CN114235612A - 一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台 - Google Patents

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CN114235612A CN202111341667.4A CN202111341667A CN114235612A CN 114235612 A CN114235612 A CN 114235612A CN 202111341667 A CN202111341667 A CN 202111341667A CN 114235612 A CN114235612 A CN 114235612A
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赵金朋
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Abstract

本发明公开了一种缸套‑活塞环摩擦磨损试验平台。它包括主驱动系统、发动机模拟系统、润滑系统和空气加载系统；所述发动机模拟系统包括缸体，所述缸体内设有曲轴，所述曲轴通过缸体外的发动机皮带轮与主驱动系统连接；所述缸体上方设有固定缸套，所述固定缸套内设有测试缸套，所述固定缸套与测试缸套之间设有可变厚度的浮动缸套，所述曲轴与连杆一端传动连接，所述连杆另一端与活塞连接，所述活塞位于测试缸套内上下往复运动；所述固定缸套、浮动缸套和测试缸套底部与缸体上端面之间设有摩擦力传感器；所述缸体内曲轴下方设有机油池通过油路管路连接润滑系统等。本发明用于模拟不同类型发动机真实运转状况来分析缸套‑活塞环系统的摩擦学性能。

Description

一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台
技术领域
本发明属于摩擦磨损性能测试试验平台技术领域，具体涉及一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台。
背景技术
现有的摩擦学试验台架主要研究不同类型材料之间摩擦副的性能，试验的摩擦块从零件上取样，如UMT摩擦磨损试验机、SRV摩擦磨损试验机等。这种类型的试验机可以测试材料在一定条件下的摩擦磨损性能。但是无法模拟发动机的实际运动情况，因此在实际应用中存在局限性。
如专利CN104777001A，公开了一种立式缸套活塞环摩擦磨损试验装置，用于指导缸套活塞环摩擦副的配对选型。但是无法模拟缸内压力情况，运动形式与工作中的缸套存在区别，缸套变形因素无法评估。
又如专利CN109085079A，公开了一种多功能内燃机缸套活塞环摩擦磨损试验机，其包含加载系统、润滑装置、温控装置、摩擦力测量装置等，可用来测量不同工况下的摩擦力。但是运行方式与工作中的发动机存在区别，主要用于理论研究，无法模拟缸内爆压的影响，缸套变形因素无法评估。
又如专利CN109738317A，公开了一种缸套-活塞环摩擦磨损试验装置，用来应对不同级数的阶梯缸套和活塞环的摩擦磨损试验。但是运行的方式与工作中的发动机存在区别，无法模拟缸内爆压的影响，缸套变形因素无法评估。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台。
本发明采用的技术方案是：一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，包括主驱动系统、发动机模拟系统、润滑系统和空气加载系统；所述发动机模拟系统包括缸体，所述缸体内设有曲轴，所述曲轴通过缸体外的发动机皮带轮与主驱动系统连接；所述缸体上方设有固定缸套和密封于固定缸套上的气缸盖，所述固定缸套内设有测试缸套，所述固定缸套与测试缸套之间设有可变厚度的浮动缸套，所述曲轴与连杆一端传动连接，所述连杆另一端与活塞连接，所述活塞位于测试缸套内上下往复运动；所述固定缸套、浮动缸套和测试缸套底部与缸体上端面之间设有摩擦力传感器；所述缸体内曲轴下方设有机油池，所述机油池通过油路管路连接润滑系统；所述测试缸套内部与缸体外部的空气加载系统通过气体管道连通。
上述方案中，固定缸套与测试缸套之间设有浮动缸套，通过改变浮动缸套的厚度，适应不同机型缸套规格尺寸的变化，其中，浮动缸套内径—D，测试缸套内径—R，关系如下：D＝R+2Δ，其中Δ为浮动缸套单边增加/减小的厚度。主驱动系统将功率输送至曲轴后，曲轴带动连杆，进而使活塞在测试缸套上做往复运动。
上述方案中，在主副推力面的缸体上对称设计安装两个摩擦力传感器，两者测力之和即为缸套-活塞组件的摩擦力。
进一步优选的结构，所述固定缸套底部设有凸起结构，所述凸起结构底部形成凹槽，所述浮动缸套底部与凸起结构上端面接触连接，所述摩擦力传感器位于凹槽内，且与测试缸套底部接触连接。
进一步优选的结构，所述主驱动系统包括三相异步电机、电机皮带轮，所述三相异步电机与电机皮带轮之间装有片式电磁离合器；所述片式电磁离合器上布置有转速传感器。
上述方案中，三相异步电机通过电机皮带轮带动发动机模拟系统，以此来构成试验机的动力部分。三相异步电机与电机皮带轮之间装有片式电磁离合器，可方便控制三相异步电机与电机皮带轮的离合。
进一步优选的结构，所述润滑系统包括设于油路管路上的机油泵、机油过滤器、流量控制阀和单向阀，所述油路管路连通至测试缸套和活塞之间及曲轴与轴承之间。
上述方案中，润滑系统由两部分组成：一部分是发动机内部测试缸套和活塞之间的润滑，通过润滑油飞溅的方式实现；一部分是曲轴滑动轴承的润滑。机油泵提供润滑油输送机械能，流量控制器调控润滑油供给量，通过机油过滤器不断供给各运动零件的摩擦表面。
进一步优选的结构，所述空气加载系统包括设于气体管道上的空压机和储气瓶。
上述方案中，当气体单向阀打开时，空压机将外界气体进行压缩后通过气流管道进入缸体内，形成缸压负载。缸套加热装置置于缸套外侧，要求最高加热温度达300℃，而且可以实现斜率升温和恒温等功能，进行多种温度工况下试验。
进一步优选的结构，所述测试缸套和活塞之间设有油环，所述油环连通油膜厚度测试结构，所述油膜厚度测试结构包括设于测量回路上的接触电阻传感器、信号接线盒和数据采集卡，所述第一引线布置在测试缸套上，所述第二引线布置在油环上，所述第一引线穿过浮动缸套、固定缸套接入接触电阻传感器，所述第二引线穿过活塞油环槽上的布油孔，沿连杆引出浮动缸套、固定缸套接入接触电阻传感器。
进一步优选的结构，所述活塞通过开设的活塞销孔、活塞销与连杆连接。
进一步优选的结构，所述活塞上布置温度传感器；所述气缸盖上设置空气阀气动接口和空气压力传感器。
进一步优选的结构，所述空气加载系统通过气体管道与空气阀气动接口连接。
进一步优选的结构，所述测试缸套与浮动缸套之间布置缸套加热装置，所述缸套加热装置上设有热电偶。
本发明通过主驱动系统带动发动机模拟系统，在试验过程中采集摩擦力、缸压、缸套-活塞环油膜厚度、缸套温度以及转速等，在试验结束后分析测量磨损量、表面形貌、油样铁谱、光谱，结合这些参数指标来对缸套-活塞环摩擦磨损性能进行分析。
本发明的有益效果是：
(1)本发明模拟不同类型发动机真实运转状况来分析缸套-活塞环系统的摩擦学性能，具备和实际发动机相同的缸套-活塞环摩擦机构，确保了试验与实际工况的一致性。
(2)本发明采用了空气加载系统和缸套加热装置，模拟了发动机在爆燃时的压力和温度，更加符合实际工况，对缸套加载能考虑缸套变形的影响。
(3)本发明中布置了测量油膜厚度的传感器以及摩擦力传感器，可以实时监测油膜厚度和摩擦力，同时结合试验后的油样检测可以助于分析润滑对摩擦的影响。
(4)本发明用于实时监测发动机的转速、温度、压力、油膜厚度、缸套与活塞组件之间的摩擦力。
(5)发动机模拟系统中缸套、活塞连杆机构取用实际发动机零部件，通过不同厚度的浮动缸套来适应不同机型零部件的要求。
(6)空气加载系统的空压机提供一定压力的压缩空气，通过空气阀进入缸内，模拟气缸工作压力。
(7)摩擦力测试是通过在缸体两侧对称布置摩擦力传感器，缸套对传感器有一个初始压力，在运行时通过摩擦力传感器压力波动来得到摩擦力。
附图说明
图1为本发明平面图；
图2为本发明立体图；
图3为主驱动系统的结构示意图；
图4为发动机模拟系统结构示意图；
图5为油膜厚度测试结构示意图；
图6为润滑系统结构示意图；
图7为空气加载系统结构示意图。
图中，1-主驱动系统(101-三相异步电机、102-片式电磁离合器、103-电机皮带轮)；发动机模拟系统(201-缸体、202-气缸盖、203-发动机皮带轮、204-曲轴、205-轴承、206-连杆、207-活塞销、208-活塞销孔、209-活塞、210-固定缸套、211-浮动缸套、212-测试缸套、213-摩擦力传感器、214-温度传感器、215-油环、216-平衡块、217-机油池、218-空气阀气动接口、219-空气压力传感器、220-缸套加热装置、221-热电偶、222-第一引线、223-第二引线、224-接触电阻传感器、225-信号接线盒、226-数据采集卡、227-凸起结构、228-凹槽)；润滑系统(301-机油泵、302-机油过滤器、303-流量控制阀、304-单向阀)；4-空气加载系统(401-空压机、402-储气瓶、403-套管)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
如图1—图4所示，包括主驱动系统1、发动机模拟系统2、润滑系统3和空气加载系统4；所述发动机模拟系统2包括缸体201，所述缸体201内设有曲轴204，所述曲轴204通过缸体201外的发动机皮带轮203与主驱动系统1连接，所述曲轴204通过轴承205设于缸体201上，所述曲轴204底部为平衡块216；所述缸体201上方设有固定缸套210和密封于固定缸套210上的气缸盖202，所述固定缸套210内设有测试缸套212，所述固定缸套210与测试缸套212之间设有可变厚度的浮动缸套211，所述曲轴204与连杆206一端传动连接，所述连杆206另一端与活塞209连接，所述活塞209位于测试缸套212内上下往复运动；所述固定缸套210、浮动缸套211和测试缸套212底部与缸体201上端面之间设有摩擦力传感器213；所述缸体201内曲轴204下方设有机油池217，所述机油池217通过油路管路连接润滑系统3；所述测试缸套212内部与缸体201外部的空气加载系统4通过气体管道连通。
其中，所述活塞209通过开设的活塞销孔208、活塞销207与连杆206连接。所述活塞209上布置温度传感器214；所述气缸盖202上设置空气阀气动接口218和空气压力传感器219。所述测试缸套212与浮动缸套211之间布置缸套加热装置220，所述缸套加热装置220上设有热电偶221。
固定缸套与测试缸套之间设有浮动缸套，通过改变浮动缸套的厚度，适应不同机型缸套规格尺寸的变化。主驱动系统将功率输送至曲轴后，曲轴带动连杆，进而使活塞在测试缸套上做往复运动。
在主副推力面的缸体上对称设计安装两个摩擦力传感器，两者测力之和即为缸套-活塞组件的摩擦力。
如图3所示，所述主驱动系统1包括三相异步电机101、电机皮带轮103，所述三相异步电机101与电机皮带轮103之间装有片式电磁离合器102；所述片式电磁离合器102上布置有转速传感器(图中未示出)。三相异步电机通过电机皮带轮带动发动机模拟系统，以此来构成试验机的动力部分。三相异步电机与电机皮带轮之间装有片式电磁离合器，可方便控制三相异步电机与电机皮带轮的离合。
如图4所示，所述固定缸套210底部设有凸起结构227，所述凸起结构227底部形成凹槽228，所述浮动缸套211底部与凸起结构227上端面接触连接，所述摩擦力传感器213位于凹槽228内，且与测试缸套212底部接触连接。
如图5所示，所述测试缸套212和活塞209之间设有油环215，所述油环215连通油膜厚度测试结构，所述油膜厚度测试结构包括设于测量回路上的接触电阻传感器224、信号接线盒225和数据采集卡226，所述第一引线222布置在测试缸套212上，所述第二引线223布置在油环215上，所述第一引线222穿过浮动缸套211、固定缸套210接入接触电阻传感器224，所述第二引线223穿过活塞209油环215槽上的布油孔，沿连杆206引出浮动缸套211、固定缸套210接入接触电阻传感器224。
如图6所示，所述润滑系统3包括设于油路管路上的机油泵301、机油过滤器302、流量控制阀303和单向阀304，所述油路管路连通至测试缸套212和活塞209之间及曲轴204与轴承205之间。润滑系统由两部分组成：一部分是发动机内部测试缸套和活塞之间的润滑，通过润滑油飞溅的方式实现；一部分是曲轴滑动轴承的润滑。机油泵提供润滑油输送机械能，流量控制器调控润滑油供给量，通过机油过滤器不断供给各运动零件的摩擦表面。
如图7所示，所述空气加载系统4包括设于气体管道上的空压机401和储气瓶402。所述空气加载系统4通过气体管道与空气阀气动接口218连接。所述储气瓶402与空气阀气动接口218之间设有套管403。当气体单向阀打开时，空压机将外界气体进行压缩后通过气流管道进入缸体内，形成缸压负载。缸套加热装置置于缸套外侧，要求最高加热温度达300℃，而且可以实现斜率升温和恒温等功能，进行多种温度工况下试验。
本发明原理：发动机模拟系统2通过电机皮带轮103将主驱动系统1的三相异步电机101传递动力给发动机皮带轮203，然后驱动曲轴204转动，曲轴204通过轴承205提供支撑，并配有平衡块216来抵消单缸曲轴所产生的不平顺性，曲轴204转动带动连杆206，然后通过活塞销207传递到活塞209，使得活塞209在测试缸套212中上下运动，模拟发动机的正常运转。在固定缸套210和测试缸套212之间布置浮动缸套211，可以改变浮动缸套211的厚度来实现不同机型结构变化的需求，测试缸套212和活塞209之间润滑采用飞溅润滑，在缸体201的两面对称布置摩擦力传感器213，其需要在浮动缸套211和缸体201之间钻孔引出摩擦力传感器213，安装时测试缸套212会对摩擦力传感器213有一个初始压力，活塞209在上下运动过程中，因为测试缸套212和活塞209之间摩擦力的原因会导致摩擦力传感器213产生压力波动，两个摩擦力传感器213测得的摩擦力之和即为测试缸套212和活塞209之间的摩擦力。可多次测量得到摩擦力曲线，在测试缸套212和浮动缸套211之间布置缸套加热装置220，能实现对缸套的加热，要求最高加热温度可达到300℃，同时在加热装置220附近布置热电偶221，用于实时记录缸套温度，并与控制系统进行交互。
油膜厚度测试是利用金属导电性与润滑油导电性相差悬殊的特性检测摩擦副接触电压降，并利用油膜厚度与油膜电阻率之间的关系来计算摩擦副表面的油膜厚度。测试缸套端电极及第一引线222布置在测试缸套212上，与之对应的活塞环端电极及第二引线223布置在油环215上，考虑到高温高压的工作环境，在油环215的非摩擦面上缠绕耐高温、高压的绝缘胶布，使之与活塞209绝缘。考虑到引线的方便，以油环215为对象，将第二引线223穿过活塞209油环槽上的布油孔，沿连杆206引出基体，第一引线222、第二引线223接入接触电阻传感器224，然后通过信号接线盒225和数据采集卡226得到测试的油膜厚度。
润滑系统3的机油泵301提供润滑油输送机械能，流量控制阀303调控润滑油供给量，通过该润滑系统不断供给各运动零件的摩擦表面。试验过程中按照设定时间接取的机油样进行铁谱、光谱以及其他性能指标的分析。
空气加载系统4通过空压机401提供一定压力的压缩空气，到达储气瓶402稳压，当空气阀气动接口218打开时，压缩空气进入气缸后形成缸压负载，缸内的压力可以通过空气压力传感器219测量记录，该系统能模拟发动机正常运行时的缸内压力。
本发明采集试验过程中缸套与活塞组件之间的摩擦力，缸压，缸套-活塞环油膜厚度，缸套温度以及转速等。试验结束后，分析测量活塞环磨损量，缸套、活塞环表面形貌，同时结合油样分析，综合评价缸套-活塞环的摩擦磨损性能。
应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：包括主驱动系统(1)、发动机模拟系统(2)、润滑系统(3)和空气加载系统(4)；所述发动机模拟系统(2)包括缸体(201)，所述缸体(201)内设有曲轴(204)，所述曲轴(204)通过缸体(201)外的发动机皮带轮(203)与主驱动系统(1)连接；所述缸体(201)上方设有固定缸套(210)和密封于固定缸套(210)上的气缸盖(202)，所述固定缸套(210)内设有测试缸套(212)，所述固定缸套(210)与测试缸套(212)之间设有可变厚度的浮动缸套(211)，所述曲轴(204)与连杆(206)一端传动连接，所述连杆(206)另一端与活塞(209)连接，所述活塞(209)位于测试缸套(212)内上下往复运动；所述固定缸套(210)、浮动缸套(211)和测试缸套(212)底部与缸体(201)上端面之间设有摩擦力传感器(213)；所述缸体(201)内曲轴(204)下方设有机油池(217)，所述机油池(217)通过油路管路连接润滑系统(3)；所述测试缸套(212)内部与缸体(201)外部的空气加载系统(4)通过气体管道连通。
2.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述固定缸套(210)底部设有凸起结构(227)，所述凸起结构(227)底部形成凹槽(228)，所述浮动缸套(211)底部与凸起结构(227)上端面接触连接，所述摩擦力传感器(213)位于凹槽(228)内，且与测试缸套(212)底部接触连接。
3.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述主驱动系统(1)包括三相异步电机(101)、电机皮带轮(103)，所述三相异步电机(101)与电机皮带轮(103)之间装有片式电磁离合器(102)；所述片式电磁离合器(102)上布置有转速传感器。
4.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述润滑系统(3)包括设于油路管路上的机油泵(301)、机油过滤器(302)、流量控制阀(303)和单向阀(304)，所述油路管路连通至测试缸套(212)和活塞(209)之间及曲轴(204)与轴承(205)之间。
5.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述空气加载系统(4)包括设于气体管道上的空压机(401)和储气瓶(402)。
6.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述测试缸套(212)和活塞(209)之间设有油环(215)，所述油环(215)连通油膜厚度测试结构，所述油膜厚度测试结构包括设于测量回路上的接触电阻传感器(224)、信号接线盒(225)和数据采集卡(226)，所述第一引线(222)布置在测试缸套(212)上，所述第二引线(223)布置在油环(215)上，所述第一引线(222)穿过浮动缸套(211)、固定缸套(210)接入接触电阻传感器(224)，所述第二引线(223)穿过活塞(209)油环(215)槽上的布油孔，沿连杆(206)引出浮动缸套(211)、固定缸套(210)接入接触电阻传感器(224)。
7.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述活塞(209)通过开设的活塞销孔(208)、活塞销(207)与连杆(206)连接。
8.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述活塞(209)上布置温度传感器(214)；所述气缸盖(202)上设置空气阀气动接口(218)和空气压力传感器(219)。
9.根据权利要求8所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述空气加载系统(4)通过气体管道与空气阀气动接口(218)连接。
10.根据权利要求1所述的一种缸套-活塞环摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述测试缸套(212)与浮动缸套(211)之间布置缸套加热装置(220)，所述缸套加热装置(220)上设有热电偶(221)。
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