CN1940523A

CN1940523A - 内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机

Info

Publication number: CN1940523A
Application number: CN 200610124601
Authority: CN
Inventors: 严新平; 刘正林; 袁成清; 宗成强; 施慧杰
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: CN100507507C

Abstract

本发明是内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，包括：由包括气缸(10)、活塞环(15)、活塞(16)、曲轴(29)以及高压气体的进气口(32)、排气口(30)组成的主驱动机构，其利用高压空气模拟气缸内空气燃烧时产生的爆炸压力及压力变化，作为内燃机中缸套－活塞环副的磨损与振动情况的模拟试验工况；由包括安置在轴承座(17)上的压力传感器和振动传感器，安放在机架(9)上的油液监测传感器、温度传感器和机架周向的振动传感器，以及在曲轴的最右端安装的力学传感器组成的状态监测系统。本发明结构简单，可以同时对包括缸套、活塞环、曲轴和轴承等内燃机主要运动部件的摩擦磨损与振动进行模拟试验和实时在线的监测。

Description

内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机

技术领域

本发明涉及试验设备，特别是涉及一种内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机。

背景技术

缸套、活塞环、曲轴、轴承等作为内燃机的核心部件，长期在高温高压下工作，工况恶劣。长期以来，对这些运动部件的摩擦磨损的研究，取得了一定进展，但由于受到其工作环境和技术手段的影响，但仍存在不少缺陷。对现有的专利技术文献检索发现，与本专利相关的有以下几个：发明专利“活塞环-缸套材料摩擦磨损性能测试装置”(申请号：200410068042.5)主要提供了缸套-活塞环在不同的环境下的磨损性能，其工作环境与实际情况相差很大，且磨损测试仅局限于缸套-活塞环，测试项目单一。发明专利“一种缸套活塞环零部件摩擦磨损试验方法和设备”(申请号：200510136811.5)采用的是对活塞环进行径向加载，并通过传感器测量受到的摩擦力。但活塞环是采用电动机带动的，其受力情况与实际工况不符；且活塞环的加热方式采用了在缸套内加入油液的方式，受热方式与实际工况不符。此外相关的专利有“发动机缸套-活塞环悬浮整环式磨损模拟试验机”(申请号：89221934.3)，也单纯的用来做缸套-活塞环的摩擦磨损量的对比试验。

综上所述，发现已有的试验机构运动工况与实际情况有较大差距，检测的方面也仅局限于单纯的缸套-活塞环磨损量的测量，监测项目单一；试验过程可控性差、试验效率低；试验参数不可调等，因此很难具有广泛的适用性。目前，国外的研究也主要集中在仿真计算、试样试验和整机试验上。仿真计算缺少相关试验验证；试样试验一般均采用压力加载方式，无法模拟内燃机燃油燃烧时的瞬间爆发压力，后者属于整机台架试验，结构复杂、试验周期长、费用高。这些试验装置的监测手段有限，因此需要研制模拟摩擦磨损试验机，将这三者优点综合，提高试验结果的准确性和真实性以及试验效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，它可以模拟包括缸套、活塞环、曲轴和轴承等内燃机主要运动部件的摩擦磨损与振动模拟试验，并可通过变换试验参数和对比试验，综合评定主要运动部件材料的相关性能，还可以通过相应的传感器对缸套、活塞环等设备的磨损情况进行实时在线的监测。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括驱动部分和模拟试验部分。

驱动部分：包括气缸、活塞环、活塞、曲轴以及气缸盖上的高压气体的排气口、进气口组成的主驱动机构，其动力源是高压空气，利用高压空气模拟气缸内空气燃烧时产生的爆炸压力及压力变化，作为内燃机中缸套-活塞环副的磨损与振动情况的模拟试验工况，使其更贴近于实际工况。

模拟试验部分：包括安置在轴承座上的压力传感器和振动传感器，安放在机架上的油液监测传感器、温度传感器和机架周向的振动传感器，以及在曲轴的最右端安装的力学传感器组成的状态监测系统，同时对内燃机的多组主要运动部件的磨损与振动情况进行监测。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

其一.最大限度地模拟了气缸内燃烧瞬间爆发压力以及缸内的高温环境，同时在相应的部位安装温度传感器、油液状态监测传感器和振动传感器，对主要零部件温度、润滑油的磨粒成分和振动状况进行实时监测，并将所采集的数据自动输入计算机进行分析处理，对整个设备所处状态进行判断。

其二.与国外同类装置比较，具有结构简单，可更换各种材料的缸套、活塞环进行试验，试验效率高、费用低等优点。与国内同类装置比较，具有更能模拟实际内燃机燃烧时的工作状况、结构简单、可重复试验、试验效率高，并可实时监测缸套、活塞环状态等的优点。

其三.采用了较为完善的解决方案，同时在设备的相关部位安装了油液监测传感器和压力、振动和温度传感器，可对缸套、活塞环等设备的磨损情况进行实时在线的监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中的气缸盖的俯视图。

图中：1.油底壳；2.离合器踏板；3.水泥基座；4.电动机；5.离合器；6.飞轮；7.密封端盖；8.端盖；9.机架；10.气缸；11.电阻丝；12.气缸盖；13.螺钉；14.“O”型密封圈；15.活塞环；16.活塞；17.轴承座；18.滑动轴承；19.轴承座；20.滚珠推力轴承；21.螺母；22.圆锥滚子轴承；23.排气口；24.弹簧；25.进气口；26.管接式气缸；27.螺栓；28.基座；29.曲轴；30.排气口；31.螺纹孔；32.进气口。

具体实施方式

本发明涉及一种用于内燃机主要运动部件(包括缸套、活塞环、曲轴、轴承等)的摩擦磨损与振动模拟试验机(以下简称试验机)。它模拟实际工作环境下，主要运动部件的表面磨损情况及振动情况，从而研究不同工况下，内燃机主要运动部件的摩擦磨损机理，并可通过变换试验参数和对比试验，综合评定主要运动部件材料的相关性能。

本试验机的结构如图1和图2所示：包括驱动部分和模拟试验部分。

1.驱动部分：

设有主驱动机构，其由包括气缸10、活塞环15、活塞16、曲轴29以及气缸盖12上的高压气体的排气口30、进气口32组成，其动力源是高压空气，利用高压空气模拟气缸内空气燃烧时产生的爆炸压力及压力变化，作为内燃机中缸套-活塞环副的磨损与振动情况的模拟试验工况，使其更贴近于实际工况。

还可以设有从驱动机构，其由包括电动机4、离合器踏板2、离合器5和飞轮6构成，其作为主驱动机构的辅助动力源。电动机4通过离合器5与曲轴29的左端头相连，飞轮6装在曲轴29左部的轴体上。

上述的气缸10，其外表面上绕有电阻丝11。气缸盖12可由螺钉13与机架9相连，其端面上的高速开关电磁阀分别与进、排气管道相连接。该气缸盖上开有润滑油滴油孔。

上述的曲轴29的轴体与轴承座17内的滑动轴承18相连，轴承座17由螺栓固定在支座上，该支座装有压力和振动传感器，滑动轴承18装有油液监测传感器和温度传感器。

2.模拟试验部分：

设有状态监测系统，其由安置在轴承座17上的压力传感器和振动传感器，安放在机架9上的油液监测传感器、温度传感器和机架9周向的振动传感器，以及在曲轴29的最右端安装的力学传感器构成，同时对内燃机的多组主要运动部件的磨损与振动情况进行监测。

还可以设有轴向加载机构，其由包括圆锥滚子轴承22、弹簧24和管接式气缸26等部件组成，并且由螺栓27固定于基座28上。圆锥滚子轴承22，其外圈嵌入曲轴29右端面，其内圈装在管接式气缸26的活塞杆端上，管接式气缸26的活塞杆的轴线与曲轴29的中心线相重合。管接式气缸26设有排气口23、进气口25。

下面结合附图对本发明的结构作进一步说明。

见图1：电动机4的底座由螺栓固定装在水泥基座3上。电动机4与离合器5相连接，离合器的5的两端分别连接到电动机4的输出轴和曲轴29上。曲轴29的左边连接有滑动轴承18、离合器5和飞轮6。滑动轴承18安装在轴承座17上，轴承座17固定在基座28上。滑动轴承18的两端由密封端盖7密封。在曲轴29与机架9(气缸机架)的连接处通过端盖8进行密封。曲轴29的右边安装有与左边相同的滑动轴承18，其密封方式也与左边相同，并安装在轴承座17上。在轴承座19上装有滚珠推力轴承20，该轴承的一个推力盘内孔与曲轴29间隙配合，推力盘外圆与轴承座19过盈配合；另一个推力盘内孔与曲轴29紧配合，推力盘外侧有螺母21，可将推力轴承调整固定。

在曲轴29的右端内嵌了圆锥滚子轴承22的外圈，该轴承的内圈安装在管接式气缸26的活塞杆端上，管接式气缸26的活塞杆的轴线与曲轴29的中心线相重合。在非工作状态时，圆锥滚子轴承22的内外圈处于非接触状态；工作时，管接式气缸26的活塞杆在气体压力作用下向前移动，活塞杆端上的轴承内圈就与曲轴29右端的轴承外圈接触，实现轴向力的施加。

气缸10安装在机架9中，气缸10上安装有气缸盖12，气缸盖12与气缸10之间通过“O”型密封圈14进行密封。气缸盖12、气缸10与机架9通过螺钉13固定。在气缸10的上方装有加热电阻丝11，用于对气缸10内壁的上半部分的空间进行加热。在气缸10的内部安装有活塞16，活塞16通过活塞环15与气缸10的内壁进行配合，并通过连杆与曲轴29相连接。

管接式气缸26包含进气口25、弹簧24或排气口23，它通过螺栓27固定于基座28上。

气缸盖12上面分别开有气体排气口30和高压气体进气口32，高速开关电磁阀分别与进、排气管道相连接，并通过螺纹孔31将其固定在气缸盖12的端面上(见图2)。

轴承座17、机架9、滚珠推力轴承座19和管接式气缸26固定于基座28上。

本发明中，气缸10外壁上沿通过使用电阻丝11加热的方式，对气缸10的上半部分进行加热，以最大程度的模拟实际工况。

本发明中，曲轴29上安装有连杆，可附带平衡块，也可通过在基座28上添加一定的平衡物体，减轻内燃机的振动，避免共振的发生。曲轴29通过连杆带动活塞往复运动。

轴向力加载装置——管接式气缸26可换用其它方式进行加载，在这里选用管接式气缸26主要是考虑到气压源的因素，可更好地利用动力，实际工程中可根据实际情况进行合理的加载方式替换。当管接式气缸26使用弹簧24作为卸载使用时，可将管接式气缸排气口23不接至压缩空气源上，这样可以节省动力。

图2中的气缸盖12与机架9通过螺钉13相连，并在气缸盖12上面分别开了气体排气口30和高压气体进气口32，高速开关电磁阀分别与进、排气管道相连接，并通过螺纹孔31将其固定在气缸盖12的端面上。根据实际工程的需要在气缸盖12上开润滑油滴油孔。

在本发明中，在滑动轴承18、油底壳1上安装有油液监测传感器和温度传感器，用于监测油液的状态，在轴承座17处安装有压力和振动传感器，用于检测轴承所受的压力，同时可以观测左右两个轴承的压力是否相同，确定曲轴29所处的状态。在基座28和机架9上安装有振动传感器，用来监测系统的振动状态，避免共振现象的发生。油底壳1位于机架9的下方，其由螺栓固定在基座上。

在曲轴29的右侧安装有压力传感器，用来测量传递的轴向力的大小。根据现有设备性能状况，曲轴的转速不高于2000r/min(两冲程)。应用计算机控制高速开关电磁阀的开启、闭合时间，可以控制曲轴的转速，并通过传感器将采集的数据传送到计算机，在计算机上再现。当高速开关电磁阀的性能更先进时，曲轴转速可以进一步提高。

下面结合图1、图2对本发明的工作原理进行说明。

试验机起动时，电动机4带动曲轴29旋转，当曲轴29到达一定的转速后，拨动离合器踏板2，使曲轴29与电动机4脱开，电动机4停转，曲轴29在飞轮6的惯性作用下继续旋转，开启气缸盖12上的高压气体的进气口32和排气口30，通过编码器，使控制高压气体进气口32和气体排气口30的电磁阀处于异步工作状态。

当气缸10中的活塞16运动到顶端时，高压气体进气口32打开，进行短暂的充气，然后控制进气的电磁阀关闭，活塞向下移动；当活塞在最下端，准备返回气缸顶部时，气体排气口30打开，使气体排出气缸；气缸运转至顶端位置，气体排气口30关闭，在短时间内高压气体进气口32打开，充气，关闭，活塞进行下一个往复运动。

当电动机4启动时，将气缸10的外表面上缠绕的电阻丝11通电，使其处于加热状态，以便更好的模拟实际的工况环境。

本发明中，缸套的润滑方式可采用飞溅润滑方式或通过在气缸盖12上开注油孔润滑的方式进行气缸的润滑。

在曲轴29的右边安装有轴向加载装置——管接式气缸26，在进行轴向加载试验时，可将管接式气缸26的进气口25接高压气体，使活塞向左侧推移，固定在气缸26活塞杆上的圆锥滚子轴承22的内圈与固定与曲轴29右端的圆锥滚子轴承22外圈相接触，实现轴向力的加载。滚珠推力轴承20、螺母21及滚珠推力轴承座19可有效地防止右侧轴向力对曲轴29产生的影响，使其仅作用在曲轴29的某一段上。轴向力卸载时，可将管接式气缸26的排气口23接入高压气体，通过活塞的移动使圆锥滚子轴承22的内外圈分离，从而达到卸载的目的。也可以在管接式气缸26左边安装弹簧24，这样可以在进气口25停止供气时，将活塞推回初始位置。这两种卸载方式在设计时可根据具体情况选择其中之一。

参考文献

[1]专利名称：发动机缸套-活塞环悬浮整环式磨损模拟试验机，申请号89221934.3

[2]专利名称：一种缸套活塞环零部件摩擦磨损试验方法和设备，申请号200510136811.5

[3]专利名称：活塞环-缸套材料摩擦磨损性能测试装置，申请号200410068042.5

Claims

1.一种内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，包括驱动部分和模拟试验部分，其特征在于：

驱动部分：由包括气缸(10)、活塞环(15)、活塞(16)、曲轴(29)以及气缸盖(12)上的高压气体的进气口(32)、排气口(30)组成的主驱动机构，其动力源是高压空气，利用高压空气模拟气缸内空气燃烧时产生的爆炸压力及压力变化，作为内燃机中缸套-活塞环副的磨损与振动情况的模拟试验工况，使其更贴近于实际工况。

模拟试验部分：由包括安置在轴承座(17)上的压力传感器和振动传感器，安放在机架(9)上的油液监测传感器、温度传感器和机架(9)周向的振动传感器，以及在曲轴(29)的最右端安装的力学传感器组成的状态监测系统，同时对内燃机的多组主要运动部件的磨损与振动情况进行监测。

2.根据权利要求1所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征是所述驱动部分中：由包括电动机(4)、离合器踏板(2)、离合器(5)和飞轮(6)构成的从驱动机构，作为主驱动机构的辅助动力源；电动机(4)通过离合器(5)与曲轴(29)的左端头相连，飞轮(6)装在曲轴(29)左部的轴体上。

3.根据权利要求1所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征是所述模拟试验部分中：由包括圆锥滚子轴承(22)、弹簧(24)和管接式气缸(26)组成的轴向加载机构，由螺栓(27)固定于基座(28)上；圆锥滚子轴承(22)其外圈嵌入曲轴(29)右端面，其内圈装在管接式气缸(26)的活塞杆端上，管接式气缸(26)的活塞杆的轴线与曲轴(29)的中心线相重合；管接式气缸(26)设有排气口(23)、进气口(25)。

4.根据权利要求1或3所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征是机架(9)和基座(28)装有振动传感器，机架(9)下方的油底壳(1)装有油液监测传感器和温度传感器。

5.根据权利要求1所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征在于所述的气缸盖(12)，由螺钉(13)与机架(9)相连，其端面上的高速开关电磁阀分别与进、排气管道相连接。

6.根据权利要求1所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征是曲轴(29)的轴体与轴承座(17)内的滑动轴承(18)相连，该轴承座由螺栓固定在支座上，该支座装有压力和振动传感器，滑动轴承(18)装有油液监测传感器和温度传感器。

7.根据权利要求1所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征是所述气缸(10)的外表面上绕有电阻丝(11)。

8.根据权利要求1所述的内燃机主要运动部件摩擦磨损与振动模拟试验机，其特征是所述管接式气缸(26)，由其排气口(23)接入高压空气的方式进行卸载，或者用其缸内的弹簧(24)进行卸载。