專利名稱：基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油膜力測試領(lǐng)域，特別涉及一種基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力的在線測試方法，同時還涉及一種借助曲軸振動信號的活塞組件油膜力在線測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機的使用已有一百多年的歷史，成為應用范圍最廣的動力裝置。內(nèi)燃機的活塞-軸系(包括活塞環(huán)、活塞、連桿、曲柄和曲軸)是內(nèi)燃機傳遞動力的核心機構(gòu)系統(tǒng)，同時也是功率損失的主要來源，其性能的好壞直接影響整機的效率與壽命。內(nèi)燃機的運用實踐表明，活塞-軸系各部件的功能失效，常常是內(nèi)燃機維修和報廢的最主要原因。據(jù)推算，僅在我國，每年各類內(nèi)燃機因摩擦問題帶來的損失高達上百億元。對所有內(nèi)燃機來說，活塞組件油膜力(摩擦力和承載力)直接關(guān)系到內(nèi)燃機整機的摩擦功耗和使用壽命。由于內(nèi)燃機是個極為復雜的系統(tǒng)，以及當前測試和計算條件的限制，準確描述內(nèi)燃機活塞組件油膜力顯得極為困難。因此，深入研究內(nèi)燃機活塞組件油膜力的獲取，對指導內(nèi)燃機的設(shè)計、維護、 提高其運行效率和壽命具有重要意義。為解決內(nèi)燃機活塞組件油膜力獲取問題，曾出現(xiàn)了在內(nèi)燃機氣缸套上開孔，然后借助傳感器測量活塞組件油膜力的方法，但由于開孔導致了氣缸內(nèi)燃氣和潤滑油的泄露， 以及缸體振動等影響，這導致了活塞組件油膜力的測量準確度大打折扣，因此這一方法在實踐中很少采用。進一步出現(xiàn)了使用計算技術(shù)來預測活塞組件油膜力的方法。然而這些方法要么孤立地研究活塞-軸系各部件的潤滑力學性能，要么孤立地研究活塞-軸系各部件的動力學性能，而忽略活塞-軸系各部件潤滑力學和動力學的強耦合特性。而且這些研究中所使用的混合潤滑方程中的各種因子，僅適用于理想的高斯型的活塞組件粗糙表面，同時也沒有考慮這些表面的彈性變形和潤滑劑的氣穴作用。另外，絕大部分研究使用了一維潤滑模型， 僅能得到周向或軸向的油膜力。上述原因致使通過常規(guī)的計算機技術(shù)預測得到的活塞組件的油膜力，往往與其實際測量值相差較大。同時由于這種方法的分析時間過長，難以在線使用。因此，需要一種測試活塞組件油膜力的新方法，即不破壞內(nèi)燃機氣缸體的完整性， 同時又能在線地準確性地測量活塞組件油膜力，并且簡單易行，通用性強。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法，該方法主要利用曲軸上的振動信號，即能確定活塞組件的油膜力，從而簡化了活塞組件油膜力的測試，具有測量準確性高且通用性強的特點，并能在線使用；本發(fā)明的目的之二是提供一種基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試系統(tǒng)。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的該基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法，包括以下步驟
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1)設(shè)定以下參數(shù)
a.內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的燃氣壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速；
b.活塞環(huán)的個數(shù)、幾何尺寸和質(zhì)量；
C.活塞的幾何尺寸和質(zhì)量；
d.連桿和曲柄的幾何尺寸、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置和質(zhì)量；
e.曲軸的幾何尺寸、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置和質(zhì)量；
f.潤滑劑的粘度、密度和綜合粗糙度；
2)采用活塞-軸系各部件的混合潤滑方程和動力學方程的耦合設(shè)計，得到作用于
內(nèi)燃機不同工況下曲軸上的振動位移；3)將步驟2、獲得的曲軸振動信號經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡輸入和輸出關(guān)系分析，在線獲得活塞與活塞環(huán)的二維油膜力。進一步，所述二維混合潤滑方程為所述二維混合潤滑方程為
權(quán)利要求
1.基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法，其特征在于包括以下步驟1)設(shè)定以下參數(shù)a.內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的燃氣壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速；b.活塞環(huán)的個數(shù)、幾何尺寸和質(zhì)量；c.活塞的幾何尺寸和質(zhì)量；d.連桿和曲柄的幾何尺寸、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置和質(zhì)量；e.曲軸的幾何尺寸、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置和質(zhì)量；f.潤滑劑的粘度、密度和綜合粗糙度；2)采用活塞-軸系各部件的二維混合潤滑方程和動力學方程的耦合設(shè)計，借助動力學方程中的曲軸振動方程計算得到作用于內(nèi)燃機不同工況下曲軸上的振動位移；3)利用步驟2)獲得的設(shè)定參數(shù)與振動位移關(guān)系映射模式，對實際測量得到的曲軸振動信號進行神經(jīng)網(wǎng)絡輸入和輸出關(guān)系分析，從而在線獲得活塞與活塞環(huán)的二維油膜力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法，其特征在于所述二維混合潤滑方程為^ (Α Λ3 ^p] ^ (Α Λ3 ^p] rTTA dh rTT d(f)s ± dh—φχ--— +— φν--— = 61/φα— + 61/σ-^ + φα—，dx Iv Ylμ dx J (^y \ 12m dy Jdxdx dt上式中，μ為潤滑劑粘度，P為潤滑劑壓力，h為油膜厚度，X為圓周方向坐標，y為軸向坐標，X方向的壓力流量因子Φχ、油膜厚度方向的壓力Φγ，以及剪切流量因子考慮了彈性變形和氣穴作用，重新定義的接觸因子Φ。能用于不同類型的表面，O為綜合粗糙度， U為活塞環(huán)/活塞或曲軸的運動速度；以上參數(shù)中，P根據(jù)設(shè)定的參數(shù)由上述二維混合潤滑方程得到，μ為事先設(shè)定，Φχ、(^和Φ。根據(jù)σ計算得到，U根據(jù)設(shè)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定，而h為混合潤滑方程和動力學方程的耦合計算中自動確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法，其特征在于所述動力學方程包括各部件之間的力和力矩方程，各方程為(1)活塞力學方程活塞在χ和y方向的力學方程為-Frpx+Fg+Kpx =mP^i -Frpy+Fopy= ^ J ‘其中活塞質(zhì)量為mp ；連桿作用于活塞的力在χ和y方向的分力分別為和-Fiw ； 油膜作用于活塞的力在χ和y方向的分力分別為F。px和F。py，其中F。py是活塞在y方向油膜的承載力和活塞擺動的合力；活塞在χ方向的位移為A、速度為嶺、加速度為舉活塞在y方向的位移為r2、其速度為崞、加速度為踔;Fg為缸內(nèi)燃氣對活塞的作用力；(2)連桿力學方程連桿在χ和y方向的力學方程為-F +F -ma ]rex rpxr rx I-Frcy+FrPy=mrary\'對質(zhì)心d的力矩為F (Lr_rr) sin θ r+F (Lr_rr) cos θ r-Frcxrrsin θ r-F rrcos θ r = Ir α r在上兩式中連桿質(zhì)量為IV其轉(zhuǎn)動慣量為Iy長度為Lp質(zhì)心至曲柄活動端距離為質(zhì)心加速度在χ和y方向分別為^和 ，其與軸向夾角為θ。轉(zhuǎn)動角速度為曲柄作用于連桿的力在χ和y方向的分力分別為-Frcx和-Fr。y ；活塞作用于曲柄的力在χ和y方向的分力分別為Frpx和Frpy ； (3)曲柄力學方程對回轉(zhuǎn)中心ο的力矩為 -FrcxRcSin θ c+FrcyRccos θ c+Mc = Ic α c在上兩式中曲柄質(zhì)量為m。，其轉(zhuǎn)動慣量為I。，長度為R。，質(zhì)心b加速度在χ和y方向分別為^和^，其與軸向夾角為Θ。，曲柄轉(zhuǎn)動角加速度為α。，其所受的轉(zhuǎn)動力矩為M。；曲軸作用于曲柄的力在χ和y方向的分力分別為Fm。x和Fm。y ；連桿作用于曲柄的力在χ和y方向的分力分別為Fra和Frcy ；(4)曲軸潤滑力學方程與活塞使用的混合潤滑方程相同；(5)曲軸振動方程曲軸在χ和y方向的振動方程為
4.基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試系統(tǒng)，其特征在于該測試系統(tǒng)包括離線仿真裝置與在線測試分析裝置； 所述離線仿真裝置包括氣缸燃燒壓力獲取模塊，用于記錄氣缸燃燒壓力；活塞環(huán)/活塞油膜力分析模塊，根據(jù)輸入的相關(guān)參數(shù)，用于分析活塞環(huán)和活塞的油膜力；油膜力數(shù)據(jù)庫存取模塊，用于存取油膜力分析數(shù)據(jù)；油膜力神經(jīng)訓練模塊，用于對油膜力數(shù)據(jù)庫存取模塊輸出的油膜力分析數(shù)據(jù)進行神經(jīng)網(wǎng)絡訓練，得到經(jīng)被培訓的油膜力；連桿運動模擬模塊，用于接收被培訓的油膜力數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬后得到連桿運動數(shù)據(jù)并輸出；曲柄運動模擬模塊，用于接收連桿運動模擬模塊輸出的運動數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬后得到曲柄運動數(shù)據(jù)并輸出；曲軸潤滑力學分析模塊，用于接收曲柄運動模擬模塊輸出的曲柄運動數(shù)據(jù)，并經(jīng)過對曲軸進行潤滑力學性能分析，得到曲軸潤滑力學相關(guān)數(shù)據(jù)；曲軸振動分析模塊，用于接收前述的曲柄運動數(shù)據(jù)和曲軸潤滑力學相關(guān)數(shù)據(jù)并對上述數(shù)據(jù)進行分析，得到在不同工況條件下的曲軸振動信號； 所述在線測試分析裝置包括曲軸振動信號獲取模塊，用于獲取前述的不同工況條件下的曲軸振動信號； 曲軸振動信號神經(jīng)網(wǎng)絡分析模塊，用于對獲取的曲軸振動信號進行神經(jīng)網(wǎng)絡輸入和輸出關(guān)系分析；油膜力在線預測模塊，通過傳感器器獲取曲軸在線振動信號，通過經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡分析，得到活塞環(huán)與活塞的二維油膜力數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于曲軸振動信號的活塞組件油膜力測試方法，利用所建立的活塞-軸系各部件的潤滑力學和動力學方程的離線仿真模塊，通過曲軸振動信號便可在線獲取內(nèi)燃機活塞組件的油膜力(摩擦力和承載力)；由于本發(fā)明綜合考慮了活塞-軸系各部件的潤滑力學和動力學特性的強耦合性，并且使用了新的二維混合潤滑模型，從而增強了油膜力在線預測的可操作性，同時可準確獲取內(nèi)燃機活塞組件二維油膜力(周向和軸向)，解決了傳統(tǒng)方法獲取內(nèi)燃機活塞組件油膜力的準確性低的難題；利用系統(tǒng)的各模塊并借助計算機以及在線測試分析裝置中的傳感器，便可安全、可靠地實現(xiàn)內(nèi)燃機活塞組件油膜力的在線準確獲取，顯著節(jié)約油膜力獲取的成本。
文檔編號G01N19/02GK102323063SQ201110142699
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者孟凡明, 王戰(zhàn)江 申請人:重慶大學