度较高的往复式试验机的冲程测量方法。
本公开的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供 一种采用上述冲程测量方法的往复式试验机。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
根据本公开的一个方面，提供一种往复式试验机的冲程测量方法，所述 往复式试验机包括底座、托板、加热台、激振器以及冲程推杆，所述托板和 所述激振器分别设于所述底座上，所述加热台设于所述托板上，所述冲程推 杆水平设置并可往复移动地穿设于所述激振器；其特征在于，所述往复式试 验机的冲程测量方法包括以下步骤：测量所述冲程推杆与所述激振器之间产 生的第一位移，并测量所述冲程推杆与所述托板之间产生的第二位移；根据 所述第一位移计算所述冲程推杆与所述底座之间产生的第三位移；将所述第三位移与所述第二位移求差，得到所述托板与所述底座之间产生的第四位移； 根据所述第四位移计算所述托板与所述加热台之间的第五位移；将所述第二 位移与所述第五位移求差，得到所述冲程推杆与所述加热台之间产生的第六 位移，即得到所述冲程推杆的冲程。
根据本公开的另一个方面，提供一种往复式试验机，包括底座、托板、 加热台、激振器以及冲程推杆，所述托板和所述激振器分别设于所述底座上， 所述加热台设于所述托板上，所述冲程推杆水平设置并可往复移动地穿设于 所述激振器。其中，所述往复式试验机还包括第一位移传感器、第二位移传 感器以及控制系统。所述第一位移传感器设于所述激振器，并被配置为测量 所述冲程推杆与所述激振器之间产生的第一位移。所述第二位移传感器设于 所述托板上，并被配置为测量所述冲程推杆与所述托板之间产生的第二位移。所述控制系统电连接于所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述激 振器，所述控制系统被配置为采用本公开提出的且在上述实施方式中所述的 往复式试验机的冲程测量方法，计算出所述冲程推杆的冲程和频率的反馈值， 并将所述反馈值与预设值进行比对分析，以此控制所述激振器输出预设的冲 程和频率。
由上述技术方案可知，本公开提出的往复式试验机的优点和积极效果在 于：
本公开提出的往复式试验机的冲程测量方法，相比于现有试验设备对冲 程的测量方法，本公开克服了现有试验设备由于使用单一的LVDT传感器或 光栅、磁栅式位移传感器，因而受到底座、弹性支架振动干扰从而造成冲程 测量不真实、不准确的缺点。本公开提出的往复式试验机的冲程测量方法能 够真实地测量往复式试验机的冲程，具有较高的测量精度。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的 各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解， 并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的 部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种往复式试验机的冲程测量方法 的示意图；
图2是基于图1的算法流程图。
图3是根据一示例性实施方式示出的一种往复式试验机的系统示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是图3的侧视图；
图6是图3示出的往复式试验机的控制系统的系统示意图；
图7是图3示出的往复式试验机的控制系统的另一系统示意图；
图8是激振器与频率响应特性关系曲线图；
图9是图3示出的往复式试验机的控制系统的建立激振器的逆模型的原 理图；
图10是图3示出的往复式试验机的锁定机构的示意图；
图11是图10示出的往复式试验机在一状态下的部分示意图；
图12是图10示出的往复式试验机在另一状态下的部分示意图。
附图标记说明如下：
100.底座；101.试验球；102.试验片；200.激振器；201.本体；202.套管； 2021.避让槽；210.冲程推杆；220.支座；221.轴承；231.双头螺杆；232.锁定 杆；233.偏心轮；240.绝缘圈；250.平衡轴；260.冲程调节机构；300.加热台； 310.油盒；320.弹性支架；321.开孔；330.温度传感器；350.导热台；351.后端 挡板；352.前端挡板；3521.螺栓；360.温度开关；400.托板510.第一加载装置； 520.第二加载装置；521.砝码；522.吊绳；523.横杆；524.阻尼器；610.第一位 移传感器；620.第二位移传感器；630.标识物；700.测力机构；810.平衡单元；820.配重块；900.控制系统；910.上位控制机构；920.下位控制机构。
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理 解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的 范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。
在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述 附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个 方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、 示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情 况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、 “之间”、“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术 语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中 的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。
参阅图1，其代表性地示出了本公开提出的往复式试验机的冲程测量方 法的示意图。在该示例性实施方式中，本公开提出的往复式试验机的冲程测 量方法是以应用于针对柴油润滑油的摩擦磨损性能试验的试验设备为例进行 说明的，特别是以应用于ISO12156-1及SH/T0765标准柴油润滑性试验的试 验设备为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关 设计应用于针对柴油润滑油的其他类型或其他标准下的试验或应用于其他种 类的油品的相关试验中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替 代、删除或其他变化，这些变化仍在本公开提出的往复式试验机的冲程测量 方法原理的范围内。
如图1所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机的冲程测量 方法可以针对往复式试验机进行测量，例如，该往复式试验机主要包括底座 100、激振器200、冲程推杆210、加热台300、油盒310、托板400、加载机 构、第一位移传感器610和测力机构700。具体而言，激振器200设置在底 座100上。冲程推杆210可往复移动地穿设于激振器200，冲程推杆210具 有由激振器200前端伸出的自由端，该自由端利用例如试验球101夹具等机 构可拆装地固定设置有试验球101。油盒310设置在加热台300上。试验片102设置在油盒310中并位于试验球101的下方。加载机构用以使试验球101 对试验片102产生正压力，即向下的加载力。第一位移传感器610用以测量 冲程推杆210与激振器200(准确而言应为激振器200的壳体，即并非激振 器200的线圈或连接线圈与壳体的弹簧)之间产生的第一位移。测力机构700 用以测量试验球101与试验片102之间的摩擦力。配合参阅图2，图2中代 表性地示出了基于图1的冲程推杆210的冲程的算法流程图。以下结合上述 附图，对本公开提出的往复式试验机的冲程推杆210的冲程反馈值的计算方 法的优化设计进行详细说明。
如图1所示，在本实施方式中，以例如电动驱动或电磁驱动的激振器200 为例，在试验过程中，冲程推杆210的振幅为A，通常可以根据振动幅度、 振动频率把往复式试验机的各主要结构划分为以下四个振动体：底座100、 托板400、导热台350和激振器200的定子。底座100通过橡胶支脚放置在 地面上，定子受到激振器200反作用力，其振幅为B。底座100受到反作用 力，其所在振动体的振幅为E。并且，激振器200与底座100之间的轴承221 存在间隙，因此振幅B与振幅E不同。加热台300、底座100、托板400之 间的弹性、柔性或浮动等类型的连接关系，造成在受迫振动作用下的加热台 300、底座100、托板400的水平方式的振幅C、E与D均不相同。
如图1和图2所示，在本实施方式中，控制系统900可以优选地采用以 下步骤计算冲程推杆210的冲程的反馈值：
采集第一位移和第二位移；
根据第一位移计算冲程推杆210与底座100之间产生的第三位移；
将第三位移与第二位移求差，得到托板400与底座100之间产生的第四 位移；
根据第四位移计算托板400与加热台300之间的第五位移；
将第二位移与第五位移求差，得到冲程推杆210与加热台300之间产生 的第六位移，即得到冲程推杆210的冲程。
通过上述计算方法的设计，相比于现有试验设备对冲程的测量方法，本 公开克服了现有试验设备由于使用单一的LVDT传感器或光栅、磁栅式位移 传感器，因而受到底座100、弹性支架320振动干扰从而造成冲程测量不真 实、不准确的缺点。
较佳地，如图11和图12所示，在本实施方式中，在根据第一位移计算 第三位移的步骤中，可以优选地包括以下步骤：
根据底座100、激振器200和冲程推杆210的结构关系，定义第三位移 与第一位移之间的第一函数关系；
将第一位移代入第一函数关系中计算得出第三位移。
进一步地，基于根据第一位移计算第三位移的上述具体计算方法的设计， 在本实施方式中，由于冲程推杆210、激振器200、底座100(还可包括支座 220和轴承221)的确定的结构关系，第一函数关系可以优选为等比例函数关 系。
较佳地，如图1和图2所示，在本实施方式中，在根据第四位移计算第 五位移的步骤中，可以优选地包括以下步骤：
根据底座100、托板400和加热台300的结构关系，定义第五位移与第 四位移之间的第二函数关系；
将第四位移代入第二函数关系中计算得出第五位移。
进一步地，基于上述计算方法中第一函数关系与第二函数关系的加入， 第六位移可以优选地根据以下计算公式得出：
d6＝d2－f2[f1(d1)－d2]
具体而言，在上述计算公式中，f1(x)为第一函数关系，f2(x)为第二函数 关系，d1为第一位移，d2为第二位移，d3为第三位移，d4为第四位移，d5为 第五位移，d6为第六位移。
其中，上述计算公式的主要推导过程可以结合上述计算方法的各主要步 骤表示如下：
已知d1和d2；
∵d3＝f1(d1)，d4＝d3－d2，d5＝f2(d4)；
∴d5＝f2(d3－d2)＝f2[f1(d1)－d2]；
∵d6＝d2－d5；
∴d6＝d2－f2[f1(d1)－d2]
较佳地，在本实施方式中，第一位移传感器610可以优选为直线电感式 位移传感器，且该直线电感式位移传感器600可以优选地设置在激振器200 的本体201(即外壳)或套管202内。在其他实施方式中，第一位移传感器610亦可选择其他类型的位移传感器，并不以本实施方式为限。据此，电感 式直线位移传感器的选型，使得第一位移传感器610具备精度高、抗油雾、 防尘能力强等功效。
较佳地，在本实施方式中，第二位移传感器620可以优选为激光三角反 射式位移传感器，且该激光三角反射式位移传感器可以优选地设置在托板 400上。在其他实施方式中，第二位移传感器620亦可选择其他类型的位移 传感器，并不以本实施方式为限。据此，激光三角反射式位移传感器的选型， 使得第二位移传感器620具备安装简单、检测相对差值、可迅速复位零点等 功效。另外，电感式直线位移传感器和激光三角反射式位移传感器均具备抗 污染、可靠性、长期测量精度等优点，均优于利用刻度原理测量位移的光栅、 磁栅式传感器等现有位移传感器。在其他实施方式中，第二位移传感器620 亦可选用或电涡流测距原理等非接触式、且耐油污强的位移传感器，并不以 本实施方式为限。
较佳地，如图1所示，在本实施方式中，往复式试验机还可以优选地包 括标识物630。具体而言，该标识物630固定在冲程推杆210上，标识物630 能够作为冲程推杆210的标定物而被第二位移传感器620直接测量，从而供 第二位移传感器620更加方便、精确地测量冲程推杆210与托板400之间产 生的第二位移。即，第二位移传感器620在对第二位移的测量过程中，实际 上是对标识物630与托板400之间产生的位移进行测量，从而得到冲程推杆210与托板400之间产生的第二位移。在其他实施方式中，第二位移传感器 620亦可直接测量冲程推杆210与托板400之间产生的第二位移，并不以本 实施方式为限。
进一步地，如图1所示，在本实施方式中，激振器200可以优选地包括 本体201和套管202。具体而言，套管202固定在本体201的前端，且两者 优选为共轴布置。冲程推杆210穿设在套管202和本体201中，且冲程推杆 210的自由端由套管202的前端(即套管202的远离本体201的一端)伸出。 在此基础上，基于上述标识物630的设计，可以在套管202的管壁结构内开 设与其管腔连通的避让槽2021，标识物630的一端连接在冲程推杆210的对 应于避让槽2021的部分上，标识物630的另一端延伸至该避让槽2021内。 并且避让槽2021通过开设在套管202的管壁结构上的观察口连通于外界，使 得第二位移传感器620能够通过观察口测量到在避让槽2021内随冲程推杆 210移动的标识物630。在其他实施方式中，基于标识物630和套管202的设 计，为使第二位移传感器620能够测量标识物630的位移，亦可对标识物630 或套管202采用其他设计，并不以本实施方式为限。
更进一步地，基于套管202开设避让槽2021及观察口的设计，在本实施 方式中，避让槽2021沿套管202轴向(即冲程推杆210轴向)的长度可以优 选地略大于激振器200输出的冲程的最大设定值，从而使得标识物630在随 冲程推杆210移动的过程中，不会受到避让槽2021的结构干涉的影响。在其 他实施方式中，避让槽2021沿套管202轴向的长度亦可等于激振器200输出 的冲程的最大设定值，并不以本实施方式为限。
其中，在本实施方式中，基于上述第二位移传感器620的设计，同时基 于标识物630的设计，本公开是利用激光三角反射式位移传感器经由观察口 探测到标识物630物的动态运动情况。激光三角反射式位移传感器能够由三 角几何计算法精确得到标识物630的瞬时位移。与此同时，每次试验前上位 控制机构可以将激光三角反射式位移传感器测量的标识物630的初始位置作 为零点，试验过程中测量的信号为相对零点位置的位移偏差值，因此不会受 标识物630表面粗糙度、反光度、污染情况的影响。激光三角反射式位移传 感器可以优选地由激光发光二极管、滤光片、镜片组以及内部的CCD、CMOS 或PSD感光元件等组成。
承上所述，本公开提出的往复式试验机通过本实施方式中示例性描述的 基本设计构思，或结合上述一个或多个优选设计方案，至少能够达成以下优 点和功效：通过本公开提出的上述计算算法，可以得到真实冲程的反馈值， 避免了采用单一的LVDT位移传感器或者光栅、磁栅位移传感器只能测量近 似替代值，并且能减少振动的影响。在燃油的摩擦磨损试验中，燃油轻组分 受热后再冷凝会形成油雾，损过程会形磨成金属屑和粉尘，这些都会影响现 有试验设备中所使用的光栅、磁栅等这类利用刻度测量位移的传感器的可靠性和长期精度。然而，当本公开采用激光三角反射式位移传感器作为第二位 移传感器620时，通过测量物体的表面运动的相对位移，并通过几何关系求 出往返距离，因此与表面平行度、表面粗糙度、反光程度、污染程度均无关 系，且该类型位移传感器安装和调试简单，使用可靠性强。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的往复式试验机的冲程 测量方法仅仅是能够采用本公开原理的许多种冲程测量方法的几个示例。应 当清楚地理解，本公开的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的冲 程测量方法的任何细节或冲程测量方法的任何步骤。
参阅图3，其代表性地示出了本公开提出的往复式试验机的系统示意图。 在该示例性实施方式中，本公开提出的往复式试验机是以应用于针对柴油润 滑油的摩擦磨损性能试验的试验设备为例进行说明的，特别是以应用于ISO 12156-1及SH/T0765标准柴油润滑性试验的试验设备为例进行说明的。本领 域技术人员容易理解的是，为将本公开的相关设计应用于针对柴油润滑油的 其他类型或其他标准下的试验或应用于其他种类的油品的相关试验中，而对 下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变 化仍在本公开提出的往复式试验机的原理的范围内。
如图3所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机主要包括底 座100、激振器200、冲程推杆210、加热台300、油盒310、加载机构、第 一位移传感器610和测力机构700。具体而言，激振器200设置在底座100 上。冲程推杆210可往复移动地穿设于激振器200，冲程推杆210具有由激 振器200前端伸出的自由端，该自由端利用例如试验球101夹具等机构可拆 装地固定设置有试验球101。油盒310设置在加热台300上。试验片102设 置在油盒310中并位于试验球101的下方。加载机构用以使试验球101对试 验片102产生正压力，即向下的加载力。第一位移传感器610用以测量冲程 推杆210与激振器200(准确而言应为激振器200的壳体，即并非激振器200 的线圈或连接线圈与壳体的弹簧)之间产生的第一位移。测力机构700用以 测量试验球101与试验片102之间的摩擦力。
配合参阅图4至图8，图4中代表性地示出了图3示出的往复式试验机 的俯视图；图5中代表性地示出了图3示出的往复式试验机的侧视图，具体 为左视图(或前视图，其中以冲程推杆210的伸出于激振器200的方向为 “前”)；图6中代表性地示出了图3示出的往复式试验机的控制系统900 的系统示意图；图7中代表性地示出了控制系统900的另一系统示意图；图 8中代表性地示出了激振器200与频率响应特性关系曲线图；图7中代表性 地示出了控制系统900的建立激振器200的逆模型的原理图；图8中代表性 地示出了往复式试验机的锁定机构的示意图；图9中代表性地示出了往复式 试验机在一状态下的部分示意图；图10中代表性地示出了往复式试验机在另 一状态下的部分示意图。以下结合上述附图，对本公开提出的往复式试验机 的各主要组成部分的结构、连接方式或功能关系进行详细说明。
如图3至图5所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机至少 还包括第二位移传感器620以及控制系统900。具体而言，该托板400浮动 设置在底座100上。加热台300通过弹性支架320设置在托板400上。该第 二位移传感器620设置在托板400上。第二位移传感器620能够测量冲程推 杆210与托板400之间产生的第二位移。控制系统900分别电连接于第一位 移传感器610、第二位移传感器620和激振器200。控制系统900能够根据第 一位移传感器610测得的第一位移和第二位移传感器620测得的第二位移， 利用本公开提出的且在上述具体实施方式中详细说明的往复式试验机的冲程 测量方法计算出冲程推杆210的冲程和频率的反馈值(频率的反馈值可以根 据冲程反馈值计算)，并将该反馈值与控制系统900中设定关于激振器200 的冲程和频率的预设值进行比对分析，以此控制激振器200输出预设的冲程 和频率。通过上述设计，本公开提出的往复式试验机相比于现有试验设备， 具备了变频范围内冲程控制精准、满足微动磨损要求、摩擦力测量精度高、 磨瘢直径试验结果重复性高的特点。
较佳地，如图6至图9所示，在本实施方式中，控制系统900可以优选 地包括上位控制机构910以及下位控制机构920。具体而言，上位控制机构 910分别电连接于第一位移传感器610和第二位移传感器620。上位控制机构 910能够根据第一位移和第二位移计算出冲程推杆210的冲程和频率的反馈 值，并将反馈值与预设值进行比对分析。上位控制机构910能够根据上述比 对分析计算出关于激振器200的驱动电流的电流设定值，并发出相应的控制 指令。下位控制机构920分别电连接于上位控制机构910和激振器200。下 位控制机构920能够根据上位控制机构910发出的控制指令，对激振器200 的驱动电流进行闭环跟踪控制，从而使激振器200的驱动电流保持为电流设 定值，进而使激振器200输出至冲程推杆210的冲程和频率保持为预设值。 具体而言，上位控制机构910将激振器200的冲程及频率的反馈值与预设值 进行对比，据此实时地给出关于激振器200的驱动电流的电流设定值，并通 过下位控制机构920控制激振器200，上述上位控制机构910基于冲程(及 频率)的控制过程可以理解为第一套闭环，即“冲程环”。同时，下位控制 机构920能够实时测量激振器200的驱动电流的反馈值，并将其与上位控制 机构910给出的电流设定值进行对比，据此实时地控制激振器200的驱动电 流保持在电流设定值，上述下位控制机构920基于电流的控制过程可以理解 为第二套闭环，即“电流环”。承上所述，通过上述关于控制系统900的设计，控制系统900能够实现对激振器200的驱动电流的双闭环的控制模式， 即实现对激振器200的工作状态、冲程推杆210的工作状态的双闭环的控制 模式，进而实现对整个往复式试验机的双闭环控制模式。其中，上位控制机 构910通过第一位移传感器610、第二位移传感器620获取冲程瞬时值(即 反馈值)，通过比较其与预设值的偏差，调整给下位控制机构920的电流设 定值。下位控制机构920采集激振器200的交变电流值(即实时的驱动电流)， 用于电流环的反馈控制，其构成方式可以是嵌入式系统、单片机、模拟运放 电路。下位控制机构920通过测量到的电流值与电流设定值的偏差，来调整 输出给激振器200的驱动电流。
较佳地，如图6至图9在本实施方式中，上位控制机构910可以优选地 分别根据激振器200处于多个频率时的响应模型(例如激振器200的电流- 驱动力的响应模型)建立逆模型，并根据激振器200的多个逆模型采用变结 构控制算法(例如采用滑模控制算法)计算关于激振器200的驱动电流的电 流设定值。举例而言，由于激振器200的响应特性为非线性，因此不同设定 频率工作点，其响应模型不同，当然逆模型也不同。比如40Hz时，激振器200的电流-驱动力的逆模型为Ga-1(F)，50Hz时逆模型则可能为Gb-1(F)， 60Hz时可能为Gc-1(F)。实际应用中难以为激振器200的每个频率点建立 一个模型，因此可以每隔一定频率值(例如10Hz)建立一个模型。据此，当 设定频率为48Hz时，其逆模型可以根据激振器200的40Hz时的逆模型Ga-1 (F)和激振器200的50Hz时的逆模型Gb-1(F)通过插值运算得出。由此而见，随着激振器200的频率设定点的变动，实际采用的模型在“Ga-1(F)、 Gb-1(F)、Gc-1(F)……”这些逆模型之间灵活变动，亦称之为变结构控 制。在其他实施方式中，变结构控制算法亦可包括其他不同模型间连续、灵 活变动的方式，并不限于本实施方式中涉及的插值运算的这种变结构控制算 法的举例。
如图8所示，为激振器200在不同频率下的响应特性曲线，横坐标为频 率，纵坐标为激振器200的增益系数，可以看出激振器200典型的非线性工 作特点。
如图8所示，为逆模控制原理图，目标值Xsp为冲程设定值，经过激振 器200冲程与电压的关系函数V(x)转换成电压设定值V。本发明建立起了激 振器200的数学模型G’(s)，以及其逆模型G’(S)-1，然后通过逆模控制算法进 行精确的冲程控制。
较佳地，如图7和图8所示，在本实施方式中，激振器200在不同频率 工作点，其响应频率体现出明显的非线性特征。通过测试不同频率工作点的 激振器200响应特性，建立激振器200的逆模型。根据冲程测量瞬时值与冲 程设定值之间的偏差，通过逆模型计算出应该输出的激振器200驱动电流， 来满足不同频率下往复式试验机的冲程控制精度。其中，在图7中，横坐标 为频率，纵坐标为激振器200的增益系数。在图9中，目标值Xsp为冲程设定值，经过激振器200冲程与电压的关系函数V(x)转换成电压设定值V。本 公开建立起了激振器200的数学模型G’(s)以及其逆模型G’(s)-1，然后通过逆 模控制算法进行精确的冲程控制。
进一步地，基于控制系统900包括上位控制机构910以及下位控制机构 920的设计，在本实施方式中，上位控制机构910可以优选地至少包括计算 机以及计算机中的相关软件。并且，下位控制机构920可以优选地至少包括 单片机(例如ARM单片机)、功率放大电路、信号发生器、看门狗电路等， 且上述器件均可集成在一个数控箱内。另外，上述上位控制机构910和下位 控制机构920，与下述的超温保护电路、各位移传感器、各力传感器710(测 力机构700)和温度传感器330等数控器件或测量器件一起，共同组成了本 公开提出的往复式试验机的控制系统900的主要部分。
较佳地，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机可以优选地采用 双重冗余超温保护机制。具体而言，可将温度传感器330与上位控制机构910 电连接，利用上位控制机构910(例如计算机)实时监控油样温度的变化情 况。下位控制机构920的数控箱内可以优选地集成看门狗电路，据此，当计 算机死机或者上位控制机构910与下位控制机构920断开连接时，看门狗电 路能够在一定响应时间(例如三秒钟)之后，使下位控制机构920自动进入 停止加热的保护状态。并且，加热台300内可以优选地设置有温度开关360， 且数控箱内可以优选地集成独立的超温保护电路，据此，在计算机死机或看 门狗电路失效时，当加热温度超过温度开关360的上限设定值时，下位控制 机构920仍然能够据此进行断电保护，使整个试验设备进入停机状态。通过 上述设计，本公开能够实现的双重超温保护状态，进一步确保燃油试验的安 全。
较佳地，如图3所示，在本实施方式中，弹性支架320可以优选地大致 呈“Z”型(即“ㄣ”型)结构。具体而言，呈“Z”型结构的弹性支架320 具有两个连接部以及一个支撑部。两个连接部分别大致呈水平布置，且两个 连接部分别通过调平螺丝固定连接在加热台300底部和托板400顶部(即上 板体410的上表面)，支撑部连接在两个连接部之间，以实现对加热台300 的弹性支撑。其中，两个连接部和支撑部可一优选为一体结构且采用弹性材 质制成。在其他实施方式中，两个连接部的材质亦可不同于支撑部，且至少 保证支撑部采用弹性材质制成。通过上述设计，能够进一步提高柴油润滑性 试验中磨瘢数据的重复性。
较佳地，如图3所示，在本实施方式中，弹性支架320可以优选地连接 在加热台300的底部的前、后侧的边缘位置，以实现加热台300能够相对托 板400在冲程推杆210轴向上往复移动。
进一步地，如图3所示，基于弹性支架320呈“Z”型结构的设计，同 时基于弹性支架320连接在加热台300的底部的前、后侧的边缘位置的设计， 在本实施方式中，弹性支架320的连接于托板400的连接部至少部分地位于 加热台300在托板400上的正投影图形的范围之外。
进一步地，基于弹性支架320呈“Z”型结构的设计，在本实施方式中， 弹性支架320可以优选地采用铍青铜或弹簧钢的弹性薄金属片制成。更进一 步地，可在弹性支架320的支撑部开多个开孔321(优选为圆形开孔)。并 且，弹性支架320的每个连接部均可以优选地通过三个螺丝穿过弹簧后与加 热台300或托板400固定，以此便于找平而能以压住弹性支架320的方式进 行固定，一方面能够调整油盒310的高度和水平度，另一方面能够保证摩擦力能更加充分地传递到力传感器710上。在其他实施方式中，弹性支架亦可 采用弹性模量较小，且回弹较强而不易产生塑性变形的材料或结构，并不以 本实施方式为限。
较佳地，如图3至图5所示，在本实施方式中，冲程推杆210可以优选 地采用轻质材料制成，且冲程推杆210的截面直径可以优选为8mm以下。 例如，冲程推杆210可以选用铝制空心杆或者碳纤维杆等杆材制成。通过上 述设计，本公开能够减轻运动部件(冲程推杆210)的运动质量，从而能够 减小激振器200的输出负载的惯性力。在其他实施方式中，冲程推杆210亦 可采用其他材质，例如其他轻质的金属或其他轻质材料等，并不以本实施方 式为限。
较佳地，如图3至图5所示，在本实施方式中，加热台300中设置有温 度传感器330，用以测量油盒310内的油样的温度。温度传感器330电连接 于控制系统900，用于供控制系统900采集温度传感器330测得的温度信息， 并以此通过上位控制机构910控制加热台300对油样温度进行调节。试验过 程中，待试验的油样设置在油盒310里，油样的温度通过温度传感器330进 行测量，控制系统900根据测得的温度信息控制加热台300升温，从而使油 样升温，控制系统900还可以根据预设的温度设定值与温度传感器330的测 量值对加热台300进行闭环跟踪控制，以使加热台300及油样的温度保持在 温度设定值。
进一步地，基于温度传感器330的设计，在本实施方式中，该温度传感 器330可以优选地采用3线制或4线制的PT100铂电阻。据此，相比于现有 试验设备的2线制的铂电阻，本公开能够进一步减少传输导线造成的误差。
进一步地，基于温度传感器330的设计，在本实施方式中，控制系统900 可以优选地采用先进型PID算法控制加热台300。
较佳地，在本实施方式中，加热台300底部可以优选地设置有隔热垫， 以此实现与底座100导热隔离，满足高温试验的要求。
进一步地，基于隔热垫的设计，在本实施方式中，隔热垫可以优选为陶 瓷类或其他硬质隔热材质，例如玻璃纤维、复合硅酸盐等。
较佳地，如图3至图5所示，在本实施方式中，加热台300顶部可以优 选地设置有导热台350，油盒310设置在导热台350上。在高温条件下的往 复式润滑性试验中，导热台350能将加热台300的热量传递至油盒310，进 而传递至油样。在低温条件下的往复式润滑性试验中，导热台350能够实现 油样的降温控制，满足低温条件下的往复式润滑性试验要求。
进一步地，基于导热台350的设计，在本实施方式中，导热台350可以 采用为带内置水套的铝块结构。其中，水套中可以循环流通有冷冻液，以实 现制冷功能，且铝材具有传热较快的特点，使得该结构的导热台350能够同 时适应高温及低温条件下的试验需要。在其他实施方式中，导热台350亦可 采用其他结构，例如，导热台350可以采用半导体制冷方式等，并不以本实 施方式为限。另外，导热台350亦可采用导热性能较好的其他金属材质或其 他材质，并不以本实施方式为限。
较佳地，如图3所示，在本实施方式中，加热台300(导热台350)顶部 的后端具有后端挡板351，油盒310后端与后端挡板351形成楔型卡槽结构， 可以便于油盒310设置在加热台300上时以其后端卡入后端挡板351内。在 此基础上，对于油盒310前端的固定，可以优选地采用从前面拧入斜向下的 螺栓3521将油盒310前端与加热台300(导热台350)的前端挡板352固定， 据此能够与后端挡板351的卡掣形成合力一起固定油盒310。通过上述设计，本公开既方便用户操作，也保证了油盒310与加热台300(导热台350)的良 好的导热接触。
较佳地，如图3至图5、图10至图12所示，在本实施方式中，激振器 200可以优选地通过支座220设置在底座100上。具体而言，支座220固定 在底座100上。激振器200通过轴承221可转动地设置在该支座220上。在 此基础上，如图8至图10所示，往复式试验机还可以优选地包括锁定机构， 该锁定机构主要包括双头螺杆231、锁定杆232以及两个偏心轮233。具体而 言，双头螺杆231水平设置且两端分别具有螺头。锁定杆232固定连接于双 头螺杆231。两个偏心轮233分别设置在轴承221的两端。偏心轮233的轮 心处设置有齿轮，两个偏心轮233的齿轮分别与双头螺杆231的两个螺头传 动配合(例如通过传动齿轮)。通过上述设计，锁定机构能够通过锁定杆232 带动双头螺杆231转动，使两个偏心轮233转动并可调节地抵顶于轴承221 的两端，从而实现对轴承221可调节地锁定。基于上述锁定机构的设计，在 安装试验球101和试验片102完毕后准备开始试验时，通过压下轴承221锁 定杆232，带动双头螺杆231转动，从而通过传动齿轮带动两个偏心轮233 转动，最终使两个偏心轮233夹紧锁定轴承221两端，从而实现轴承221的 锁定，使得激振器200与底座100形成刚性连接。当试验结束后，抬起锁定 杆232，松开两个偏心轮233，从而释放轴承221的两端解除锁定状态，激振 器200则可再次绕轴承221转动，便于拆卸试验球101和其他试验结束后的操作进行。通过上述设计，本公开能够减少支座220中轴承221间隙对试验 结果重复性的影响，能够进一步提高柴油润滑性试验中磨瘢数据的重复性。
较佳地，如图3至图5所示，在本实施方式中，冲程推杆210与激振器 200之间可以优选地使用绝缘圈240进行绝缘处理。试验球101、试验片102 与冲程推杆210、底座100之间均可优选地采用二次绝缘处理，避免激振器 200驱动电流干扰油膜厚度的测量的准确性。数控箱中可以优选地集成有直 流恒压源以及峰值和频率均固定的交流信号源，该直流恒压源和交流信号源 分别能够测量试验球101与试验片102之间的接触阻抗，直流恒压源和交流 信号源的电压值可根据不同试验条件选择为特定大小，例如1mV～100mV， 以防止电压值太高击穿油膜，或电压值太低影响油膜厚度的测量灵敏度。其 中，直流恒压源和交流信号源可以根据试验需要灵活切换。
较佳地，如图3所示，在本实施方式中，本公开提出的往复式试验机还 可以优选地包括平衡机构。具体而言，该平衡机构包括两个平衡单元810， 每个平衡单元810均设置在激振器200(包括激振器200的本体201、套管 202或平衡轴250)与底座100之间，且两个平衡机构分别设置在支座220 的前、后两侧。平衡机构能够利用两个平衡机构分别对激振器200的位于支 座220前侧和后侧的部分施力，从而调节激振器200相对支座220转动而达 成水平状态，进而实现对冲程推杆210的水平状态的调节。
进一步地，如图1所示，基于上述平衡机构的设计，在本实施方式中， 位于支座220前侧的平衡单元810可以优选地包括一对永磁体，其中一个永 磁体固定于激振器200(包括激振器200的本体201或套管202)，另一个永 磁体固定于底座100，且两个永磁体上下相对设置。并且，位于支座220后 侧的平衡单元810可以优选地包括一个电磁铁和一个永磁体，电磁铁固定于 底座100，永磁体固定于激振器200(包括激振器200的本体201或平衡轴250)，且电磁铁与永磁体上下相对设置。据此，平衡机构能够采用电磁斥力 的调节方式进行平衡状态的调节，保证加载的精确性。在其他实施方式中， 采用上述一对永磁体以及另一对电磁铁与永磁体的设计的两个平衡单元 810，亦可相对支座220前后互换位置，并不以本实施方式为限。
更进一步地，如图3所示，基于两个平衡单元810的上述具体设计，在 本实施方式中，平衡轴250上可以优选地设置有配重块820。据此，平衡机 构能够采用重力加电磁斥力的双重调节方式进行平衡状态的调节，其优势在 于试验过程中能稳定加载质量的动态波动。试验过程中，电磁铁通电，其余 相对应的磁铁产生磁斥力，并通过支座220前侧的一对永磁体的共同作用来 调节激振器200水平状态，进而调节冲程推杆210的水平状态，进一步保证 加载的精确性。
基于往复式试验机的控制系统900的具体设计，该往复式试验机的基本 工作原理大致包括：计算机及软件采集第一位移传感器610和第二位移传感 器620的测量反馈值并计算出冲程推杆210的真实冲程，即激振器200的冲 程的反馈值，并可根据冲程的反馈值计算出频率的反馈值。上位控制机构910 将冲程及频率的反馈值与预设值进行对比，基于冲程及频率的反馈值，上位 控制机构910能够根据对应于激振器200多个频率点位的响应模型的逆模型， 经过变结构控制算法计算出关于激振器200的驱动电流的电流设定值的控制指令，发送给数控箱里的单片机作为设定值。然后，经过数控箱中的功率放 大电路，输出驱动电流给激振器200。激振器200可以选用电磁式或电动式 原理，可绕支座220中的轴承221转动，在周期变化的驱动电流作用下，激 振器200通过与之相连的冲程推杆210带动试验球101夹具前后水平往复运 动。被测油样放在油盒310中被温控加热台300加热。改变驱动电流的大小 和频率，即可改变试验球101与试验片102之间的相对摩擦运动的冲程和频 率。试验过程中，通过测力机构700测量摩擦副的摩擦力大小，并且以测量 接触电阻大小来表征油膜的相对厚度。经过特定试验时间后，拆卸下试验球 101与油盒310中的试验片102，通过在显微镜下测量试验球101上的平均磨 瘢直径的大小来考察燃油的润滑特性的性能优劣。
承上所述，本公开提出的往复式试验机通过本实施方式中示例性描述的 基本设计构思，或结合上述一个或多个优选设计方案，至少能够达成以下优 点和功效：本公开结构设计科学、合理，满足精密仪器的设计规则，能够有 效提高试验结果的重复性、再现性，提高摩擦系数测量精度到小数点后两位。 再者，本公开采用电磁或电动式激振器200作为振动源，因此相比于电、液 压或机械产生的振动源具有结构紧凑，范围宽广，调节方便可靠、反应灵敏 等优点。另外，本公开的控制系统900采用上、下位机的方式，上位控制机 构910采用变结构控制算法，提高各种频率下冲程的控制精度(可达7μm 以内)，优于标准的20μm，提高了磨瘢直径试验结果的精密度，下位控制 机构920采用单片机实时控制，响应频率高，整机最高运行频率为500Hz。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的往复式试验机仅仅是 能够采用本公开原理的许多种往复式试验机中的几个示例。应当清楚地理解， 本公开的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的往复式试验机的任 何细节或往复式试验机的任何部件。
举例而言，本公开提出的往复式试验机还应包括数字测量系统，该数字 测量系统可以采用现有试验设备的数字测量系统的设计或部分数字测量元件 的设计，其可以包括数字摄像头、显微镜以及安装在上位控制机构(例如电 脑)中的与显微镜相匹配的控制和测量软件。
综上所述，本公开提出的往复式试验机，能够用于ISO 12156-1及 SH/T0765标准柴油润滑性试验，还能够用于润滑油、润滑材料的高温，宽频 率、宽冲程范围的摩擦磨损试验。该往复式试验机采用本公开提出的冲程测 量方法对冲程进行测量，相比于先往复式试验机克服了容易受到底座、弹性 支架振动干扰从而造成冲程测量不真实、不准确的缺点。本公开提出的往复 式试验机能够真实地测量往复式试验机的冲程，具有较高的测量精度。
进一步地，在本公开的其中一个实施方式中，当该往复式试验机主要包 括底座、激振器、冲程推杆、加热台、油盒、加载机构、第一位移传感器、 测力机构、托板、第二位移传感器以及控制系统时。托板浮动设于底座上， 加热台通过弹性支架设于托板上。第二位移传感器设于托板上并用于测量冲 程推杆与托板之间产生的第二位移。第一位移传感器用以测量冲程推杆与激 振器之间产生的第一位移。控制系统电连接于第一位移传感器、第二位移传 感器和激振器。控制系统能够根据第一位移和第二位移计算出冲程推杆的冲 程和频率的反馈值，并将反馈值与预设值进行比对分析，以此控制激振器输 出预设的冲程和频率。通过上述设计，本公开提出的往复式试验机相比于现 有试验设备，具备了变频范围内冲程控制精准、满足微动磨损要求、摩擦力 测量精度高、磨瘢直径试验结果重复性高的特点。
另外，为验证本公开提出的往复式试验机的性能，申请人联合57家试验 室(含外资第三方试验室)使用70余台三种品牌的同类型试验机(品牌比例 各占1/3)以及8种具有代表性的柴油样品(磨瘢直径在300μm～700μm之 间)，进行了500多次盲测比对试验。试验结果表明本公开提出的往复式试 验机的综合性能最佳，其中，重复性精密度表现为24.66μm，再现性精密度 表现为41.23μm，相比于现有试验设备均取得突破性进步。
本公开提出的往复式试验机能够满足国际标准ISO 12156-1:2016《用高 频往复试验机评定柴油的润滑性-第一部分：试验方法》和我国行业标准SH/T 0765《柴油润滑性评定法(高频往复试验机法)》对相关试验设备要求。
以上详细地描述和/或图示了本公开提出的往复式试验机的冲程测量方 法及往复式试验机的示例性实施方式。但本公开的实施方式不限于这里所描 述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描 述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分 和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在 介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和 “上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素 /组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说 明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字 限制。
虽然已根据不同的特定实施例对本公开提出的往复式试验机的冲程测量 方法及往复式试验机进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要 求的精神和范围内对本公开的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种往复式试验机的冲程测量方法，所述往复式试验机包括底座、托板、加热台、激振器以及冲程推杆，所述托板和所述激振器分别设于所述底座上，所述加热台设于所述托板上，所述冲程推杆水平设置并可往复移动地穿设于所述激振器；其特征在于，所述往复式试验机的冲程测量方法包括以下步骤：
测量所述冲程推杆与所述激振器之间产生的第一位移，并测量所述冲程推杆与所述托板之间产生的第二位移；
根据所述第一位移计算所述冲程推杆与所述底座之间产生的第三位移；
将所述第三位移与所述第二位移求差，得到所述托板与所述底座之间产生的第四位移；
根据所述第四位移计算所述托板与所述加热台之间的第五位移；以及
将所述第二位移与所述第五位移求差，得到所述冲程推杆与所述加热台之间产生的第六位移，即得到所述冲程推杆的冲程。
2.根据权利要求1所述的往复式试验机的冲程测量方法，其特征在于，在根据所述第一位移计算所述第三位移的步骤中，包括以下步骤：
根据所述底座、所述激振器和所述冲程推杆的结构关系，定义所述第三位移与所述第一位移之间的第一函数关系；以及
将所述第一位移代入所述第一函数关系中计算得出所述第三位移。
3.根据权利要求2所述的往复式试验机的冲程测量方法，其特征在于，所述第一函数关系为等比例函数关系。
4.根据权利要求1所述的往复式试验机的冲程测量方法，其特征在于，在根据所述第四位移计算所述第五位移的步骤中，包括以下步骤：
根据所述底座、所述托板和所述加热台的结构关系，定义所述第五位移与所述第四位移之间的第二函数关系；以及
将所述第四位移代入所述第二函数关系中计算得出所述第五位移。
5.根据权利要求1所述的往复式试验机的冲程测量方法，其特征在于，在根据所述第一位移计算所述第三位移的步骤中，是根据所述底座、所述激振器和所述冲程推杆的结构关系，定义所述第三位移与所述第一位移之间的第一函数关系，并将所述第一位移代入所述第一函数关系中计算得出所述第三位移；在根据所述第四位移计算所述第五位移的步骤中，是根据所述底座、所述托板和所述加热台的结构关系，定义所述第五位移与所述第四位移之间的第二函数关系，并将所述第四位移代入所述第二函数关系中计算得出所述第五位移；其中，所述第六位移是根据以下计算公式得出：
d6＝d2－f2[f1(d1)－d2]
上式中，f1(x)为所述第一函数关系，f2(x)为所述第二函数关系，d1为所述第一位移，d2为所述第二位移，d3为所述第三位移，d4为所述第四位移，d5为所述第五位移，d6为所述第六位移。
6.一种往复式试验机，包括底座、托板、加热台、激振器以及冲程推杆，所述托板和所述激振器分别设于所述底座上，所述加热台设于所述托板上，所述冲程推杆水平设置并可往复移动地穿设于所述激振器；其特征在于，所述往复式试验机还包括：
第一位移传感器，设于所述激振器，并被配置为测量所述冲程推杆与所述激振器之间产生的第一位移；
第二位移传感器，设于所述托板上，并被配置为测量所述冲程推杆与所述托板之间产生的第二位移；以及
控制系统，电连接于所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述激振器，所述控制系统被配置为采用权利要求1～5任一项所述的往复式试验机的冲程测量方法，计算出所述冲程推杆的冲程和频率的反馈值，并将所述反馈值与预设值进行比对分析，以此控制所述激振器输出预设的冲程和频率。
7.根据权利要求6所述的往复式试验机，其特征在于，所述第一位移传感器为直线电感式位移传感器；和/或，所述第二位移传感器为激光三角反射式位移传感器。
8.根据权利要求6所述的往复式试验机，其特征在于，所述往复式试验机还包括：
标识物，固定于所述冲程推杆；
其中，所述第二位移传感器被配置为测量所述标识物与所述托板之间产生位移，从而得到所述冲程推杆与所述托板之间产生的第二位移。
9.根据权利要求6所述的往复式试验机，其特征在于，所述控制系统包括：
上位控制机构，电连接于所述第一位移传感器和所述第二位移传感器，所述上位控制机构被配置为根据所述第一位移和所述第二位移计算出所述冲程推杆的冲程和频率的反馈值，并将所述反馈值与预设值进行比对分析，计算出电流设定值并发出相应的控制指令；以及
下位控制机构，电连接于所述上位控制机构和所述激振器，所述下位控制机构被配置为根据所述控制指令对所述激振器的驱动电流进行闭环跟踪控制，从而使所述激振器的驱动电流保持为所述电流设定值，进而使所述激振器输出至所述冲程推杆的冲程和频率保持为所述预设值。
10.根据权利要求9所述的往复式试验机，其特征在于，所述上位控制机构被配置为采用变结构控制算法计算出所述电流设定值。
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