山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 付志申 張翼

1 引言

活塞—缸套是發(fā)動機(jī)中重要的一對摩擦副，其工作性能直接決定柴油機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。摩擦副所造成的功率損失占據(jù)了柴油機(jī)功率損失的大部分，造成資源浪費(fèi)、交通事故頻發(fā)等等。隨著近年柴油機(jī)向高速、大功率、重載荷的方向發(fā)展，人們對節(jié)能減排的呼聲越來越高，深入研究活塞—缸套摩擦副的摩擦磨損規(guī)律，對于降低摩擦功耗、提高柴油機(jī)效率、延長壽命具有非常重大的意義。

柴油機(jī)向高速、大功率、重載荷的方向發(fā)展，所以該實(shí)驗(yàn)裝置可用于模擬和測量高速大功率柴油機(jī)往復(fù)式活塞—缸套結(jié)構(gòu)的摩擦磨損。

2 活塞—缸套結(jié)構(gòu)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的總體布置

活塞—缸套結(jié)構(gòu)的摩擦磨損的影響因素主要有：溫度、轉(zhuǎn)速、載荷。為了能夠較為真實(shí)地模擬活塞—缸套的工作過程，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置總體布置如圖2-1所示。

圖2-1 總體布置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置組成及簡介

該實(shí)驗(yàn)裝置由驅(qū)動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、活塞—缸套模擬工作系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

（1）驅(qū)動系統(tǒng)。采用直流電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，當(dāng)電機(jī)按一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，帶動活塞桿以一定的速度進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。驅(qū)動機(jī)構(gòu)由直流電動機(jī)、皮帶輪、傳送帶、軸承以及傳送軸組成。

（2）潤滑系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)主要由油箱、油泵、進(jìn)油管和出油管組成。其工作原理是：柴油機(jī)中活塞—缸套所需的潤滑油儲存在油箱中，經(jīng)過油泵的進(jìn)油口流進(jìn)油泵，再經(jīng)過油泵的出油口流經(jīng)潤滑系統(tǒng)的進(jìn)油管進(jìn)入缸套開始潤滑；潤滑循壞完畢后，潤滑油由出油管流出，經(jīng)過濾油器過濾后流回油箱，由此循環(huán)來達(dá)到潤滑的目的。

（3）溫度系統(tǒng)。由傳感器及時(shí)地測量試件和環(huán)境的溫度，在缸套上加上加熱器，加熱器連接溫度控制儀，根據(jù)運(yùn)行工況或?qū)嶒?yàn)要求來控制溫度，從而達(dá)到想要的實(shí)驗(yàn)效果。溫度系統(tǒng)由試件溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器和溫度控制儀組成。

（4）活塞—缸套模擬工作系統(tǒng)。模擬實(shí)驗(yàn)試樣取自實(shí)際的活塞的一部分及缸套的一部分，實(shí)驗(yàn)時(shí)使試樣的工作狀態(tài)與實(shí)際工作時(shí)相同。在裝置中將缸套固定，用活塞桿連著活塞，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而讓活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，模擬活塞—缸套在柴油機(jī)體外往復(fù)運(yùn)動的工作過程。

（5）壓力系統(tǒng)。壓力系統(tǒng)由液壓回路和壓力傳感器組成，根據(jù)需要，提供活塞—缸套所需的載荷。調(diào)壓回路如圖2-2所示。

圖2-2 單級調(diào)壓回路

在施加載荷部分使用單級液壓調(diào)壓回路，即在液壓泵出口處并聯(lián)一個直動式溢流閥來調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體的壓力保持一定的數(shù)值或者不超過設(shè)定的壓力額定值。直動式溢流閥其閥芯的下端部有軸向孔，液壓油從液壓泵流出經(jīng)溢流閥閥芯的下端徑向孔時(shí)，軸向阻尼孔滑進(jìn)滑閥底部，形成向上的油壓作用力，使其溢流閥的進(jìn)口壓力升高，進(jìn)油口和出油口相通，液壓油通過油管進(jìn)入二位四通換向閥，此時(shí)換向閥兩個閥體處于聯(lián)通狀態(tài)，液壓油通過換向閥進(jìn)入缸體，使缸桿向右移動施加壓力。需要調(diào)節(jié)壓力的時(shí)候只需調(diào)節(jié)直通式溢流閥的調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)彈簧對閥芯的作用力，即可調(diào)節(jié)溢流閥的入口壓力，從而達(dá)到控制壓力施加載荷的目的。

（6）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)裝置采用“傳感器+信號調(diào)理+數(shù)據(jù)采集卡+軟件”這樣一種基于模數(shù)采集卡的基本形式。來自傳感器的微弱信號經(jīng)過后面配接的信號調(diào)理電路的放大和預(yù)濾波后輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓或電流信號，經(jīng)傳輸導(dǎo)線送入計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡采樣、A/D轉(zhuǎn)換后，存儲于計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算分析與處理，以適當(dāng)?shù)男问捷敵?、顯示或記錄測量結(jié)果。其主要由放大器、采集卡和計(jì)算機(jī)組成。

（7）摩擦力的獲取。利用傳感器測量摩擦力，將摩擦力傳感器一端接在缸套上。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置的工作過程

啟動電機(jī)，在電機(jī)1的帶動下，皮帶輪2旋轉(zhuǎn)（電動機(jī)與皮帶輪之間由電動機(jī)軸相連），傳送帶3牽引皮帶輪4跟著旋轉(zhuǎn)起來，軸承5將皮帶輪4和傳動軸6相連，隨皮帶輪的旋轉(zhuǎn)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)隨之運(yùn)動，從而固定在活塞桿上的活塞開始在缸套中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，模擬在柴油機(jī)中的工作過程，這是裝置的工作部分。在缸套上下試件處均加上缸套加熱器，缸套加熱器與溫度控制儀相連，控制缸套的溫度變化。在活塞桿上加上線速度傳感器，測量活塞的線速度。裝置中各傳感器測量的信號經(jīng)過放大器由采集卡采集，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

由于該實(shí)驗(yàn)裝置是按照模擬性零件實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，模擬的活塞—缸套的工作過程具有局限性，在現(xiàn)有的裝置條件下，只能盡可能地接近實(shí)際工作過程。所以該裝置得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有局限性。但是可以為活塞—缸套結(jié)構(gòu)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)作參考。

[1]林柄鳳,徐久軍,嚴(yán)立.缸套—活塞環(huán)模擬磨損試驗(yàn)研究[J].材料保護(hù),2004，37(7)：22～26.

[2]胡元中,王文中,王慧等.發(fā)動機(jī)缸套—活塞環(huán)摩擦磨損特性試驗(yàn)研究[J].潤滑與密封,2004，163（3）：29～32.

[3]周楓,邱憲波,袁景淇等.摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),2004，23（4）：21～28.