CN113281050B - 一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机领域，并具体公开了一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其包括运动机构、可视化活塞组、缸套、供油机构和观测机构。运动机构用于带动可视化活塞组在缸套内作往复运动；可视化活塞组包括透明试验活塞和导向活塞；供油机构包括机架外供油管、外侧副连杆、内侧副连杆、上油硬管和上油软管组件，外侧副连杆和内侧副连杆活动连接，其内均开设有内油道，供油机构用于向透明试验活塞压力供油；观测机构用于透过缸套上的观测窗对透明试验活塞内部进行拍摄。本发明通过运动机构带动可视化活塞组运动，配合基于副连杆的压力供油机构和基于透明试验活塞的观测机构，可真实模拟船用柴油机活塞冷却油振荡情况并进行可视化观测。

Description

一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置

技术领域

本发明属于内燃机领域，更具体地，涉及一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置。

背景技术

柴油机具有动力性强、经济性好、可靠性高等优点，在国防军工、公路交通、工程机械等领域均有非常广泛的应用，尤其是在船舶运输行业，占据主导地位。随着柴油机升功率和强化程度的不断提升，活塞、缸盖等关键零部件的失效可能大幅提高，为保证柴油机工作的可靠性和耐久性，对其关键零部件的可靠性提出了更高的要求。

作为柴油机的最核心零部件之一，活塞发挥着至关重要的作用，其将燃烧系统中瞬间爆发的热能转换为机械能，进而通过连杆曲柄机构向外输出功。燃烧室内燃气的最高温度可以达到2300℃至2500℃，做功压力最高超过20Mpa，其恶劣的工作环境，使得其既承受高机械负荷又承受高热负荷。船用大功率柴油机活塞的热负荷更为严重，当活塞的冷却不够充分时，极易造成活塞与气缸之间产生胶着、活塞局部断裂或裂纹、顶部烧蚀、疲劳破坏等一系列问题。为了提高柴油机活塞的可靠性和耐久性，对活塞进行有效的冷却结构设计、以及可靠的冷却效果测试都十分有必要。

现阶段，车用柴油机常用的活塞冷却方式是喷油冷却方式，该种冷却方式已经有较多的研究和专利，然而对于船用大功率柴油机来说，喷油冷却方式已不能满足大功率活塞热负荷的需求，故而往往采用压力供油式强制振荡冷却方式，即在活塞顶部设有一个或多个环形或钻孔的冷却腔，机油在压力作用下通过连杆、活塞销以及活塞销座中的内油道供给到活塞冷却腔中，机油在冷却腔内随着活塞的往复运动进行振荡冲击流动，产生振荡强化传热，最后从冷却腔出油口流出，带走大量热量。这种压力供油式强制振荡冷却方式能大幅提高活塞的冷却能力，降低活塞热负荷，故而在船用大功率柴油机中得到广泛采用。

由于活塞位于发动机内部，其冷却腔内的振荡流动形态和传热状态在实机中无法直接观察和测量，因此活塞振荡冷却实验研究往往需要设计搭建可视化试验台架，配合透明试验活塞以及高速相机对于活塞冷却腔内部的机油振荡流动形态进行可视化观测。现阶段国内外学者对喷油冷却方式以及单环形冷却腔的相关研究较多，由于船用大功率柴油机活塞独特的供油方式和冷却腔结构，对其振荡冷却的实验研究相对较少，尤其是能真实模拟船用大功率柴油机压力供油式活塞振荡冷却过程的可视化试验试验装置未见报道。为了分析船用大功率柴油机活塞冷却腔内的机油振荡流动形态，评估活塞冷却腔的换热能力，需要开发专门针对船用大功率柴油机压力供油式活塞振荡冷却方式的可视化试验装置。

现阶段，内燃机活塞振荡冷却过程的模拟试验装置主要是针对喷油式振荡冷却方式以及较为简单的单环形冷却腔，例如专利CN108007693A、CN101793607B、CN101509824A、CN102032991A、CN103994881A、CN108051225B均为针对喷油式振荡冷却方式的内燃机活塞，这种冷却方式的特点是利用喷嘴将机油喷入活塞冷却腔内，这与船用大功率柴油机的压力供油式活塞振荡冷却方式有着根本性的差异。此外专利CN101793607B、CN102032991A、CN103994881A、CN108051225B、CN107269341A均为模拟活塞振荡冷却流动或传热过程，并非可视化试验装置，无法对活塞冷却腔内机油振荡流动形态进行可视化拍摄。专利CN110057859A模拟发动机活塞冷却腔振荡传热过程，但其采用的十分简化的透明矩形空腔，与实际的发动机活塞冷却腔结构相差较大。专利CN110579355A、CN110207991A所述试验装置主要研究大型低速十字头式柴油机中通过伸缩套管及内置油路实现振荡冷却的形式，不适用于船用中高速大功率柴油机压力供油式活塞振荡冷却的可视化观测。另外，上述专利普遍未考虑试验装置的动平衡问题，尤其是如何平衡活塞运动产生的一阶和二阶往复惯性力，也未考虑试验装置内主要摩擦副的润滑问题。

故为了解决上述问题，亟需一种适合船用大功率柴油机压力供油式活塞振荡冷却的可视化试验装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其目的在于，实现不同柴油机工况、不同进油参数下的活塞冷却腔内机油振荡流动形态的可视化试验和分析，从而可以进一步为活塞的传热能力分析提供实验基础。

为实现上述目的，本发明提出了一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，包括缸套、可视化活塞组、运动机构、供油机构和观测机构，其中：

所述可视化活塞组安装在所述缸套内，所述缸套上开设有观测窗；所述运动机构用于带动所述可视化活塞组在所述缸套内上下往复运动；

所述供油机构包括机架外供油管、外侧副连杆、内侧副连杆、上油硬管和上油软管组件，其中，所述外侧副连杆和内侧副连杆活动连接，且其内均开设有连通的内油道；所述机架外供油管、内油道、上油硬管、上油软管组件、可视化活塞组依次连通，以从机架外供油管为所述可视化活塞组供油；所述上油硬管固定在所述运动机构上，并随运动机构上下往复运动；

所述观测机构用于透过所述观测窗对可视化活塞组内部油的振荡流动情况进行拍摄。

作为进一步优选的，所述上油软管组件包括依次相连的上油中间联接软管、上油中间联接硬管和短上油软管，其中，所述上油中间联接软管与所述上油硬管连通，所述上油中间联接硬管固定在所述运动机构上，所述短上油软管与所述可视化活塞组连通。

作为进一步优选的，所述可视化活塞组包括透明试验活塞和导向活塞，所述导向活塞上端安装所述透明试验活塞，下端与所述运动机构连接，且该导向活塞与所述缸套活动接触。

作为进一步优选的，所述透明试验活塞和导向活塞通过基座固定，所述透明试验活塞内设有连通的外冷却腔和内冷却腔，且透明试验活塞中部下端设有冷却腔出油口，该冷却腔出油口与内冷却腔连通；所述导向活塞和基座间设有稳压腔，该稳压腔一端与所述上油软管组件连通，另一端与所述外冷却腔连通。

作为进一步优选的，所述缸套上开设有注油孔，且每个注油孔对应位置处设置有注油腔，外部润滑油经注油腔稳压后，通过注油孔进入缸套内侧。

作为进一步优选的，所述运动机构包括依次连接的变频电机、飞轮、曲轴和连杆，其中，所述曲轴安装在支撑座上，所述连杆的大头与所述曲轴相连，连杆的小头与所述可视化活塞组相连。

作为进一步优选的，还包括机架，该机架设置在所述支撑座外侧，且不与所述支撑座接触，所述机架从上至下分段设置，所述缸套固定在所述机架上端内部；所述连杆为可拆卸的分段式连杆；所述曲柄为分体式，其包括通过曲柄销连接的左曲柄和右曲柄。

作为进一步优选的，所述运动机构还包括动平衡系统，该动平衡系统包括主齿轮、两个一阶平衡齿轮、两个二阶平衡齿轮，其中，所述主齿轮安装在所述曲轴末端，该主齿轮通过过渡齿轮与其中一个一阶平衡齿轮啮合；两个一阶平衡齿轮相互啮合，且分别连接有一根一阶平衡轴；两个二阶平衡齿轮分别与一个一阶平衡齿轮啮合，且分别连接有一根二阶平衡轴；所有一阶平衡轴和二阶平衡轴均安装在所述支撑座上，且其上均安装有可拆卸式平衡块。

作为进一步优选的，所述主齿轮处设有润滑喷嘴；所述曲轴、一阶平衡齿轮、二阶平衡齿轮的轴承处均设有润滑喷嘴，且各润滑喷嘴由设置在支撑座内的内部润滑管路供油。

所述观测机构包括光源和高速相机，其中，所述光源设置在所述可视化活塞组上端或侧面，所述高速相机设置在所述缸套的观测窗一侧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

1.本发明针对船用大功率柴油机活塞采用压力供油方式进行振荡冷却的特点，通过运动机构带动可视化活塞组在开有观测窗的缸套内运动，并配合基于副连杆的冷却腔压力供油机构和基于透明试验活塞的观测机构，实现了船用大功率柴油机压力供油式活塞振荡流动形态的可视化观测，基于此可以实现在不同转速、不同供油压力、不同供油流量、不同供油温度等工况下对透明试验活塞冷却腔内机油振荡流动形态进行可视化观测和分析，进而指导柴油机活塞的设计开发以及冷却腔的结构设计与改进，该试验装置具有通用性强，更换方便，可靠性好，转速涵盖范围广等优点。

2.本发明采用基于副连杆的压力供油机构，通过机架外供油管、外侧副连杆、内侧副连杆、上油硬管、上油中间联接软管、上油中间联接硬管、短上油软管等结构实现向透明试验活塞冷却油腔内压力供油，且上油硬管和上油中间联接硬管固定在运动机构上，随运动机构一起运动，短上油软管具有可摆动性和可伸缩性，其为成型管且长度较短，可以减少活塞连杆相对运动导致的弯扭程度，实现机油从连杆上固定的上油硬管供应至可视化活塞组中，从而模拟真实的船用大功率柴油机压力供油式活塞的机油供给方式。

3.本发明所述可视化活塞组采用双活塞结构，包括透明试验活塞和导向活塞，分别起到可视化观测和引导透明试验活塞运动的作用，缸套的侧面开设有观测窗，可以在不影响活塞往复运动平稳性的情况下透过缸套的观测窗对透明试验活塞冷却腔内机油振荡流动形态进行可视化拍摄。

4.本发明采用变频电机带动运动机构运转，进而带动可视化活塞组在缸套内做上下往复运动，可模拟船用大功率柴油机活塞的真实运动规律；本发明所述透明试验活塞内冷却腔结构与真实船用柴油机相同，可模拟船用大功率柴油机压力供油式活塞冷却油腔内的真实振荡规律。

5.本发明试验装置中所述连杆采用分段式设计；所述曲轴采用左右曲柄分体式；所述动平衡系统中所述平衡块采用可拆卸式；所述机架采用上下分段式设计；所述可视化活塞组也具有可更换的特点，研究不同活塞冷却腔结构时只需更换透明试验活塞即可。以上设计方案可以使得试验装置具备较高的通用性，可以实现真实模拟不同结构参数柴油机的活塞运动规律。

6.针对船用大功率柴油机活塞运动惯性大的问题，本发明采用双轴平衡形式，平衡机构齿轮通过与曲轴上的齿轮啮合进行转动，进而带动一阶和二阶平衡块转动，利用平衡块转动所产生的旋转惯性力来抵消柴油机的往复惯性力及力矩，保证试验装置整体运转平稳，抑制振动和噪声，提高了试验台架的可靠性。

7.本发明采用专门的润滑机构对试验装置内的各关键摩擦副部位进行油润滑，保证试验装置稳定运行，具体的，机油通过机架外润滑油供油管进入机架内部，分别润滑活塞和缸套接触部位、动平衡系统齿轮、曲轴及平衡轴轴承等关键摩擦副部位。

8.本发明采用高亮度光源照明和高速相机可视化拍摄的测量方式，不仅可以得到在不同曲轴转角下的活塞冷却腔内机油振荡流动形态，还可以通过捕捉活塞冷却腔中机油内的小气泡，采用PIV方法得到冷却腔内的整体机油流速场。

附图说明

图1为本发明实施例可视化试验装置整体结构图；

图2为本发明实施例可视化试验装置内部结构示意图；

图3为本发明实施例可视化活塞组结构示意图；

图4为本发明实施例缸套结构示意图；

图5为本发明实施例活塞冷却腔供油机构结构示意图；

图6为本发明实施例外侧副连杆内部结构示意图；

图7为本发明实施例内侧副连杆内部结构示意图，其中，(a)为正视图，(b)为剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-透明试验活塞，2-基座，3-导向活塞，4-高速相机，5-光源，6-缸套，7-连杆，8-曲轴，9-飞轮，10-主轴轴承，11-变频电机，12-电机支座，13-机架外供油管，14-供油销轴，15-外侧副连杆，16-内侧副连杆，17-副连杆基座，18-上油硬管，19-上油软管组件，20-润滑油供油管，21-内部润滑管路，22-润滑喷嘴，23-注油腔，24-平衡轴，25-平衡块，26-齿轮组，27-支撑座，28-缸套支撑机架，29-上机架，30-中间机架，31-下机架，32-底板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，如图1和图2所示，包括运动机构、可视化活塞组、缸套、供油机构和观测机构，其中：

所述可视化活塞组包括透明试验活塞1、基座2、导向活塞3。其中，透明试验活塞1和导向活塞3通过基座2联接在一起，在缸套6内做上下往复运动，如图3所示；导向活塞3起到导向和支撑作用，透明试验活塞1起到可视化观测的作用，可视化活塞组在缸套6内进行往复运动，机油随之在透明试验活塞1的冷却腔内做振荡冲击流动。

具体的，透明试验活塞1采用亚克力材质，具有较高的透光度，可以从外面清晰地观测到内部冷却腔中的机油振荡流动形态；内部冷却腔结构模仿真实船用大功率柴油机活塞的双冷却腔结构，分为连通的外冷却腔1-2和内冷却腔1-3，下部具有四个冷却腔进油口1-1，冷却腔出口1-4位于透明试验活塞下部中央；所述透明试验活塞1与基座2之间通过螺栓连接，贴合面上涂有两液混合硬化胶，基座2中间具有内螺纹，与导向活塞3上部中央的外螺纹配合，同时在贴合面上有环槽，内嵌O型密封圈进行密封，防止机油渗出；所述导向活塞3与缸套6进行配合，起到导向和支撑作用，导向活塞3的活塞销座两侧具有两个自底向上的供油通孔3-3，机油通过供油通孔3-3供到导向活塞与铝基座之间的稳压腔3-2中，然后从透明试验活塞的四个冷却腔进油口1-1进入外冷却腔1-2中。进一步的，所述缸套在活塞销方向的两侧均开有120°开度的观测窗6-1，可实现在不影响可视化活塞组往复运动的情况下，直接透过观测窗对透明试验活塞冷却腔内的机油振荡流动情况进行可视化拍摄，如图4所示。

所述供油机构包括机架外供油管13、供油销轴14、外侧副连杆15、内侧副连杆16、副连杆基座17、上油硬管18和上油软管组件19，如图5所示。其中，所述供油销轴14与上机架29相连；所述外侧副连杆15和内侧副连杆16活动连接，且其内均开设有连通的内油道，机油从副连杆的内油道中流过，关节处采用油孔和油槽配合的方式，实现既可以相对运动、机油又可以从关节处流过；所述上油硬管18通过抱箍18-1固定在连杆上，随连杆一起运动；上油软管组件19用以连接上油硬管18和导向活塞的供油通孔3-3。

具体的，上油软管组件19包括上油中间联接软管19-1、上油中间联接硬管19-2和短上油软管19-3；更具体的，对于靠近上油硬管18的供油通孔，直接通过短上油软管19-3连接上油硬管18和供油通孔3-3；对于远离上油硬管18的供油通孔3-3，则通过依次相连的上油中间联接软管19-1、上油中间联接硬管19-2和短上油软管19-3连接上油硬管18和供油通孔3-3，其中，上油中间联接硬管19-2固定在连杆上。短上油软管具有较高强度、较好弹性以及较高的可伸缩性，可以做一定范围内的摆动，同时，短上油软管按照活塞连杆相对运动规律，做成成型管并且长度较短，长度为10cm～15cm，可以减少活塞连杆相对运动导致的弯扭程度，从而可以提高试验装置的转速。工作时，机油从机架外供油管13进入机架内部，分别流经供油销轴14、外侧副连杆15、内侧副连杆16、副连杆基座17、上油硬管18、上油中间联接软管19-1、上油中间联接硬管19-2、短上油软管19-3、导向活塞内部的供油通孔3-3、稳压腔3-2、冷却腔进油口1-1供入透明试验活塞内部冷却腔中，然后依次流经外冷却腔1-2和内冷却腔1-3后，从冷却腔出口1-4流出，落入试验装置下部的油底壳中。

进一步的，所述供油机构中的外侧副连杆15和内侧副连杆16的具体结构分别如图6和图7所示，机油的流动方向已用黑色箭头标出。供油副连杆机构的具体供油方式为：供往活塞冷却油腔中的机油在所述试验装置的机架外部旁路供油系统中完成加压后，流经机架外供油管13供入机架内部，首先通过供油销轴14上的进油口14-1进入供油销轴；当副连杆机构随主连杆作随动时，外侧副连杆15和供油销轴14的配合部位会发生相对运动，但是机油始终可以通过供油销轴上的出油口14-2进入供油销轴14与外侧副连杆15配合部位的油槽15-1中，然后即可进入外侧副连杆15中空的内油道中。随后，机油流经外侧副连杆15的内油道供入外侧副连杆15和内侧副连杆16配合部位的油槽15-2中，同样地，内侧副连杆16和外侧副连杆15之间的配合部位相对运动时，机油也可以始终通过两者配合部位的油孔16-1进入内侧副连杆16中空的内油道中，随后，机油流经内侧副连杆16中空的内油道，供入内侧副连杆16和副连杆基座17配合部位的油槽16-2中，然后即可通过副连杆基座17供入固定在连杆6上的上油硬管18中，进而通过活塞上油软管组件19以及导向活塞3内部的供油通孔3-3等结构，供入透明试验活塞1的冷却油腔中，进而完成可视化试验。

所述观测机构包括高速相机4和光源5，其中，所述高速相机4设置在所述缸套6的观测窗6-1一侧，所述光源5设置在所述可视化活塞组上端或侧面。在进行可视化试验时，所述光源5用于发出高亮度片光照亮透明试验活塞3的运行区域，进而使用高速相机4透过开有所述观测窗6-1的缸套6即可对透明试验活塞内冷却腔中的机油振荡流动形态进行可视化拍摄。此外，通过捕捉可视化图像中活塞冷却腔内机油中的小气泡，即可采用PIV方法得到活塞冷却腔内的整体机油流速场。

所述运动机构包括依次连接的变频电机11、飞轮9、曲轴8、连杆7。其中，所述变频电机11通过变频器控制，可以设定试验所需转速，转速可以从0到最高5000转/分钟可调，覆盖船用大功率柴油机的常见转速范围；变频电机11由电机支座12支撑，使电机轴的轴心和曲轴处于等高，以便于用万向联轴器联接；变频电机11通过万向联轴器带动曲轴8和飞轮9转动，飞轮9设在靠近电机一侧，通过法兰与曲轴8联接在一起，可以储存转动惯量，增加运行平稳性；连杆7的大头通过曲柄销与曲轴8相连，小头通过活塞销与导向活塞3相连，通过连杆7将曲轴8的旋转运动转化为导向活塞3和透明试验活塞1的往复运动；所述曲轴8的右侧与飞轮9通过法兰和螺栓相联接，左侧与主齿轮相连，通过主齿轮带动整个动平衡系统运转；进一步的，曲轴采用分段式加工，分为曲柄销和左右曲柄，曲柄和曲柄销之间采用螺栓联接，这种分段式曲轴形式，有利于根据不同的柴油机结构，进行快速更换，提升试验装置的通用性。

进一步的，所述运动机构还包括动平衡系统，具体包括平衡轴24、平衡块25、齿轮组26。其中，齿轮组26包括主齿轮、过渡齿轮、两个一阶平衡齿轮、两个二阶平衡齿轮，其中，所述主齿轮安装在所述曲轴9末端，该主齿轮通过过渡齿轮与一阶和二阶平衡齿轮啮合；平衡齿轮分别带动一根平衡轴24进行转动，一阶和二阶平衡块25通过螺栓固定在平衡轴24上，并且随平衡轴一起进行转动，通过平衡块25转动产生的旋转惯性力来抵消活塞运动产生的一阶和二阶往复惯性力及惯性力矩。

进一步的，所述试验装置还包括润滑系统，包括润滑油供油管20、内部润滑管路21、润滑喷嘴22、注油腔23。由于本发明试验装置体积和重量较大，诸多关键零部件尺寸较大且承受载荷较大，因此对关键的摩擦副部位须采用强制润滑方式，且最好采用油润滑；润滑机构对主要摩擦副部位的润滑主要包括三个部分：1)导向活塞3与缸套6的配合部位，也即气缸部位，采用在缸套上开注油孔6-2、在缸套外侧安装注油腔23的方式进行润滑，注油孔直径为φ1.5，机油先供到缸套外围的四个注油腔23中，经过稳压之后，流经缸套上所开的注油孔，然后到缸套内侧，对导向活塞与缸套的摩擦面进行润滑；2)动平衡系统中的齿轮采用喷嘴喷油润滑方式，即在齿轮附近的机架上固定齿轮润滑喷嘴22，对齿轮啮合面喷油进行润滑；3)主轴轴承10和各平衡轴轴承的润滑采用喷嘴喷油润滑的方式，在支撑座上布置内部润滑管路21，在轴承附近固定喷嘴对轴承的滚针处喷油进行润滑。

进一步的，所述试验装置还包括支撑机构，具体包括支撑座27、缸套支撑机架28、上机架29、中间机架30、下机架31、底板32。其中，所述支撑座27通过螺栓固定于底板32之上，不与机架外壳直接接触，这样可以使得运动机构运转产生的振动最大程度通过支撑座27传到底板32，进而传到地面，从而降低机架的振动，进而提升整个试验装置的运行稳定性，并且降低噪音；所述机架起到支撑和防护的作用，整体采用分段式，分为四个部分，分别是缸套支撑机架28、上机架29、中间机架30、下机架31，采用分段式机架的优点是方便拆卸和使试验装置具有较高的通用性，当模拟不同类型柴油机的活塞往复运动形式，需要改变连杆长度时，只需要整体更换中间机架30即可，其他机架部分仍然通用。

以下为具体实施例：

试验目的为模拟真实船用大功率柴油机的压力供油式活塞振荡冷却过程，得到不同曲轴转角下的活塞冷却腔内机油振荡流动形态和流速等信息。透明试验活塞直径260mm，高度150mm，导向活塞直径为270mm，活塞冲程330mm，连杆长度600mm，曲柄半径165mm，活塞冷却腔的供油压力为4.3bar，机油质量流量为2m³/h，需观测得到透明试验活塞分别位于0°CA、45°CA、90°CA、135°CA、180°CA、225°CA、270°CA、315°CA曲轴转角时的透明试验活塞冷却腔内机油振荡流动形态的可视化图像，分析其振荡流动情况、填充率情况、流通率情况，并用PIV方法得到整个油腔内部的流速场。

进行某曲轴转角下活塞冷却腔内机油振荡形态可视化观测方法和步骤如下：

步骤1：调整光源的光路和亮度，调整高速相机至合适的高度，对准试验预设的曲轴转角位置下透明试验活塞所在的位置，通过调节光圈、光圈大小、拍摄频率等使得视野内的透明试验活塞冷却腔内机油形态清晰而明亮；

步骤2：通过试验装置外部供油系统调节机架外供油管路中机油至预设的压力、流量和温度，通过机架外供油管供入试验装置内部，分别起到对透明试验活塞冷却腔压力供油和对关键摩擦副部位进行润滑的作用。此时机油分为两路，一路通过供油副连杆机构、上油硬管、上油软管组件等部件供应至透明试验活塞冷却腔中，另一路通过机架内润滑管路、缸套注油腔、润滑喷嘴等结构对气缸、齿轮、轴承等部位进行润滑；

步骤3：待供油管路中机油压力、流量、温度稳定，并且缸套上注油腔、齿轮润滑喷嘴、轴承润滑喷嘴等工作正常后，开启变频电机，每隔100转/分钟逐渐升高转速，逐步调节至试验预设的转速，此时试验装置运动机构和动平衡系统开始运转，透明试验活塞内冷却腔内机油开始随着活塞的往复运动而进行振荡冲击流动；

步骤4：待试验装置调整至预设转速后，通过高速相机进行可视化拍摄，得到透明试验活塞冷却腔内机油振荡流动形态的图像并进行保存；

步骤5：可视化拍摄完成后，每隔100转/分钟逐渐降低转速至电机停止运行，然后停止对试验装置内供应机油，至此试验结束。

本发明为了更深入探究船用大功率柴油机压力供油式活塞振荡流动形态，提供了一种适宜的活塞振荡冷却可视化试验装置，通过电机带动运动机构运行，进而带动可视化活塞组在缸套内运动，并配合基于副连杆的冷却腔供油机构、基于透明试验活塞的观测机构，可实现模拟船用大功率柴油机活塞的真实往复运动规律以及活塞冷却腔内的振荡规律，基于此可以实现在不同转速、不同供油压力、不同供油流量、不同供油温度等工况下对透明试验活塞冷却腔内机油振荡形态的可视化试验和分析，进而指导柴油机活塞的设计开发以及冷却腔的结构设计与改进。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，包括缸套、可视化活塞组、运动机构、供油机构和观测机构，其中：

所述可视化活塞组安装在所述缸套内，所述缸套上开设有观测窗；所述可视化活塞组包括透明试验活塞（1）和导向活塞（3），所述导向活塞（3）上端安装所述透明试验活塞（1），下端与所述运动机构连接，且该导向活塞（3）与所述缸套活动接触；

所述透明试验活塞（1）和导向活塞（3）通过基座（2）固定，所述透明试验活塞（1）内设有连通的外冷却腔和内冷却腔，且透明试验活塞（1）中部下端设有冷却腔出油口，该冷却腔出油口与内冷却腔连通；所述导向活塞（3）和基座（2）间设有稳压腔，该稳压腔一端与上油软管组件（19）连通，另一端与所述外冷却腔连通；

所述运动机构用于带动所述可视化活塞组在所述缸套内上下往复运动；

所述供油机构包括机架外供油管（13）、外侧副连杆（15）、内侧副连杆（16）、上油硬管（18）和上油软管组件（19），其中，所述外侧副连杆（15）和内侧副连杆（16）活动连接，且其内均开设有连通的内油道；所述机架外供油管（13）、内油道、上油硬管（18）、上油软管组件（19）、可视化活塞组依次连通，以从机架外供油管（13）为所述可视化活塞组供油；所述上油硬管（18）固定在所述运动机构上，并随运动机构上下往复运动；

所述观测机构用于透过所述观测窗对可视化活塞组内部油的振荡流动情况进行拍摄。

2.如权利要求1所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，所述上油软管组件（19）包括依次相连的上油中间联接软管、上油中间联接硬管和短上油软管，其中，所述上油中间联接软管与所述上油硬管（18）连通，所述上油中间联接硬管固定在所述运动机构上，所述短上油软管与所述可视化活塞组连通。

3.如权利要求1所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，所述缸套上开设有注油孔，且每个注油孔对应位置处设置有注油腔，外部润滑油经注油腔稳压后，通过注油孔进入缸套内侧。

4.如权利要求1所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，所述运动机构包括依次连接的变频电机（11）、飞轮（9）、曲轴（8）和连杆（7），其中，所述曲轴（8）安装在支撑座（27）上，所述连杆（7）的大头与所述曲轴（8）相连，连杆（7）的小头与所述可视化活塞组相连。

5.如权利要求4所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，还包括机架，该机架设置在所述支撑座（27）外侧，且不与所述支撑座（27）接触，所述机架从上至下分段设置，所述缸套固定在所述机架上端内部；所述连杆为可拆卸的分段式连杆；所述曲轴为分体式，其包括通过曲柄销连接的左曲柄和右曲柄，连杆的大头通过曲柄销与曲轴相连。

6.如权利要求4所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，所述运动机构还包括动平衡系统，该动平衡系统包括主齿轮、两个一阶平衡齿轮、两个二阶平衡齿轮，其中，所述主齿轮安装在所述曲轴（8）末端，该主齿轮通过过渡齿轮与其中一个一阶平衡齿轮啮合；两个一阶平衡齿轮相互啮合，且分别连接有一根一阶平衡轴；两个二阶平衡齿轮分别与一个一阶平衡齿轮啮合，且分别连接有一根二阶平衡轴；所有一阶平衡轴和二阶平衡轴均安装在所述支撑座（27）上，且其上均安装有可拆卸式平衡块。

7.如权利要求6所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，所述主齿轮处设有润滑喷嘴；所述曲轴（8）、一阶平衡齿轮、二阶平衡齿轮的轴承处均设有润滑喷嘴，且各润滑喷嘴由设置在支撑座（27）内的内部润滑管路（21）供油。

8.如权利要求1-7任一项所述的压力供油式活塞振荡冷却可视化试验装置，其特征在于，所述观测机构包括光源（5）和高速相机（4），其中，所述光源（5）设置在所述可视化活塞组的上端或侧面，所述高速相机（4）设置在所述缸套的观测窗一侧。

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