本發(fā)明涉及摩擦磨損測試技術領域，一種缸套與活塞潤滑油膜分布狀態(tài)的測試裝置及其測試方法。

背景技術：

對置活塞和對置氣缸發(fā)動機由于結構簡單、比功率密度大、自平衡性能和更好的排放性能等優(yōu)點受到廣泛關注。

然而OPOC發(fā)動機缸套-活塞環(huán)摩擦副潤滑狀態(tài)的復雜性，導致機油耗高同時拉缸問題突出。與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，一方面活塞環(huán)的布置形式發(fā)生了很大的變化，油環(huán)與第一道氣環(huán)距離顯著增大，而且中間有活塞銷孔，加上缸套進/排氣孔的干擾，使?jié)櫥瑺顟B(tài)發(fā)生了很大的變化；另一方面，對于垂直布置的缸體及V形布置的缸體，總體上潤滑油在重力作用下流動的路徑向下，有利于潤滑油沿缸套內(nèi)壁的周向均勻布置，但是水平布置的缸體，潤滑油在重力作用下向缸套內(nèi)壁下側流動，缸套內(nèi)壁上側受到的潤滑和冷卻就少，導致圓周方向潤滑油分布的不均勻。局部區(qū)域處于乏油狀態(tài)，易導致載荷分布不均，接觸面易出現(xiàn)黏著，造成局部拉傷，潤滑油耗增加。

油膜厚度是反應摩擦副潤滑狀態(tài)的關鍵因素，不同的油膜厚度對應摩擦副不同的潤滑狀態(tài)，因此研究者通過測量油膜厚度來預測摩擦副的潤滑狀態(tài)。常用的測量方法包括電容法、超聲波法、X射線法、光干涉法、熒光誘導分析法等[23,24]，電容法根據(jù)油膜的電容值隨油膜厚度增加而降低的關系進行測量，但是由于導線及周圍環(huán)境的分布電容很難準確估算，所測量的油膜厚度是平均膜厚，且潤滑油的介電常數(shù)隨溫度變化，測量精度無法保證(Atul Dhar,Avinash Kumar Agarwal,Vishal Saxena:Sensors and Actuators A,149(2009)7-15.)。超聲波法是利用超聲波在油膜層中透射與反射的特性進行測量，優(yōu)點是從潤滑區(qū)外部可以檢測里面油膜狀態(tài)，受油膜層內(nèi)散粒的影響較小。但測量結果容易被空氣間隙影響，標定困難(Jie Zhang,Bruce W.Drinkwater:NDT&E International 41(2008)596-601)。X射線法是利用X射線可以大部分被金屬吸收但卻可以通過潤滑油的特性，在一定條件下，通過油膜的X線量與油膜厚度成正比。這種方法不需要考慮物理常數(shù)隨壓力變化，可用于高速重載條件，缺點是裝置復雜，側面的粗糙度對測試有影響。光干涉法是接觸位置潤滑油膜上下兩物體所反射的光線形成干涉，根據(jù)干涉條紋的級數(shù)變化與油膜厚度的關系進行測量。光干涉法容易實現(xiàn)點接觸和橢圓接觸的測量，可以同時測得油膜的厚度和形狀。但是光干涉法需要加反射棱鏡，載荷速度易受限制，油膜散射問題也難以解決(張文法，溫詩鑄：潤滑與密封，1(1983)8-12)。熒光誘導法測量油膜厚度的基本原理就是滑油中自有或添加的熒光物質(zhì)可以吸收特定波長的入射光而發(fā)出熒光，且熒光強度與熒光物質(zhì)的量有關。這種方法具有非介入性、高瞬態(tài)性、能進行定量測量等優(yōu)點，但是該方法目前仍處于理論研究階段。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述幾種油膜測量方法存在的不足：采用激光誘導熒光法結合透明缸套發(fā)動機建立缸套活塞環(huán)潤滑油膜分布狀態(tài)在線測量系統(tǒng)對缸套活塞環(huán)的油膜厚度進行測量。

為達到以上目的，通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種缸套與活塞組件潤滑油膜分布狀態(tài)的在線測試裝置，包括：底座、用于提供往復運動的動力單元、活塞銷、活塞、第一道氣環(huán)、第二道氣環(huán)、刮油環(huán)、石英缸套、缸體、法蘭、油底殼和用于測量缸套活塞環(huán)油膜熒光強度的光學測量單元、用于提高潤滑油溫度的加熱單元、用于為缸套活塞環(huán)提供潤滑油的潤滑單元和控制缸套角度的旋轉單元；

活塞的由前至后預設環(huán)槽內(nèi)的依次第一道氣環(huán)、第二道氣環(huán)和刮油環(huán)，最終伸入于石英缸套內(nèi)部，與石英缸套動密封連接；

石英缸套通過法蘭與螺桿固定在缸體上，法蘭與缸體之間進一步的通過螺栓緊固；缸體上設有油底殼；

動力單元包括：伺服電動機、帶輪、曲軸和連桿；

帶輪與伺服電動機輸出端同步轉動裝配；曲軸與連接，且通過帶輪驅(qū)動其旋轉；連桿一端與曲軸連接，另一端通過活塞銷與活塞連接；旋轉單元設置于底座上端；

旋轉單元包括：翻轉平臺和用于將翻轉平臺相對于水平方向俯仰90°的俯仰機構；

其中，缸體和伺服電動機固定于翻轉平臺上端面；

潤滑單元設置于底座下端內(nèi)部；

潤滑單元包括：電機、齒輪泵、油箱和回油管；

電機的輸出端通過聯(lián)軸器與齒輪泵動力輸入端聯(lián)結；齒輪泵輸入端通過進油管與油箱連通，輸出端設置有出油管，出油管末端設置有油嘴；油嘴出口端伸入于石英缸套活塞活動腔內(nèi)；

回油管一端與油箱相連，另一端與油底殼相連；

其中，出油管路徑為穿過油箱，且內(nèi)置于回油管中最終于回油管與油底殼的連接口輸出；

加熱單元包括：加熱管和熱電偶；

加熱管和熱電偶分別固定在油箱側面，且與油箱絕緣密封連接，加熱管和熱電偶均伸入到潤滑油中，但加熱管與熱電偶不相連；

光學測量單元包括：激光器、擴束鏡、分光鏡濾波片以及高速相機；

激光器與擴束鏡同軸放置，擴束后的激光經(jīng)分光鏡變成片光源，此光源照射石英缸套對內(nèi)部的潤滑油膜熒光染料進行激發(fā)，經(jīng)石英缸套內(nèi)油膜漫反射的光線透過石英缸套外壁，且石英缸套內(nèi)油膜漫反射光線中與激光成90°的光線路徑上設置有濾波片，激發(fā)的熒光經(jīng)濾波片由高速相機進行采集；

激光器與擴束鏡同軸放置，擴束后的激光經(jīng)分光鏡變成片光源，此光源照射石英缸套對內(nèi)部的潤滑油膜熒光染料進行激發(fā)，光源透過石英缸套的光線延伸路徑上設置有90°反射的反光鏡，濾波片設置于反光鏡反射的光線路徑上，激發(fā)的熒光經(jīng)濾波片由高速相機進行采集；

俯仰機構包括：傳動齒圈、主動齒輪和減速電機；

翻轉平臺通過轉動軸與底座的底座側板上部連接；傳動齒圈為半圓弧齒圈，且固定于翻轉平臺下端面；減速電機固定在底座側板上，減速電機輸出端固定有主動齒輪，且主動齒輪與傳動齒圈配合傳動。

一種使用缸套與活塞組件潤滑油膜分布狀態(tài)的在線測試裝置的測試方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、標定，確定油膜厚度與熒光強度之間的關系；確定激光器、擴束鏡、分光鏡、潤滑油膜、濾光片以及高速相機的位置，潤滑油膜厚度由選擇某一石英玻璃盒裝上一定濃度的熒光染料的潤滑油，保證潤滑油膜厚度一定，采用激光對熒光染料激發(fā)，高速相機采集熒光染料產(chǎn)生的熒光強度；記錄熒光強度及對應的熒光濃度的數(shù)值；

S2、更換石英玻璃盒油膜厚度5次，重復S1中的試驗步驟，熒光強度及對應的熒光濃度的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)擬合建立熒光強度與油膜厚度的線性關系；

S3、開啟旋轉單元，使石英缸套處于試驗設定的角度，撤掉石英玻璃盒，使缸套油膜處于石英玻璃盒油膜位置，保證激光器、擴束鏡、分光鏡、濾波片以及高速相機的位置與標定油膜厚度時一致；

S4、開啟潤滑單元，齒輪泵將油箱中的潤滑油抽出對缸套內(nèi)的活塞環(huán)組件進行潤滑；

S5、開啟動力單元，使伺服電機在低速條件下運轉；然后開啟加熱單元，利用加熱管對潤滑油加熱，采用熱電偶測量潤滑油溫度，使?jié)櫥蜏剡_到設定溫度，逐步提高伺服電機轉速至設定轉速；啟動光學測量單元對設定轉速及溫度條件下潤滑油膜熒光強度進行測量；

S6、對測得的油膜厚度值進行處理，根據(jù)標定的熒光強度與油膜厚度的關系，確定缸套不同位置處潤滑油膜分布。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術比較，具有以下優(yōu)點：

1、采用直接加熱潤滑油的方法模擬實際工作狀態(tài)下的熱負荷對潤滑油的加熱作用；同時進油管預設在出油管內(nèi)的設計有利于潤滑油溫均勻；采用全透明缸套設計可以全方位對缸套活塞環(huán)滑膜狀態(tài)進行測量；

2、專門設置了旋轉單元，使得缸套角度可以在0°-90°范圍內(nèi)測量，滿足缸套從水平位置到豎直位置的油膜分布狀態(tài)均可測量；

上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。

附圖說明

本發(fā)明共2幅附圖,其中：

圖1為本發(fā)明的剖面結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的熒光激發(fā)及接收光路示意圖。

圖中：1、活塞銷，2、活塞，3、第一道氣環(huán)，4、第二道氣環(huán)，5、刮油環(huán)，6、石英缸套，7、缸體，8、法蘭，9、油底殼，10、伺服電動機，11、翻轉平臺，12、帶輪，13、曲軸，14、連桿，15、螺桿，16、傳動齒圈，17、主動齒輪，18、減速電機，19、傳動軸，20、底座側板，21、電機，22、聯(lián)軸器，23、齒輪泵，24、進油管，25、油箱，26、出油管，27、油嘴，28、回油管，29、加熱管，30、熱電偶，31、激光器，32、擴束鏡，33、分光鏡，34、濾波片，35、高速相機。

具體實施方式

如圖1和圖2所示的一種缸套與活塞組件潤滑油膜分布狀態(tài)的在線測試裝置，包括：底座25、用于提供往復運動的動力單元、活塞銷1、活塞2、第一道氣環(huán)3、第二道氣環(huán)4、刮油環(huán)5、石英缸套6、缸體7、法蘭8、油底殼9和用于測量缸套活塞環(huán)油膜熒光強度的光學測量單元、用于提高潤滑油溫度的加熱單元、用于為缸套活塞環(huán)提供潤滑油的潤滑單元和控制缸套角度的旋轉單元；

活塞2的由前至后預設環(huán)槽內(nèi)的依次第一道氣環(huán)3、第二道氣環(huán)4和刮油環(huán)5，最終伸入于石英缸套6內(nèi)部，與石英缸套6動密封連接；

石英缸套6通過法蘭8與螺桿15固定在缸體7上，法蘭8與缸體7之間進一步的通過螺栓緊固；缸體7上設有油底殼9；

動力單元包括：伺服電動機10、帶輪12、曲軸13和連桿14；

帶輪12與伺服電動機10輸出端同步轉動裝配；曲軸13與連接，且通過帶輪12驅(qū)動其旋轉；連桿14一端與曲軸13連接，另一端通過活塞銷1與活塞2連接；旋轉單元設置于底座25上端；

旋轉單元包括：翻轉平臺11和用于將翻轉平臺11相對于水平方向俯仰90°的俯仰機構；

其中，缸體7和伺服電動機10固定于翻轉平臺11上端面；

潤滑單元設置于底座25下端內(nèi)部；

潤滑單元包括：電機21、齒輪泵23、油箱25和回油管28；

電機21的輸出端通過聯(lián)軸器22與齒輪泵23動力輸入端聯(lián)結；齒輪泵23輸入端通過進油管24與油箱25連通，輸出端設置有出油管26，出油管26末端設置有油嘴27；油嘴27出口端伸入于石英缸套6活塞活動腔內(nèi)；

回油管28一端與油箱25相連，另一端與油底殼9相連；

其中，出油管26路徑為穿過油箱25，且內(nèi)置于回油管28中最終于回油管28與油底殼9的連接口輸出；

加熱單元包括：加熱管29和熱電偶30；

加熱管29和熱電偶30分別固定在油箱25側面，且與油箱25絕緣密封連接，加熱管29和熱電偶30均伸入到潤滑油中，但加熱管29與熱電偶30不相連；

光學測量單元包括：激光器31、擴束鏡32、分光鏡33濾波片34以及高速相機35；

激光器31與擴束鏡32同軸放置，擴束后的激光經(jīng)分光鏡33變成片光源，此光源照射石英缸套6對內(nèi)部的潤滑油膜熒光染料進行激發(fā)，經(jīng)石英缸套6內(nèi)油膜漫反射的光線透過石英缸套6外壁，且石英缸套6內(nèi)油膜漫反射光線中與激光成90°的光線路徑上設置有濾波片34，激發(fā)的熒光經(jīng)濾波片34由高速相機35進行采集；

翻轉平臺11通過轉動軸19與底座25的底座側板20上部連接；傳動齒圈16為半圓弧齒圈，且固定于翻轉平臺11下端面；減速電機18固定在底座側板20上，減速電機18輸出端固定有主動齒輪17，且主動齒輪17與傳動齒圈16配合傳動。

采用上述技術方案的本發(fā)明，采用高強度、高透過率的透明石英缸套，可以對活塞運行整個行程的潤滑油膜分布狀態(tài)進行檢測；在油箱內(nèi)設置能夠提供高溫的加熱單元，用所述加熱單元對潤滑油進行加熱，模擬實際工作狀態(tài)下潤滑油溫度；通過設置旋轉單元對缸套與水平方向夾角進行調(diào)節(jié)，可以檢測缸套不同傾角條件下潤滑油膜分布狀態(tài)；通過動力單元伺服電機提供不同轉速模擬發(fā)動機工作過程中轉速變化，檢測不同發(fā)動機轉速條件下缸套活塞環(huán)組件的油膜分布狀態(tài)。

采用上述技術方案的一種缸套與活塞組件潤滑油膜分布狀態(tài)的在線測試裝置的在線測試裝置的測試方法，包括如下步驟：

S1、標定，確定油膜厚度與熒光強度之間的關系；采用如圖2所示的位置確定激光器31、擴束鏡32、分光鏡33、潤滑油膜、濾光片34以及高速相機35的位置，潤滑油膜厚度由選擇某一石英玻璃盒裝上一定濃度的熒光染料的潤滑油，保證潤滑油膜厚度一定，采用激光對熒光染料激發(fā)，高速相機35采集熒光染料產(chǎn)生的熒光強度；記錄熒光強度及對應的熒光濃度的數(shù)值；

S2、更換石英玻璃盒油膜厚度5次，重復S1中的試驗步驟，熒光強度及對應的熒光濃度的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)擬合建立熒光強度與油膜厚度的線性關系；

S3、開啟旋轉單元，使石英缸套6處于試驗設定的角度，撤掉石英玻璃盒，使缸套油膜處于石英玻璃盒油膜位置，保證激光器31、擴束鏡32、分光鏡33、濾波片34以及高速相機35的位置與標定油膜厚度時一致；

S4、開啟潤滑單元，齒輪泵23將油箱25中的潤滑油抽出對缸套內(nèi)的活塞環(huán)組件進行潤滑；

S5、開啟動力單元，使伺服電機10在低速條件下運轉；然后開啟加熱單元，利用加熱管29對潤滑油加熱，采用熱電偶30測量潤滑油溫度，使?jié)櫥蜏剡_到設定溫度，逐步提高伺服電機10轉速至設定轉速；啟動光學測量單元對設定轉速及溫度條件下潤滑油膜熒光強度進行測量；

S6、對測得的油膜厚度值進行處理，根據(jù)標定的熒光強度與油膜厚度的關系，確定缸套不同位置處潤滑油膜分布。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。