專利名稱：內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機的制作方法
技術領域：
本發明涉及試驗設備，特別是涉及一種內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機。
背景技術：
缸套、活塞環、曲軸、軸承等作為內燃機的核心部件，長期在高溫高壓下工作，工況惡劣。長期以來，對這些運動部件的摩擦磨損的研究，取得了一定進展，但由于受到其工作環境和技術手段的影響，但仍存在不少缺陷。對現有的專利技術文獻檢索發現，與本專利相關的有以下幾個發明專利“活塞環-缸套材料摩擦磨損性能測試裝置”(申請號200410068042.5)主要提供了缸套-活塞環在不同的環境下的磨損性能，其工作環境與實際情況相差很大，且磨損測試僅局限于缸套-活塞環，測試項目單一。發明專利“一種缸套活塞環零部件摩擦磨損試驗方法和設備”(申請號200510136811.5)采用的是對活塞環進行徑向加載，并通過傳感器測量受到的摩擦力。但活塞環是采用電動機帶動的，其受力情況與實際工況不符；且活塞環的加熱方式采用了在缸套內加入油液的方式，受熱方式與實際工況不符。此外相關的專利有“發動機缸套-活塞環懸浮整環式磨損模擬試驗機”(申請號89221934.3)，也單純的用來做缸套-活塞環的摩擦磨損量的對比試驗。
綜上所述，發現已有的試驗機構運動工況與實際情況有較大差距，檢測的方面也僅局限于單純的缸套-活塞環磨損量的測量，監測項目單一；試驗過程可控性差、試驗效率低；試驗參數不可調等，因此很難具有廣泛的適用性。目前，國外的研究也主要集中在仿真計算、試樣試驗和整機試驗上。仿真計算缺少相關試驗驗證；試樣試驗一般均采用壓力加載方式，無法模擬內燃機燃油燃燒時的瞬間爆發壓力，后者屬于整機臺架試驗，結構復雜、試驗周期長、費用高。這些試驗裝置的監測手段有限，因此需要研制模擬摩擦磨損試驗機，將這三者優點綜合，提高試驗結果的準確性和真實性以及試驗效率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，它可以模擬包括缸套、活塞環、曲軸和軸承等內燃機主要運動部件的摩擦磨損與振動模擬試驗，并可通過變換試驗參數和對比試驗，綜合評定主要運動部件材料的相關性能，還可以通過相應的傳感器對缸套、活塞環等設備的磨損情況進行實時在線的監測。
本發明解決其技術問題采用的技術方案是包括驅動部分和模擬試驗部分。
驅動部分包括氣缸、活塞環、活塞、曲軸以及氣缸蓋上的高壓氣體的排氣口、進氣口組成的主驅動機構，其動力源是高壓空氣，利用高壓空氣模擬氣缸內空氣燃燒時產生的爆炸壓力及壓力變化，作為內燃機中缸套-活塞環副的磨損與振動情況的模擬試驗工況，使其更貼近于實際工況。
模擬試驗部分包括安置在軸承座上的壓力傳感器和振動傳感器，安放在機架上的油液監測傳感器、溫度傳感器和機架周向的振動傳感器，以及在曲軸的最右端安裝的力學傳感器組成的狀態監測系統，同時對內燃機的多組主要運動部件的磨損與振動情況進行監測。
本發明與現有技術相比具有以下的主要優點其一.最大限度地模擬了氣缸內燃燒瞬間爆發壓力以及缸內的高溫環境，同時在相應的部位安裝溫度傳感器、油液狀態監測傳感器和振動傳感器，對主要零部件溫度、潤滑油的磨粒成分和振動狀況進行實時監測，并將所采集的數據自動輸入計算機進行分析處理，對整個設備所處狀態進行判斷。
其二.與國外同類裝置比較，具有結構簡單，可更換各種材料的缸套、活塞環進行試驗，試驗效率高、費用低等優點。與國內同類裝置比較，具有更能模擬實際內燃機燃燒時的工作狀況、結構簡單、可重復試驗、試驗效率高，并可實時監測缸套、活塞環狀態等的優點。
其三.采用了較為完善的解決方案，同時在設備的相關部位安裝了油液監測傳感器和壓力、振動和溫度傳感器，可對缸套、活塞環等設備的磨損情況進行實時在線的監測。
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是圖1中的氣缸蓋的俯視圖。
圖中1.油底殼；2.離合器踏板；3.水泥基座；4.電動機；5.離合器；6.飛輪；7.密封端蓋；8.端蓋；9.機架；10.氣缸；11.電阻絲；12.氣缸蓋；13.螺釘；14.“O”型密封圈；15.活塞環；16.活塞；17.軸承座；18.滑動軸承；19.軸承座；20.滾珠推力軸承；21.螺母；22.圓錐滾子軸承；23.排氣口；24.彈簧；25.進氣口；26.管接式氣缸；27.螺栓；28.基座；29.曲軸；30.排氣口；31.螺紋孔；32.進氣口。
具體實施例方式
本發明涉及一種用于內燃機主要運動部件(包括缸套、活塞環、曲軸、軸承等)的摩擦磨損與振動模擬試驗機(以下簡稱試驗機)。它模擬實際工作環境下，主要運動部件的表面磨損情況及振動情況，從而研究不同工況下，內燃機主要運動部件的摩擦磨損機理，并可通過變換試驗參數和對比試驗，綜合評定主要運動部件材料的相關性能。
本試驗機的結構如圖1和圖2所示包括驅動部分和模擬試驗部分。
1.驅動部分設有主驅動機構，其由包括氣缸10、活塞環15、活塞16、曲軸29以及氣缸蓋12上的高壓氣體的排氣口30、進氣口32組成，其動力源是高壓空氣，利用高壓空氣模擬氣缸內空氣燃燒時產生的爆炸壓力及壓力變化，作為內燃機中缸套-活塞環副的磨損與振動情況的模擬試驗工況，使其更貼近于實際工況。
還可以設有從驅動機構，其由包括電動機4、離合器踏板2、離合器5和飛輪6構成，其作為主驅動機構的輔助動力源。電動機4通過離合器5與曲軸29的左端頭相連，飛輪6裝在曲軸29左部的軸體上。
上述的氣缸10，其外表面上繞有電阻絲11。氣缸蓋12可由螺釘13與機架9相連，其端面上的高速開關電磁閥分別與進、排氣管道相連接。該氣缸蓋上開有潤滑油滴油孔。
上述的曲軸29的軸體與軸承座17內的滑動軸承18相連，軸承座17由螺栓固定在支座上，該支座裝有壓力和振動傳感器，滑動軸承18裝有油液監測傳感器和溫度傳感器。
2.模擬試驗部分設有狀態監測系統，其由安置在軸承座17上的壓力傳感器和振動傳感器，安放在機架9上的油液監測傳感器、溫度傳感器和機架9周向的振動傳感器，以及在曲軸29的最右端安裝的力學傳感器構成，同時對內燃機的多組主要運動部件的磨損與振動情況進行監測。
還可以設有軸向加載機構，其由包括圓錐滾子軸承22、彈簧24和管接式氣缸26等部件組成，并且由螺栓27固定于基座28上。圓錐滾子軸承22，其外圈嵌入曲軸29右端面，其內圈裝在管接式氣缸26的活塞桿端上，管接式氣缸26的活塞桿的軸線與曲軸29的中心線相重合。管接式氣缸26設有排氣口23、進氣口25。
下面結合附圖對本發明的結構作進一步說明。
見圖1電動機4的底座由螺栓固定裝在水泥基座3上。電動機4與離合器5相連接，離合器的5的兩端分別連接到電動機4的輸出軸和曲軸29上。曲軸29的左邊連接有滑動軸承18、離合器5和飛輪6。滑動軸承18安裝在軸承座17上，軸承座17固定在基座28上。滑動軸承18的兩端由密封端蓋7密封。在曲軸29與機架9(氣缸機架)的連接處通過端蓋8進行密封。曲軸29的右邊安裝有與左邊相同的滑動軸承18，其密封方式也與左邊相同，并安裝在軸承座17上。在軸承座19上裝有滾珠推力軸承20，該軸承的一個推力盤內孔與曲軸29間隙配合，推力盤外圓與軸承座19過盈配合；另一個推力盤內孔與曲軸29緊配合，推力盤外側有螺母21，可將推力軸承調整固定。
在曲軸29的右端內嵌了圓錐滾子軸承22的外圈，該軸承的內圈安裝在管接式氣缸26的活塞桿端上，管接式氣缸26的活塞桿的軸線與曲軸29的中心線相重合。在非工作狀態時，圓錐滾子軸承22的內外圈處于非接觸狀態；工作時，管接式氣缸26的活塞桿在氣體壓力作用下向前移動，活塞桿端上的軸承內圈就與曲軸29右端的軸承外圈接觸，實現軸向力的施加。
氣缸10安裝在機架9中，氣缸10上安裝有氣缸蓋12，氣缸蓋12與氣缸10之間通過“O”型密封圈14進行密封。氣缸蓋12、氣缸10與機架9通過螺釘13固定。在氣缸10的上方裝有加熱電阻絲11，用于對氣缸10內壁的上半部分的空間進行加熱。在氣缸10的內部安裝有活塞16，活塞16通過活塞環15與氣缸10的內壁進行配合，并通過連桿與曲軸29相連接。
管接式氣缸26包含進氣口25、彈簧24或排氣口23，它通過螺栓27固定于基座28上。
氣缸蓋12上面分別開有氣體排氣口30和高壓氣體進氣口32，高速開關電磁閥分別與進、排氣管道相連接，并通過螺紋孔31將其固定在氣缸蓋12的端面上(見圖2)。
軸承座17、機架9、滾珠推力軸承座19和管接式氣缸26固定于基座28上。
本發明中，氣缸10外壁上沿通過使用電阻絲11加熱的方式，對氣缸10的上半部分進行加熱，以最大程度的模擬實際工況。
本發明中，曲軸29上安裝有連桿，可附帶平衡塊，也可通過在基座28上添加一定的平衡物體，減輕內燃機的振動，避免共振的發生。曲軸29通過連桿帶動活塞往復運動。
軸向力加載裝置——管接式氣缸26可換用其它方式進行加載，在這里選用管接式氣缸26主要是考慮到氣壓源的因素，可更好地利用動力，實際工程中可根據實際情況進行合理的加載方式替換。當管接式氣缸26使用彈簧24作為卸載使用時，可將管接式氣缸排氣口23不接至壓縮空氣源上，這樣可以節省動力。
圖2中的氣缸蓋12與機架9通過螺釘13相連，并在氣缸蓋12上面分別開了氣體排氣口30和高壓氣體進氣口32，高速開關電磁閥分別與進、排氣管道相連接，并通過螺紋孔31將其固定在氣缸蓋12的端面上。根據實際工程的需要在氣缸蓋12上開潤滑油滴油孔。
在本發明中，在滑動軸承18、油底殼1上安裝有油液監測傳感器和溫度傳感器，用于監測油液的狀態，在軸承座17處安裝有壓力和振動傳感器，用于檢測軸承所受的壓力，同時可以觀測左右兩個軸承的壓力是否相同，確定曲軸29所處的狀態。在基座28和機架9上安裝有振動傳感器，用來監測系統的振動狀態，避免共振現象的發生。油底殼1位于機架9的下方，其由螺栓固定在基座上。
在曲軸29的右側安裝有壓力傳感器，用來測量傳遞的軸向力的大小。根據現有設備性能狀況，曲軸的轉速不高于2000r/min(兩沖程)。應用計算機控制高速開關電磁閥的開啟、閉合時間，可以控制曲軸的轉速，并通過傳感器將采集的數據傳送到計算機，在計算機上再現。當高速開關電磁閥的性能更先進時，曲軸轉速可以進一步提高。
下面結合圖1、圖2對本發明的工作原理進行說明。
試驗機起動時，電動機4帶動曲軸29旋轉，當曲軸29到達一定的轉速后，撥動離合器踏板2，使曲軸29與電動機4脫開，電動機4停轉，曲軸29在飛輪6的慣性作用下繼續旋轉，開啟氣缸蓋12上的高壓氣體的進氣口32和排氣口30，通過編碼器，使控制高壓氣體進氣口32和氣體排氣口30的電磁閥處于異步工作狀態。
當氣缸10中的活塞16運動到頂端時，高壓氣體進氣口32打開，進行短暫的充氣，然后控制進氣的電磁閥關閉，活塞向下移動；當活塞在最下端，準備返回氣缸頂部時，氣體排氣口30打開，使氣體排出氣缸；氣缸運轉至頂端位置，氣體排氣口30關閉，在短時間內高壓氣體進氣口32打開，充氣，關閉，活塞進行下一個往復運動。
當電動機4啟動時，將氣缸10的外表面上纏繞的電阻絲11通電，使其處于加熱狀態，以便更好的模擬實際的工況環境。
本發明中，缸套的潤滑方式可采用飛濺潤滑方式或通過在氣缸蓋12上開注油孔潤滑的方式進行氣缸的潤滑。
在曲軸29的右邊安裝有軸向加載裝置——管接式氣缸26，在進行軸向加載試驗時，可將管接式氣缸26的進氣口25接高壓氣體，使活塞向左側推移，固定在氣缸26活塞桿上的圓錐滾子軸承22的內圈與固定與曲軸29右端的圓錐滾子軸承22外圈相接觸，實現軸向力的加載。滾珠推力軸承20、螺母21及滾珠推力軸承座19可有效地防止右側軸向力對曲軸29產生的影響，使其僅作用在曲軸29的某一段上。軸向力卸載時，可將管接式氣缸26的排氣口23接入高壓氣體，通過活塞的移動使圓錐滾子軸承22的內外圈分離，從而達到卸載的目的。也可以在管接式氣缸26左邊安裝彈簧24，這樣可以在進氣口25停止供氣時，將活塞推回初始位置。這兩種卸載方式在設計時可根據具體情況選擇其中之一。
參考文獻[1]專利名稱發動機缸套-活塞環懸浮整環式磨損模擬試驗機，申請號89221934.3[2]專利名稱一種缸套活塞環零部件摩擦磨損試驗方法和設備，申請號200510136811.5[3]專利名稱活塞環-缸套材料摩擦磨損性能測試裝置，申請號200410068042.權利要求
1.一種內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，包括驅動部分和模擬試驗部分，其特征在于驅動部分由包括氣缸(10)、活塞環(15)、活塞(16)、曲軸(29)以及氣缸蓋(12)上的高壓氣體的進氣口(32)、排氣口(30)組成的主驅動機構，其動力源是高壓空氣，利用高壓空氣模擬氣缸內空氣燃燒時產生的爆炸壓力及壓力變化，作為內燃機中缸套-活塞環副的磨損與振動情況的模擬試驗工況，使其更貼近于實際工況。模擬試驗部分由包括安置在軸承座(17)上的壓力傳感器和振動傳感器，安放在機架(9)上的油液監測傳感器、溫度傳感器和機架(9)周向的振動傳感器，以及在曲軸(29)的最右端安裝的力學傳感器組成的狀態監測系統，同時對內燃機的多組主要運動部件的磨損與振動情況進行監測。
2.根據權利要求1所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征是所述驅動部分中由包括電動機(4)、離合器踏板(2)、離合器(5)和飛輪(6)構成的從驅動機構，作為主驅動機構的輔助動力源；電動機(4)通過離合器(5)與曲軸(29)的左端頭相連，飛輪(6)裝在曲軸(29)左部的軸體上。
3.根據權利要求1所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征是所述模擬試驗部分中由包括圓錐滾子軸承(22)、彈簧(24)和管接式氣缸(26)組成的軸向加載機構，由螺栓(27)固定于基座(28)上；圓錐滾子軸承(22)其外圈嵌入曲軸(29)右端面，其內圈裝在管接式氣缸(26)的活塞桿端上，管接式氣缸(26)的活塞桿的軸線與曲軸(29)的中心線相重合；管接式氣缸(26)設有排氣口(23)、進氣口(25)。
4.根據權利要求1或3所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征是機架(9)和基座(28)裝有振動傳感器，機架(9)下方的油底殼(1)裝有油液監測傳感器和溫度傳感器。
5.根據權利要求1所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征在于所述的氣缸蓋(12)，由螺釘(13)與機架(9)相連，其端面上的高速開關電磁閥分別與進、排氣管道相連接。
6.根據權利要求1所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征是曲軸(29)的軸體與軸承座(17)內的滑動軸承(18)相連，該軸承座由螺栓固定在支座上，該支座裝有壓力和振動傳感器，滑動軸承(18)裝有油液監測傳感器和溫度傳感器。
7.根據權利要求1所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征是所述氣缸(10)的外表面上繞有電阻絲(11)。
8.根據權利要求1所述的內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，其特征是所述管接式氣缸(26)，由其排氣口(23)接入高壓空氣的方式進行卸載，或者用其缸內的彈簧(24)進行卸載。
全文摘要
本發明是內燃機主要運動部件摩擦磨損與振動模擬試驗機，包括由包括氣缸(10)、活塞環(15)、活塞(16)、曲軸(29)以及高壓氣體的進氣口(32)、排氣口(30)組成的主驅動機構，其利用高壓空氣模擬氣缸內空氣燃燒時產生的爆炸壓力及壓力變化，作為內燃機中缸套－活塞環副的磨損與振動情況的模擬試驗工況；由包括安置在軸承座(17)上的壓力傳感器和振動傳感器，安放在機架(9)上的油液監測傳感器、溫度傳感器和機架周向的振動傳感器，以及在曲軸的最右端安裝的力學傳感器組成的狀態監測系統。本發明結構簡單，可以同時對包括缸套、活塞環、曲軸和軸承等內燃機主要運動部件的摩擦磨損與振動進行模擬試驗和實時在線的監測。
文檔編號G01M15/12GK1940523SQ20061012460
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月26日 優先權日2006年9月26日
發明者嚴新平, 劉正林, 袁成清, 宗成強, 施慧杰 申請人:武漢理工大學
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