CN113176162B - 一种全浮式活塞销摩擦试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力机械技术领域内的一种全浮式活塞销摩擦试验装置，包括机架和运动模拟系统；运动模拟系统包括承力座、连杆、凸轮、复位弹簧和传动机构，承力座设置有轴孔，两块承力座间隔设置于机架上，两个轴孔用于安装待测试活塞销，连杆的一端套接于位于两个轴孔之间的待测试活塞销上；复位弹簧的一端连接于连杆的侧面，复位弹簧的另一端通过机架固定，凸轮与连杆的另一侧面接触；传动机构带动凸轮转动，凸轮推动连杆转动，复位弹簧使连杆复位。本发明在进行实验研究时可最大程度还原全浮式活塞销在实际工作中的真实状态，为深入研究活塞销表面摩擦磨损机理提供有力支撑。

Description

一种全浮式活塞销摩擦试验装置

技术领域

本发明涉及动力机械技术领域，具体地，涉及一种全浮式活塞销摩擦试验装置。

背景技术

从小型车用发动机到大型船舶发动机，活塞销作为内燃机的主要工作部件之一，其使用寿命对整个发动机的寿命都有着重要的影响。活塞销在工作工程中需要承受巨大载荷，其表面也同其他零部件不断产生摩擦，活塞销的摩擦磨损程度对整机的工作性能有着重要的影响。活塞销磨损程度过大时，会导致轴瓦与活塞销之间的间隙增大，活塞销的二阶运动加剧，导致整机的振动和噪声增大；过大的间隙还会导致气缸压力对连杆以及其下方的曲轴产生强烈的刚性冲击，连杆、曲轴乃至轴承基座也会受到破坏。因此，进行活塞销的摩擦磨损实验研究，探究其摩擦磨损机理对提高发动机性能，延长发动机使用寿命具有重要的意义。

一方面，内燃机活塞销的安装方式有两种，即全浮式安装与半浮式安装，全浮式安装即指当发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，此种安装方式可使磨损更加均匀，因此在生产装配中这种设计安装方式被广泛采用；半浮式安装即指活塞销与活塞销座和连杆小头之间只有一者可以自由旋转，另一者相互固定的连接形式。全浮式活塞销摩擦磨损实验难以开展的主要原因就是现有的实验台架无法模拟全浮式活塞销的真实工作状态，更难以获得准确的实验结果。目前，现有研究中还没有能够专门针对全浮式活塞销进行模拟实验的方案设计。

另一方面在内燃机实际工作状态下，活塞销处的润滑情况、热力场分布、其所承受的压力载荷，活塞销-连杆小头摩擦副间的相对运动，均会对活塞销表面摩擦磨损情况产生一定影响，综合考虑上述因素的影响是保证实验结果准确可靠的前提。目前现有的活塞销摩擦磨损实验台架多是只能考虑上述一种或几种因素对活塞销摩擦磨损情况的影响，导致实验结果与实际情况相差较大，不能很好地起到对理论计算进行验证的作用。

经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN105675423A，公开了一种摩擦磨损测试系统，特指一种发动机缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损测试系统，摩擦磨损测试系统主要由动力系统、传动系统、加热及温控系统、加载系统、数据测试系统与辅助支承系统组成。本发明采用这样的结构设置，在实际使用过程中，可模拟发动机的往复运动，在较大的选择范围内对速度、负荷、温度、摩擦副表面情况等参数进行调整选择，进行在各种环境下的缸套-活塞环摩擦磨损实验，通过模拟实验研究，可对试样在各种影响因素下的摩擦磨损性能的变化情况进行考察，从而实现对试样的摩擦学特性及其相应产品使用性能的综合考察分析。该专利技术主要针对活塞环的摩擦磨损试验提出的，无法适用于活塞销的摩擦磨损试验。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全浮式活塞销摩擦试验装置。

根据本发明提供的一种全浮式活塞销摩擦试验装置，包括机架和运动模拟系统；

所述运动模拟系统包括承力座、连杆、凸轮、复位弹簧和传动机构，所述承力座设置有轴孔，两块所述承力座间隔设置于所述机架上，两个所述轴孔用于安装待测试活塞销，所述连杆的一端套接于位于两个所述轴孔之间的待测试活塞销上；

所述复位弹簧的一端连接于所述连杆的侧面，所述复位弹簧的另一端通过所述机架固定，所述凸轮与所述连杆的另一侧面接触；

所述传动机构带动所述凸轮转动，所述凸轮推动所述连杆转动，所述复位弹簧使所述连杆复位。

一些实施方式中，所述传动机构包括电机、传动齿轮和传动轴，所述电机安装于所述机架上，所述传动齿轮与所述电机转动连接，所述传动齿轮通过所述传动轴带动所述凸轮转动。

一些实施方式中，所述运动模拟系统还包括角度传感器，所述角度传感器用于实时检测所述电机的转角。

一些实施方式中，还包括润滑系统，所述润滑系统包括注油管、油泵和油箱，所述油泵将所述油箱内的润滑油通过所述注油管输送至所述轴孔与待测试活塞销的接触面和所述连杆与待测试活塞销的接触面。

一些实施方式中，所述润滑系统还包括流量传感器，所述流量传感器安装于所述注油管上，用于实时测量注入的润滑油量。

一些实施方式中，还包括加载系统，所述加载系统包括加载器和加载板，所述加载板的内表面与套接待测试活塞销的所述连杆的端部外表面贴合，所述加载板的外表面与所述加载器传动连接，所述加载器推动所述加载板对所述连杆施加外力。

一些实施方式中，所述加载板内表面设有储油槽，所述注油管与所述加载板连通，所述储油槽用于接收并储存所述注油管注入的润滑油。

一些实施方式中，还包括加热系统，所述加热系统包括加热线圈，两个所述轴孔安装待测试活塞销后，所述加热线圈位于待测试活塞销的两端外侧。

一些实施方式中，所述加热系统还包括温度传感器，所述温度传感器安装于待测试活塞销中，实时检测待测试活塞销的温度值。

一些实施方式中，还包括控制系统，所述控制系统包括中央控制器，所述中央控制器与所述运动模拟系统、所述润滑系统、所述加载系统以及所述加热系统电连接，所述中央控制器接收并调整所述运动模拟系统、所述润滑系统、所述加载系统以及所述加热系统的运行参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过结构设置，使得连杆的小头与套接的待测试活塞销之间以及待测试活塞销和承力座的轴孔之间均可在不平衡摩擦力矩的作用下相互转动，进行实验研究时可最大程度还原全浮式活塞销在实际工作中的真实状态，获得的实验结果可为深入研究活塞销表面摩擦磨损机理提供有力支撑。

2、本发明通过润滑、加热、加载等系统的匹配设置，进一步提高全浮式活塞销摩擦实验测试过程与实际工况的一致性，提升测试的精确度。

3、本发明通过设置控制系统实现对各系统运行数据的采集与控制，提高测试精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明运动模拟系统结构示意图；

图3为本发明润滑系统结构示意图；

图4为本发明加载系统结构示意图；

图5为本发明加热线圈结构示意图；

图6为本发明机架结构示意图；

图7为电机转角同加载力之间的关系示意图；

图8加载系统反馈控制流程；

图9控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种全浮式活塞销摩擦实验装置，如图1-9所示，包括机架1和安装于机架1上的运动模拟系统2。机架1为框架结构，优选为矩形双层框架结构，能为多个配套设备提供安装位置，并且节约了台架的占地面积，机架1的上、中、下位置为支撑钢板，板材之间采用金属支架进行支撑，支架同板材之间通过高强度螺栓进行连接。运动模拟系统2包括承力座21、连杆22、凸轮23、复位弹簧24以及传动机构25。承力座21设有轴孔211，轴孔211用于安装待测试活塞销6。承力座21可为矩形、三角形、Ω型等。两块承力座21间隔一定距离固定安装于机架1上层框架结构的底板上，两块承力座21上的轴孔211的中轴线相重合，待测试活塞销的两端分别穿入两轴孔211中。连杆22的形状仿照活塞连杆的实际形状制作成具有大小头的两端，两端之间的侧杆为内凹的弧形杆。连杆22的小头为筒状的轴套结构，用于套接待测试活塞销。承力座21、连杆22和待测试活塞销三者的安装顺序为：连杆22的小头置于两轴孔211之间，待测试活塞销的其中一端依次穿过一侧轴孔211、连杆22的小头后至另一侧轴孔211中后，待测试活塞销的两端置于两轴孔211中，且连杆22的小头位于两轴孔211之间并可前后进行一定幅度的旋转。连杆22与待测试活塞销连接后成倒立状态，即连杆22的大头在其小头的上方，将复位弹簧24的一端连接于连杆22一侧的弧形侧杆上，其复位弹簧24的另一端通过机架1实现固定，凸轮23与连杆22另一侧的弧形侧杆相接触，复位弹簧24和凸轮23两者位于连杆22相对的两侧面，用于保持成倒立状态的连杆22的静态或动态的平衡。

凸轮23与传动机构25传动连接并通过传动机构25实现旋转，其传动机构25优选为齿轮啮合传动机构，包括电机251、传动齿轮252和传动轴253。电机251安装于机架1的上层底板上，与承力座21位于同一底板上，其传动齿轮252为一对相啮合的齿轮副，包括第一传动齿轮2521和第二传动齿轮2522，电机251的输出轴与第一传动齿轮2521连接，第二传动齿轮2522与传动轴253连接，同时传动轴253与凸轮23连接。优选的，传动轴253的两端分别转动连接于设置在机架1两侧边的支撑板11上，其支撑板11开设有中心孔，其中心孔内安装有轴承，传动轴253的两端置于轴承中。连接于连杆22侧面的复位弹簧24可为一根，亦可为多根，优选为2根，2根复位弹簧分别连接在靠近连杆22侧面的上下两端，提供更为均匀的旋转力。其复位弹簧24另一端优选通过活动连接于机架1上的弹簧固定柱26实现连接定位，可通过结构设置实现弹簧固定柱26与机架1位置的相对移动，从而调整复位弹簧24的弹力和位置。

本发明的工作原理为：启动电机251，带动齿轮副形式的传动齿轮252转动，进而带转动连接于两支撑板11中的传动轴253转动，传动轴253带动凸轮23转动，待凸轮23向着凸点的方向转动时，凸轮23推动连杆22向着复位弹簧24的方向旋转，当凸轮23到达凸点位置时，连杆22向着复位弹簧24的方向摆动角度达到最大，随着凸轮23继续转动到达初始位的过程中，复位弹簧24通过其弹力推动连杆22向着凸轮23的方向转动。在连杆22通过凸轮23和复位弹簧24进行周期性摆动过程中，连杆的小头与套接的待测试活塞销之间以及待测试活塞销和承力座的轴孔之间均可在不平衡摩擦力矩的作用下相互转动，进行实验研究时可最大程度还原全浮式活塞销在实际工作中的真实状态，获得的实验结果可为深入研究活塞销表面摩擦磨损机理提供有力支撑。

优选的，运动模拟系统2中还包括有角度传感器，优选的，角度传感器安装于电机251中，用于实时检测电机转动角度，进而获得连杆转动角度，并可将相应的转动角度信息传递至控制系统对电机251的转动角度和转速进行实时有效的控制。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过润滑、加热、加载等系统的匹配设置，进一步提高全浮式活塞销摩擦实验测试过程与实际工况的一致性，提升测试的精确度。具体地：

如图1-9所示，全浮式活塞销摩擦实验装置中设置有润滑系统3，其润滑系统包括注油管31、油泵32和油箱33。油泵32和油箱33均安装固定于机架1的下层框架的底板上，油泵32与油箱33通过管道连通，注油管31与油泵32的输出管连通，注油管31为单根多接头或多根，注油管31通过其端部设置的注油嘴与连杆22小头以及承力座21上的注油孔相连接。油泵32抽取油箱33内的润滑油并将润滑油通过输出管输入至注油管31内，在油泵32相应压力下，注油管31内的润滑油通过连杆22小头以及承力座21上的注油孔注入至待测试活塞销与连杆22小头的接触面以及待测试活塞销和轴孔211的接触面，对待测试活塞销进行润滑，可有效模拟内燃机真实工作状态下活塞销处的润滑情况。

优选的，润滑系统3还包括有流量传感器，流量传感器安装于注油管31上，流量传感器用于实时测量润滑油的注入量，可将相应注入量信息实时传递至控制系统，控制系统通过控制油泵的泵油量实现与活塞销真实润滑状态的匹配控制。

全浮式活塞销摩擦实验装置中还设置有加载系统4，通过加载系统4增大对连杆22小头与待测试活塞销以及待测试活塞销与轴孔211之间的压力。加载系统4包括有加载器41和加载板42，加载板42与连杆22小头的外表面相贴合连接，加载器41为带有伸缩轴的液压缸，其伸缩轴的端部与加载板42的外表面相连接。启动加载器41后，通过伸缩轴推动加载板42，进而由加载板42将加载力传递至连杆22的端部以及待测试活塞销上。连杆22的小头的外表面优选为圆周面，此时，其加载板42的形状为弧形板，与连杆22小头的外表面相贴合，减少连杆22旋转过程中的摩擦阻力。加载系统4的加载力通过控制系统进行严格控制，加载力的大小同该相位下的真实气缸压力作用在活塞上的力保持一致，加载力的相位同连杆摆动的相位保持同步关系。

通过设计凸轮型线设计，使得电动机转角θ同摆动连杆摆角β满足下列公式：

β＝acrsin(csinθ) (1)

其中c为常数，由实际内燃机曲轴连杆尺寸决定。

则其加载力F同电动机转角θ满足如下关系式：

F(θ)＝P(θ)S-F_{int eria}(θ)-F_f(θ) (2)

其中，P(θ)表示发动机气缸压力随转角θ变化，S表示活塞顶部面积，F_interia(θ)表示活塞在不同电动机转角下所受到的惯性力，F_f(θ)表示不同电动机转角下活塞同缸套之间的摩擦力；

优选的，在加载板42与连杆22外表面相贴合的内表面上设有储油槽421，储存槽421与注油管31相连通，即储油槽421通过注油管31获得润滑油，大幅降低加载板42与连杆22外表面之间的摩擦力，在加载板42将加载力传递至连杆22时，两者可相对容易的进行转动，降低电机251的输出功率的同时，提高部件的使用寿命。

全浮式活塞销摩擦实验装置中还设置有加热系统5，加热系统5包括有2个加热线圈51，两个加热线圈51安装于待测试活塞销的两端处的轴孔211内。加热线圈51优选为电磁加热线圈，加热线圈51在与待测试活塞销不接触的情况下即可对其进行加热，即实现非接触式加热，避免对活塞销运转的影响。进一步优选的，加热系统5还包括有温度传感器，其温度传感器安装于待测试活塞销的内部开设的孔内，以实时检测待测试活塞销的温度，并可将温度数据传递至控制系统以达到对加热系统的加热温度、功率参数等进行设置，使之贴合活塞销的实际工况。

实施例3

本实施例3是在实施例2的基础上形成，通过匹配控制系统实现对各系统运行数据的采集与控制，提高测试精度。具体地：

如图1-9所示，全浮式活塞销摩擦实验装置中还设置有控制系统，控制系统主要包括中央控制器，中央控制器与运动模拟系统2、润滑系统3、加载系统4以及加热系统5电连接，中央控制器通过接收运动模拟系统2、润滑系统3、加载系统4以及加热系统5的相应运行数据，包括接收角度传感器、流量传感器以及温度传感器实时检测传递的数据，通过反馈机制调整各系统的运行参数。中央控制器接收角度传感器反馈的实时检测数据，通过调整电动机转速实现加载系统以及运动模拟系统的相位同步控制，其控制流程为：当向控制系统输入电动机转速信息时，通过中央控制系统计算可以得到电动机输出轴的转角，但由于电动机实际制造误差以及实验台架振动等外部因素的扰动，电动机的实际转角会产生误差，此时利用角度传感器测量电动机的实际转角，经中央控制器处理后向电动机传递一反馈信号，改变电动机转速，用于实时补偿转角误差。在相应的电机转角下，中央控制器控制压电加载装置，使其施加该转角下的额定加载力，从而实现了加载力和电机转角之间的匹配关系。

中央控制器接收温度传感器反馈的实时检测数据，通过控制加热线圈的功率实现加热系统的功率与活塞销实际工况温度的匹配，控制流程为：当向中央控制器输入加热功率信号，中央控制器控制加热线圈使其按照额定功率加热，目的是使活塞销处的温度分布满足实际情况，但由于线圈的功率损失以及台架运行工况等其它因素的扰动，活塞销处的温度达不到额定值，此时温度传感器将实际温度作为反馈信号传递给中央控制器，控制器改变线圈加载功率，最终使得活塞销处的温度分布满足实际工况。

中央控制器接收流量传感器反馈的时时检测数据，通过控制油泵的泵油量，实现润滑系统的流量与活塞销真实润滑工况的匹配，控制流程为：当向中央控制器输入流量控制信号，中央控制器控制液压油泵使其按照额定流量曲线供油，目的是使活塞销处的润滑状态满足实际情况，但由于液压油泵本身的误差以及活塞销处运动状态等其它因素的扰动，实际输出流量往往达不到额定值，此时流量传感器将测得的实际流量作为反馈信号传递给中央控制器，控制器改变液压油泵输出流量，最终使得活塞销处的润滑状态满足实际工况。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，包括机架(1)和运动模拟系统(2)；

所述运动模拟系统(2)包括承力座(21)、连杆(22)、凸轮(23)、复位弹簧(24)和传动机构(25)，所述承力座(21)设置有轴孔(211)，两块所述承力座(21)间隔设置于所述机架(1)上，两个所述轴孔(211)用于安装待测试活塞销，所述连杆(22)的一端套接于位于两个所述轴孔(211)之间的待测试活塞销上；

所述复位弹簧(24)的一端连接于所述连杆(22)的侧面，所述复位弹簧(24)的另一端通过所述机架(1)固定，所述凸轮(23)与所述连杆(22)的另一侧面接触；

所述传动机构(25)带动所述凸轮(23)转动，所述凸轮(23)推动所述连杆(22)转动，所述复位弹簧(24)使所述连杆(22)复位；

所述传动机构(25)包括电机(251)、传动齿轮(252)和传动轴(253)，所述电机(251)安装于所述机架(1)上，所述传动齿轮(252)与所述电机(251)转动连接，所述传动齿轮(252)通过所述传动轴(253)带动所述凸轮(23)转动。

2.根据权利要求1所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，所述运动模拟系统(2)还包括角度传感器，所述角度传感器用于实时检测所述电机(251)的转角。

3.根据权利要求2所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，还包括润滑系统(3)，所述润滑系统(3)包括注油管(31)、油泵(32)和油箱(33)，所述油泵(32)将所述油箱(33)内的润滑油通过所述注油管(31)输送至所述轴孔(211)与待测试活塞销的接触面和所述连杆(22)与待测试活塞销的接触面。

4.根据权利要求3所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，所述润滑系统(3)还包括流量传感器，所述流量传感器安装于所述注油管(31)上，用于实时测量注入的润滑油量。

5.根据权利要求4所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，还包括加载系统(4)，所述加载系统(4)包括加载器(41)和加载板(42)，所述加载板(42)的内表面与套接待测试活塞销的所述连杆(22)的端部外表面贴合，所述加载板(42)的外表面与所述加载器(41)传动连接，所述加载器(41)推动所述加载板(442)对所述连杆(22)施加外力。

6.根据权利要求5所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，所述加载板(42)内表面设有储油槽(421)，所述注油管(31)与所述加载板(42)连通，所述储油槽(421)用于接收并储存所述注油管(31)注入的润滑油。

7.根据权利要求6所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，还包括加热系统(5)，所述加热系统(5)包括加热线圈(51)，两个所述轴孔(211)安装待测试活塞销后，所述加热线圈(51)位于待测试活塞销的两端外侧。

8.根据权利要求7所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，所述加热系统(5)还包括温度传感器，所述温度传感器安装于待测试活塞销中，实时检测待测试活塞销的温度值。

9.根据权利要求8所述的全浮式活塞销摩擦试验装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括中央控制器，所述中央控制器与所述运动模拟系统(2)、所述润滑系统(3)、所述加载系统(4)以及所述加热系统(5)电连接，所述中央控制器接收并调整所述运动模拟系统(2)、所述润滑系统(3)、所述加载系统(4)以及所述加热系统(5)的运行参数。

Images