CN112798396B - 冲程调节机构及具有该机构的往复式试验机 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种冲程调节机构及具有该机构的往复式试验机。冲程调节机构包括调节弹性片以及调节组件。弹性调节片设于激振器的内腔，冲程推杆穿设并连接于弹性调节片，弹性调节片被配置为可调节地对冲程推杆施加一弹性阻力，弹性阻力的方向平行于冲程推杆的轴向。调节组件连接于弹性调节片，并被配置为对弹性调节片施加沿冲程推杆轴向的压紧力，以此调节弹性阻力。

Description

冲程调节机构及具有该机构的往复式试验机

技术领域

本公开涉及摩擦磨损学试验技术领域，尤其涉及一种冲程调节机构及具有该机构的往复式试验机。

背景技术

高频往复式摩擦磨损试验机，其受到的摩擦阻力随机性强，当油膜破裂后的干摩擦值与流体润滑时的摩擦值相差很大，因此造成冲程的控制难度很大。同时被控对象激振器在不同工作频率点，其响应特性非线性较为严重，因此采用简单的PID反馈控制较难达到精确的控制精度。而冲程的控制精度是影响磨瘢直径试验结果中非常重要的一个因素。

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。磨瘢直径的统计数据表明，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。

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，提供一种能够提高往复式试验机的冲程控制精度的冲程调节机构。

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，提供一种具有上述冲程调节机构的往复式试验机。

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，提供一种冲程调节机构，设置于往复式试验机。所述往复式试验机包括底座、激振器、冲程推杆、加热台、油盒和托板，所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副。其中，所述冲程调节机构包括调节弹性片以及调节组件。所述弹性调节片设于所述激振器的内腔，所述冲程推杆穿设并连接于所述弹性调节片，所述弹性调节片被配置为可调节地对所述冲程推杆施加一弹性阻力，所述弹性阻力的方向平行于所述冲程推杆的轴向。所述调节组件连接于所述弹性调节片，并被配置为对所述弹性调节片施加沿所述冲程推杆轴向的压紧力，以此调节所述弹性阻力。

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、激振器、冲程推杆、加热台、油盒和托板。所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副。其中，所述往复式试验机还包括控制系统以及本公开提出的且在上述实施方式中详细说明的所述的冲程调节机构，所述控制系统电连接于所述调节组件，所述控制系统被配置为控制所述调节组件施加的所述压紧力的方向和大小。

由上述技术方案可知，本公开提出的冲程调节机构及具有该机构的往复式试验机的优点和积极效果在于：

本公开提出的冲程调节机构包括调节弹性片以及调节组件。所述弹性调节片设于所述激振器的内腔，所述冲程推杆穿设并连接于所述弹性调节片，所述弹性调节片被配置为可调节地对所述冲程推杆施加一弹性阻力，所述弹性阻力的方向平行于所述冲程推杆的轴向。所述调节组件连接于所述弹性调节片，并被配置为对所述弹性调节片施加沿所述冲程推杆轴向的压紧力，以此调节所述弹性阻力。通过上述设计，本公开提出的冲程调节机构能够将冲程控制精度提升至优于1000微米±7微米，相比于ISO 12156-1及SH/T 0765标准柴油润滑性试验中1000微米±20微米的冲程精度要求大幅提升，提高了往复式试验机的磨瘢直径试验结果重复性、以及摩擦力测量精度。

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根据一示例性实施方式示出的一种冲程测量机构设于往复式试验机时的局部透视图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1示出的往复式试验机的摩擦副的受力分析图；

图4是图1示出的往复式试验机的摩擦副的另一受力分析图；

图5是图1示出的往复式试验机的摩擦副的又一受力分析图；

图6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7是图6的俯视图；

图8是图6的侧视图；

图9是图6示出的往复式试验机的控制系统的系统示意图；

图10是图6示出的往复式试验机的控制系统的另一系统示意图；

图11是激振器与频率响应特性关系曲线图；

图12是图6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13是图6示出的往复式试验机的锁定机构的示意图；

图14是图13示出的往复式试验机在一状态下的部分示意图；

图15是图13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；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；261.弹性调节片；262.调节单元；2621.电机；2622.弹性件；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；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冲程调节机构安装于一往复式试验机的局部透视图。在该示例性实施方式中，本公开提出的冲程调节机构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冲程调节机构的原理的范围内。

配合参阅图2至图5，图2中代表性地示出了图1的侧视图；图3中代表性地示出了摩擦副的受力分析图；图4中代表性地示出了摩擦副的另一受力分析图；图5中代表性地示出了摩擦副的又一受力分析图。以下结合上述附图，对本公开提出的往复式试验机的关于冲程调节的控制方法的优化设计进行详细说明，同时对冲程调节机构260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1所示，在本实施方式中，本公开提出的冲程调节机构可以用于调节往复式试验机的冲程，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，对本公开提出的冲程调节机构进行详细说明。

如图1和图2所示，在本实施方式中，本公开提出的冲程调节机构260至少可以包括弹性调节片261以及调节组件。弹性调节片261设置在激振器200的内腔，冲程推杆210穿设并连接于弹性调节片261，弹性调节片261能够可调节地对冲程推杆210施加一弹性阻力，弹性阻力的方向平行于冲程推杆210的轴向。调节组件连接于弹性调节片261，调节组件能够对弹性调节片261施加沿冲程推杆210的轴向的压紧力，以此调节弹性调节片261对冲程推杆210施加的弹性阻力。其中，控制系统900电连接于调节组件，控制系统900被能够控制调节组件对弹性调节片261施加的压紧力的方向和大小。弹性调节片261具有防止冲程推杆210弯曲和防止激振器200切向运动的作用，同时可以根据不同摩擦力的大小，调整弹性调节片261的刚度。通过上述设计，本公开能够在“弹性调节片261刚度太大时底座100振动增强”与“弹性调节片261刚度太小时摩擦力粘滑干扰加大”这两个矛盾因素中达成平衡。据此，本公开提高了高频率、微小冲程，低频率、大冲程等变频润滑性试验中冲程的控制精度和润滑性试验中磨瘢数据的重复性。另外，在本实施方式中，是以冲程调节机构260在每次试验开始之前对冲程进行调节控制为例进行说明的。即，在试验开始之前，可以根据不同的试验需要，利用控制系统900控制调节组件调节弹性调节片261对冲程推杆210的施力方向和大小(即调节弹性调节片261的刚度大小)。在其他实施方式中，亦可同时利用该冲程调节机构260参与试验过程中的对冲程的动态控制，并不以本实施方式为限。

通过上述设计，本公开提出的冲程调节机构260能够将冲程控制精度提升至优于1000微米±7微米，相比于ISO 12156-1及SH/T 0765标准柴油润滑性试验中1000微米±20微米的冲程精度要求大幅提升，提高了往复式试验机的磨瘢直径试验结果重复性、以及摩擦力测量精度。

从往复式摩擦过程的力学角度分析，弹性调节片261与摩擦力(试验球101与实验片之间)共同构成了妨碍摩擦副相对往复运动的阻力，而激振器200的驱动力为推动和拉动摩擦副相对往复运动的动力。摩擦力因其油膜破裂的随机性，并且油膜破裂前后摩擦力的数值差距大，因此造成摩擦副受到的阻力值随机突变，因此调节激振器200驱动力来应对阻力值的突变难度很大，尤其用于高频控制、微动磨损时，其冲程的控制难度更大。由于弹性调节片261的弹性阻力符合胡克定律，其阻力值随着冲程的增加而线性增大，规律性明显，易于控制。因此增加弹性调节片261的弹性阻力与摩擦力的比例，使得摩擦力的随机突变在整个阻力合力里占比减少，从而能够明显降低冲程控制的难度。同时，过大的弹性阻力，也不利于冲程控制精度的提高。更大的弹性阻力，意味着需要更大的激振器200的驱动力，也意味着激振器200传递给底座100的反作用力也增大，引起底座100的振动，从而影响冲程的测量精度和摩擦系数的测量精度。

为实现上述冲程调节的功能，根据不同的试验要求，本公开能够动态地调整弹性调节片261的刚度，提供适合的弹性阻力，从而能够最大化的提高往复式试验机的整体控制精度。

较佳地，如图1和图2所示，在本实施方式中，调节组件可以优选地包括多个调节单元262。例如图13示出的局部透视结构中能够观察到两个调节单元262，又如图14示出的局部透视结构中亦能观察到两个调节单元262。具体而言，每个调节单元262可以优选地包括电机2621以及弹性件2622。电机2621固定在激振器200的内腔，电机2621与弹性调节片261在冲程推杆210的轴向上间隔布置。弹性件2622连接在电机2621与弹性调节片261之间。其中，调节组件被配置为通过电机2621驱动弹性件2622对弹性调节片261施加压紧力。在其他实施方式中，调节组件亦可仅包括一个调节单元262，即调节组件包括至少一个调节单元262，并不以本实施方式为限。

进一步地，如图1和图2所示，基于每个调节单元262包括电机2621和弹性件2622的设计，在本实施方式中，每个调节单元262还可以优选地包括另一弹性件2622。该另一弹性件2622连接在弹性调节片261与激振器200之间，且调节单元262的两个弹性件2622分别位于弹性调节片261的在冲程推杆210的轴向上的前后两侧。在其他实施方式中，当调节组件包括多个调节单元262时，亦可将部分调节单元262采用具有上述另一弹性件2622的设计，而将其余调节单元262采用仅具有一个弹性件2622的设计，即多个调节单元262的至少其中之一可以优选地包括另一弹性件2622，并不以本实施方式为限。

进一步地，基于调节组件包括多个调节单元262的设计，在本实施方式中，多个调节单元262可以优选地围绕冲程推杆210的外周分布。更进一步地，多个调节单元262可以优选地围绕冲程推杆210的外周间隔均匀地分布。

较佳地，如图1和图2所示，基于冲程调节机构260包括调节组件和弹性调节片261的设计，同时基于激振器200包括本体201和套管202的设计，在本实施方式中，弹性调节片261可以优选地设置在套管202的管腔内，调节组件亦可优选地设置在套管202的管腔内。

承上所述，如图3所示，摩擦副包含可运动的试验球101以及固定不动的试验片102。激振器200输出驱动力Q给冲程推杆210带动试验球101在初始位置(实线示出的试验球101的位置)与振动边界(虚线示出的试验球101的位置)之间往复运动。冲程推杆210通过弹性调节片261与激振器200(例如套管202)相连接，冲程推杆210向左运动时带动弹性调节片261发生向左的弯曲变形(虚线示出的弹性调节片261的变形状态)。试验球101与冲程推杆210紧密地相连接，两者可以作为一个整体进行受力分析，在冲程推杆210与试验球101向左运动时，受到激振器200的向左方向的驱动力Q、弹性调节片261向右的弹性阻力T，以及试验片102对试验球101的摩擦力f。据此，试验球101与冲程推杆210的受力运动方程为：

Q－(T+f)＝ma

上式中，m为试验球101与冲程推杆210的质量，a为试验球101与冲程推杆210的运动加速度。

其中，加速度a的二次积分即为冲程瞬时值，于是冲程的精度控制，可以通过动态调节驱动力Q来控制加速度a。摩擦力f因为随机性较大，油膜破裂后瞬间摩擦力激增，造成临时调整驱动力Q的控制难度高。而当弹性阻力T远大于摩擦力f时，摩擦力f的变化引起的“T+f”的整体阻力值变化较小。由于弹性阻力T与弹性形变成反比，弹性形变与冲程瞬时值成比例关系。因此，当弹性阻力T远大于摩擦力f时，摩擦力f整体显现出与冲程值成反比的规律特征，冲程的控制难度大幅下降。

如图4所示，当弹性阻力T增大时，激振器200的驱动力Q也需要增大，相应的激振器200的反作用力也增大，使激振器200外壳、底座100往复振动，进而带动试验片102在初始位置与振动边界之间往复振动。冲程推杆210的冲程可以定义为试验球101与试验片102之间的最大相对运动距离，试验片102的往复振动，造成冲程测量精度降低，从而使得冲程控制精度下降。因此，不宜一味的通过增加弹性调节片261的刚度来增加弹性阻力T，弹性调节片261的刚度需要控制在一个合适的范围内，且该范围与摩擦力f、试验频率、试验冲程均相关。

如图5所示，本公开在弹性调节片261的两侧使用调节组件(例如弹簧)对弹性调节片261限位。当调节组件向左拉动时，弹性调节片261被压紧，因此其刚性增大，弹性阻力T也相应增加；当调节组件向右拉动时，弹性调节片261被松开，此时其刚性降低，弹性阻力T相应减小。据此，可以优选地在控制系统900中根据不同的冲程设定值、频率设定值、摩擦力大小来调整调节组件调节弹性调节片261的运动位移，从而动态改变弹性调节片261的刚度。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的冲程调节机构仅仅是能够采用本公开原理的许多种冲程调节机构中的几个示例。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冲程调节机构的任何细节或往冲程调节机构的任何部件。

参阅图6，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原理的范围内。

如图6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7至图12，图7中代表性地示出了图6示出的往复式试验机的俯视图；图8中代表性地示出了图6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9中代表性地示出了图6示出的往复式试验机的控制系统900的系统示意图；图10中代表性地示出了控制系统900的另一系统示意图；图11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12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13中代表性地示出了往复式试验机的锁定机构的示意图；图14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15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6至图8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托板400、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，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9至图12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9至图12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11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12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10和图11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10中，横坐标为频率，纵坐标为激振器200的增益系数。在图11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6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6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6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6至图8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6至图8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6至图8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6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6至图8、图13至图15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13至图15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6至图8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6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6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6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调节机构，能够将冲程控制精度提升至优于1000微米±7微米，相比于ISO12156-1及SH/T 0765标准柴油润滑性试验中1000微米±20微米的冲程精度要求大幅提升，提高了往复式试验机的磨瘢直径试验结果重复性、以及摩擦力测量精度。

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。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冲程调节机构及具有该机构的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冲程调节机构及具有该机构的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 (11)

1.一种冲程调节机构，设置于往复式试验机，所述往复式试验机包括底座、激振器、冲程推杆、试验片、加热台、油盒和托板，所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒中并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副；其特征在于，所述冲程调节机构包括：

弹性调节片，设于所述激振器的内腔，所述冲程推杆穿设并连接于所述弹性调节片，所述弹性调节片被配置为可调节地对所述冲程推杆施加一弹性阻力，所述弹性阻力的方向平行于所述冲程推杆的轴向；以及

调节组件，连接于所述弹性调节片，并被配置为对所述弹性调节片施加沿所述冲程推杆轴向的压紧力，以此调节所述弹性阻力。

2.根据权利要求1所述的冲程调节机构，其特征在于，所述调节组件包括至少一个调节单元，每个所述调节单元包括：

电机，固定于所述激振器，并与所述弹性调节片在所述冲程推杆轴向上间隔布置；以及

连接件，连接于所述电机与所述弹性调节片之间；

其中，所述调节组件被配置为通过所述电机驱动所述连接件对所述弹性调节片施加所述压紧力。

3.根据权利要求2所述的冲程调节机构，其特征在于，所述调节单元的至少其中之一还包括：

另一连接件，连接于所述弹性调节片与所述激振器之间；

其中，所述调节单元的两个所述连接件分别位于所述弹性调节片的在所述冲程推杆轴向上的前后两侧。

4.根据权利要求2所述的冲程调节机构，其特征在于，所述调节组件包括多个调节单元，多个所述调节单元围绕所述冲程推杆分布。

5.根据权利要求4所述的冲程调节机构，其特征在于，多个所述调节单元围绕所述冲程推杆间隔均匀地分布。

6.根据权利要求1所述的冲程调节机构，其特征在于，所述激振器包括本体和套管，所述套管固定于所述本体的前端，所述冲程推杆穿设于所述套管和所述本体，且所述冲程推杆的自由端由所述套管的前端伸出；其中，所述弹性调节片和所述调节组件分别设于所述套管的管腔内。

7.一种往复式试验机，包括底座、激振器、冲程推杆、试验片、加热台、油盒和托板，所述激振器和所述托板分别设于所述底座，所述冲程推杆可往复移动地穿设于所述激振器并具有自由端，所述自由端设有试验球，所述加热台通过弹性支架设于所述托板上，所述油盒设于所述加热台上，所述试验片设于所述油盒中并位于所述试验球下方，所述试验球和所述试验片界定摩擦副；其特征在于，所述往复式试验机还包括权利要求1～6任一项所述的冲程调节机构以及控制系统，所述控制系统电连接于所述调节组件，所述控制系统被配置为控制所述调节组件施加的所述压紧力的方向和大小。

8.根据权利要求7所述的往复式试验机，其特征在于，所述底座固定有支座，所述激振器通过轴承可转动地设于所述支座；其中，所述往复式试验机还包括轴承锁定机构，所述轴承锁定机构包括：

双头螺杆，水平设置且两端具有螺头；

锁定杆，固定连接于所述双头螺杆；以及

两个偏心轮，分别设于所述轴承的两端，所述偏心轮的轮心处设有齿轮，两个所述偏心轮的所述齿轮分别与所述双头螺杆的两个螺头传动配合；

其中，所述轴承锁定机构被配置为通过锁定杆带动所述双头螺杆转动，使两个所述偏心轮转动并可调节地抵顶于所述轴承的两端，实现对所述轴承可调节地锁定。

9.根据权利要求8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平衡机构，所述平衡机构包括两个平衡单元，所述平衡单元设于所述激振器与所述底座之间，两个所述平衡单元分别位于所述支座的前侧和后侧，两个所述平衡单元被配置为分别对所述激振器的位于所述支座前侧和后侧的部分施力，从而调节所述激振器相对所述支座转动而保持水平状态。

10.根据权利要求9所述的往复式试验机，其特征在于，两个所述平衡单元的至少其中之一包括电磁铁和永磁体，所述电磁铁和所述永磁体的其中之一设于所述激振器，其中另一个设于所述底座，所述电磁铁被配置为通过通电而产生作用于所述永磁体的磁场，从而在所述电磁铁与所述永磁体之间形成一磁吸力或一磁斥力。

11.根据权利要求10所述的往复式试验机，其特征在于，两个所述平衡单元的其中之一包括所述电磁铁和永磁体，其中另一包括另一对永磁体，一对所述永磁体分别设于所述激振器和所述底座，一对所述永磁体之间具有一磁吸力。