本发明专利技术公开了一种缸套与活塞组件润滑油膜分布状态的在线测试装置，包括：底座、用于提供往复运动的动力单元、活塞、第一道气环、第二道气环、刮油环、石英缸套、缸体和用于测量缸套活塞环油膜荧光强度的光学测量单元、用于提高润滑油温度的加热单元、用于为缸套活塞环提供润滑油的润滑单元和控制缸套角度的旋转单元；缸体固定于旋转单元旋转面上，石英缸套固定在缸体上，活塞通过第一道气环、第二道气环和刮油环嵌入于石英缸套内实现动密封，动力单元的连接杆与活塞铰接，实现往复驱动，光学测量单元通过激光对荧光染料激发，高速相机采集荧光染料产生的荧光强度；记录荧光强度及对应的荧光浓度的数值确定缸套不同位置处润滑油膜分布。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及摩擦磨损测试
，一种缸套与活塞润滑油膜分布状态的测试装置及其测试方法。
技术介绍
对置活塞和对置气缸发动机由于结构简单、比功率密度大、自平衡性能和更好的排放性能等优点受到广泛关注。然而OPOC发动机缸套-活塞环摩擦副润滑状态的复杂性，导致机油耗高同时拉缸问题突出。与传统发动机相比，一方面活塞环的布置形式发生了很大的变化，油环与第一道气环距离显著增大，而且中间有活塞销孔，加上缸套进/排气孔的干扰，使润滑状态发生了很大的变化；另一方面，对于垂直布置的缸体及V形布置的缸体，总体上润滑油在重力作用下流动的路径向下，有利于润滑油沿缸套内壁的周向均匀布置，但是水平布置的缸体，润滑油在重力作用下向缸套内壁下侧流动，缸套内壁上侧受到的润滑和冷却就少，导致圆周方向润滑油分布的不均匀。局部区域处于乏油状态，易导致载荷分布不均，接触面易出现黏着，造成局部拉伤，润滑油耗增加。油膜厚度是反应摩擦副润滑状态的关键因素，不同的油膜厚度对应摩擦副不同的润滑状态，因此研究者通过测量油膜厚度来预测摩擦副的润滑状态。常用的测量方法包括电容法、超声波法、X射线法、光干涉法、荧光诱导分析法等[23,24]，电容法根据油膜的电容值随油膜厚度增加而降低的关系进行测量，但是由于导线及周围环境的分布电容很难准确估算，所测量的油膜厚度是平均膜厚，且润滑油的介电常数随温度变化，测量精度无法保证(AtulDhar,AvinashKumarAgarwal,VishalSaxena:SensorsandActuatorsA,149(2009)7-15.)。超声波法是利用超声波在油膜层中透射与反射的特性进行测量，优点是从润滑区外部可以检测里面油膜状态，受油膜层内散粒的影响较小。但测量结果容易被空气间隙影响，标定困难(JieZhang,BruceW.Drinkwater:NDT&EInternational41(2008)596-601)。X射线法是利用X射线可以大部分被金属吸收但却可以通过润滑油的特性，在一定条件下，通过油膜的X线量与油膜厚度成正比。这种方法不需要考虑物理常数随压力变化，可用于高速重载条件，缺点是装置复杂，侧面的粗糙度对测试有影响。光干涉法是接触位置润滑油膜上下两物体所反射的光线形成干涉，根据干涉条纹的级数变化与油膜厚度的关系进行测量。光干涉法容易实现点接触和椭圆接触的测量，可以同时测得油膜的厚度和形状。但是光干涉法需要加反射棱镜，载荷速度易受限制，油膜散射问题也难以解决(张文法，温诗铸：润滑与密封，1(1983)8-12)。荧光诱导法测量油膜厚度的基本原理就是滑油中自有或添加的荧光物质可以吸收特定波长的入射光而发出荧光，且荧光强度与荧光物质的量有关。这种方法具有非介入性、高瞬态性、能进行定量测量等优点，但是该方法目前仍处于理论研究阶段。
技术实现思路
本专利技术针对上述几种油膜测量方法存在的不足：采用激光诱导荧光法结合透明缸套发动机建立缸套活塞环润滑油膜分布状态在线测量系统对缸套活塞环的油膜厚度进行测量。为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：一种缸套与活塞组件润滑油膜分布状态的在线测试装置，包括：底座、用于提供往复运动的动力单元、活塞销、活塞、第一道气环、第二道气环、刮油环、石英缸套、缸体、法兰、油底壳和用于测量缸套活塞环油膜荧光强度的光学测量单元、用于提高润滑油温度的加热单元、用于为缸套活塞环提供润滑油的润滑单元和控制缸套角度的旋转单元；活塞的由前至后预设环槽内的依次第一道气环、第二道气环和刮油环，最终伸入于石英缸套内部，与石英缸套动密封连接；石英缸套通过法兰与螺杆固定在缸体上，法兰与缸体之间进一步的通过螺栓紧固；缸体上设有油底壳；动力单元包括：伺服电动机、带轮、曲轴和连杆；带轮与伺服电动机输出端同步转动装配；曲轴与连接，且通过带轮驱动其旋转；连杆一端与曲轴连接，另一端通过活塞销与活塞连接；旋转单元设置于底座上端；旋转单元包括：翻转平台和用于将翻转平台相对于水平方向俯仰90°的俯仰机构；其中，缸体和伺服电动机固定于翻转平台上端面；润滑单元设置于底座下端内部；润滑单元包括：电机、齿轮泵、油箱和回油管；电机的输出端通过联轴器与齿轮泵动力输入端联结；齿轮泵输入端通过进油管与油箱连通，输出端设置有出油管，出油管末端设置有油嘴；油嘴出口端伸入于石英缸套活塞活动腔内；回油管一端与油箱相连，另一端与油底壳相连；其中，出油管路径为穿过油箱，且内置于回油管中最终于回油管与油底壳的连接口输出；加热单元包括：加热管和热电偶；加热管和热电偶分别固定在油箱侧面，且与油箱绝缘密封连接，加热管和热电偶均伸入到润滑油中，但加热管与热电偶不相连；光学测量单元包括：激光器、扩束镜、分光镜滤波片以及高速相机；激光器与扩束镜同轴放置，扩束后的激光经分光镜变成片光源，此光源照射石英缸套对内部的润滑油膜荧光染料进行激发，经石英缸套内油膜漫反射的光线透过石英缸套外壁，且石英缸套内油膜漫反射光线中与激光成90°的光线路径上设置有滤波片，激发的荧光经滤波片由高速相机进行采集；激光器与扩束镜同轴放置，扩束后的激光经分光镜变成片光源，此光源照射石英缸套对内部的润滑油膜荧光染料进行激发，光源透过石英缸套的光线延伸路径上设置有90°反射的反光镜，滤波片设置于反光镜反射的光线路径上，激发的荧光经滤波片由高速相机进行采集；俯仰机构包括：传动齿圈、主动齿轮和减速电机；翻转平台通过转动轴与底座的底座侧板上部连接；传动齿圈为半圆弧齿圈，且固定于翻转平台下端面；减速电机固定在底座侧板上，减速电机输出端固定有主动齿轮，且主动齿轮与传动齿圈配合传动。一种使用缸套与活塞组件润滑油膜分布状态的在线测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、标定，确定油膜厚度与荧光强度之间的关系；确定激光器、扩束镜、分光镜、润滑油膜、滤光片以及高速相机的位置，润滑油膜厚度由选择某一石英玻璃盒装上一定浓度的荧光染料的润滑油，保证润滑油膜厚度一定，采用激光对荧光染料激发，高速相机采集荧光染料产生的荧光强度；记录荧光强度及对应的荧光浓度的数值；S2、更换石英玻璃盒油膜厚度5次，重复S1中的试验步骤，荧光强度及对应的荧光浓度的数值，通过数据拟合建立荧光强度与油膜厚度的线性关系；S3、开启旋转单元，使石英缸套处于试验设定的角度，撤掉石英玻璃盒，使缸套油膜处于石英玻璃盒油膜位置，保证激光器、扩束镜、分光镜、滤波片以及高速相机的位置与标定油膜厚度时一致；S4、开启润滑单元，齿轮泵将油箱中的润滑油抽出对缸套内的活塞环组件进行润滑；S5、开启动力单元，使伺服电机在低速条件下运转；然后开启加热单元，利用加热管对润滑油加热，采用热电偶测量润滑油温度，使润滑油温达到设定温度，逐步提高伺服电机转速至设定转速；启动光学测量单元对设定转速及温度条件下润滑油膜荧光强度进行测量；S6、对测得的油膜厚度值进行处理，根据标定的荧光强度与油膜厚度的关系，确定缸套不同位置处润滑油膜分布。本专利技术与现有技术比较，具有以下优点：1、采用直接加热润滑油的方法模拟实际工作状态下的热负荷对润滑油的加热作用；同时进油管预设在出油管内的设计有利于润滑油温均匀；采用全透明缸套设计可以全方位对缸套活塞环滑膜状态进行测量；2、专门设置了旋转单元，使得缸套角本文档来自技高网...
【技术保护点】
缸套与活塞组件润滑油膜分布状态的在线测试装置，其特征在于，包括：底座(25)、用于提供往复运动的动力单元、活塞销(1)、活塞(2)、第一道气环(3)、第二道气环(4)、刮油环(5)、石英缸套(6)、缸体(7)、法兰(8)、油底壳(9)和用于测量缸套活塞环油膜荧光强度的光学测量单元、用于提高润滑油温度的加热单元、用于为缸套活塞环提供润滑油的润滑单元和控制缸套角度的旋转单元；所述活塞(2)的由前至后预设环槽内的依次第一道气环(3)、第二道气环(4)和刮油环(5)，最终伸入于石英缸套(6)内部，与石英缸套(6)动密封连接；所述石英缸套(6)通过法兰(8)与螺杆(15)固定在缸体(7)上，法兰(8)与缸体(7)之间进一步的通过螺栓紧固；所述的缸体(7)上设有油底壳(9)；所述动力单元包括：伺服电动机(10)、带轮(12)、曲轴(13)和连杆(14)；所述带轮(12)与伺服电动机(10)输出端同步转动装配；所述曲轴(13)与连接，且通过带轮(12)驱动其旋转；所述连杆(14)一端与曲轴(13)连接，另一端通过活塞销(1)与活塞(2)连接；所述旋转单元设置于底座(25)上端；所述旋转单元包括：翻转平台(11)和用于将翻转平台(11)相对于水平方向俯仰90°的俯仰机构；其中，缸体(7)和伺服电动机(10)固定于翻转平台(11)上端面；所述润滑单元设置于底座(25)下端内部；所述润滑单元包括：电机(21)、齿轮泵(23)、油箱(25)和回油管(28)；所述电机(21)的输出端通过联轴器(22)与齿轮泵(23)动力输入端联结；所述齿轮泵(23)输入端通过进油管(24)与油箱(25)连通，输出端设置有出油管(26)，出油管(26)末端设置有油嘴(27)；所述油嘴(27)出口端伸入于石英缸套(6)活塞活动腔内；所述回油管(28)一端与油箱(25)相连，另一端与油底壳(9)相连；其中，出油管(26)路径为穿过油箱(25)，且内置于回油管(28)中最终于回油管(28)与油底壳(9)的连接口输出；所述加热单元包括：加热管(29)和热电偶(30)；所述加热管(29)和热电偶(30)分别固定在油箱(25)侧面，且与油箱(25)绝缘密封连接，加热管(29)和热电偶(30)均伸入到润滑油中，但加热管(29)与热电偶(30)不相连；所述光学测量单元包括：激光器(31)、扩束镜(32)、分光镜(33)滤波片(34)以及高速相机(35)；所述激光器(31)与扩束镜(32)同轴放置，扩束后的激光经分光镜(33)变成片光源，此光源照射石英缸套(6)对内部的润滑油膜荧光染料进行激发，经石英缸套(6)内油膜漫反射的光线透过石英缸套(6)外壁，且石英缸套(6)内油膜漫反射光线中与激光成90°的光线路径上设置有滤波片(34)，激发的荧光经滤波片(34)由高速相机(35)进行采集。...
【技术特征摘要】
1.缸套与活塞组件润滑油膜分布状态的在线测试装置，其特征在于，包括：底座(25)、用于提供往复运动的动力单元、活塞销(1)、活塞(2)、第一道气环(3)、第二道气环(4)、刮油环(5)、石英缸套(6)、缸体(7)、法兰(8)、油底壳(9)和用于测量缸套活塞环油膜荧光强度的光学测量单元、用于提高润滑油温度的加热单元、用于为缸套活塞环提供润滑油的润滑单元和控制缸套角度的旋转单元；所述活塞(2)的由前至后预设环槽内的依次第一道气环(3)、第二道气环(4)和刮油环(5)，最终伸入于石英缸套(6)内部，与石英缸套(6)动密封连接；所述石英缸套(6)通过法兰(8)与螺杆(15)固定在缸体(7)上，法兰(8)与缸体(7)之间进一步的通过螺栓紧固；所述的缸体(7)上设有油底壳(9)；所述动力单元包括：伺服电动机(10)、带轮(12)、曲轴(13)和连杆(14)；所述带轮(12)与伺服电动机(10)输出端同步转动装配；所述曲轴(13)与连接，且通过带轮(12)驱动其旋转；所述连杆(14)一端与曲轴(13)连接，另一端通过活塞销(1)与活塞(2)连接；所述旋转单元设置于底座(25)上端；所述旋转单元包括：翻转平台(11)和用于将翻转平台(11)相对于水平方向俯仰90°的俯仰机构；其中，缸体(7)和伺服电动机(10)固定于翻转平台(11)上端面；所述润滑单元设置于底座(25)下端内部；所述润滑单元包括：电机(21)、齿轮泵(23)、油箱(25)和回油管(28)；所述电机(21)的输出端通过联轴器(22)与齿轮泵(23)动力输入端联结；所述齿轮泵(23)输入端通过进油管(24)与油箱(25)连通，输出端设置有出油管(26)，出油管(26)末端设置有油嘴(27)；所述油嘴(27)出口端伸入于石英缸套(6)活塞活动腔内；所述回油管(28)一端与油箱(25)相连，另一端与油底壳(9)相连；其中，出油管(26)路径为穿过油箱(25)，且内置于回油管(28)中最终于回油管(28)与油底壳(9)的连接口输出；所述加热单元包括：加热管(29)和热电偶(30)；所述加热管(29)和热电偶(30)分别固定在油箱(25)侧面，且与油箱(25)绝缘密封连接，加热管(29)和热电偶(30)均伸入到润滑油中，但加热管(29)与热电偶(30)不相连；所述光学测量单元包括：激光器(31)、扩束镜(32)、分光镜(33)滤波片(34)以及高速相机(35)；所述激光器(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐久军，韩晓光，杜凤鸣，袁晓帅，陈文滨，郝勇刚，陈泽忠，
申请(专利权)人：大连海事大学，中国北方发动机研究所天津，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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