CN110207988B - 船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置，包括基座、竖直导轨、活塞、驱动装置、连杆和加载装置；竖直导轨安装于基座上；活塞活动安装于竖直导轨上；驱动装置包括电机和偏心轮，电机驱动偏心轮转动；连杆大端通过销轴与偏心轮铰接，连杆小端内嵌有连杆衬套，活塞销插接于连杆衬套内并与连杆衬套间隙配合；加载装置包括对活塞施加恒定载荷的等值加载液压缸及对活塞施加冲击载荷的弹簧机构。本发明可对不同材料的衬套及不同表面处理的活塞销‑连杆衬套摩擦副进行平台模拟试验，得到不同材料衬套的摩擦磨损特性，且可通过测量活塞销的轴心轨迹，得到模拟发动机工况参数、结构参数、工艺方法等对活塞销‑连杆衬套摩擦副油膜厚度的影响。

Description

船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及船用发动机模拟试验技术领域，具体涉及一种船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置及试验方法。

背景技术

连杆衬套是船用发动机的关键性部件之一，它通过活塞销将活塞与连杆连接起来，且用于支撑活塞销。连杆衬套工作过程中受周期变化的气体力和惯性力作用，难以形成足够的润滑油膜，恶劣的工作环境使得连杆衬套易发生磨损，导致油孔堵塞，进而引发恶性事故。因此，研究发动机连杆衬套的摩擦磨损特性具有重要的意义，而试验装置是开展连杆衬套研究的必备条件。

现有技术中多数试验装置及试验方法采用单纯摆动运动模拟活塞销-连杆衬套的运动状态，且仅通过液压或机械弹簧施加脉冲载荷，这种方法虽然简单，但与活塞销-连杆衬套的实际受力载荷情况差异较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置及试验方法，它可对不同材料的衬套及不同表面处理的活塞销-连杆衬套摩擦副进行平台模拟试验，得到不同材料衬套的摩擦磨损特性，且可以通过测量活塞销的轴心轨迹，得到模拟发动机工况参数、结构参数、工艺方法等对活塞销-连杆衬套摩擦副油膜厚度的影响。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置，包括基座、竖直导轨、活塞、驱动装置、连杆和加载装置；所述竖直导轨固定安装于所述基座上；所述活塞活动安装于竖直导轨上并能沿竖直导轨上下滑动，活塞上安装有活塞销；所述驱动装置包括电机和偏心轮，电机用于驱动偏心轮转动；所述连杆的大端通过销轴与偏心轮铰接，连杆的小端内嵌有连杆衬套，所述活塞销插接于连杆衬套内并与连杆衬套间隙配合；所述加载装置安装于活塞上方，加载装置包括用于对活塞施加恒定载荷的等值加载液压缸以及用于对活塞施加冲击载荷的弹簧机构。

上述方案中，所述试验装置还包括监测系统，所述监测系统包括电涡流位移传感器、K型热电偶温度传感器、压力传感器、数据采集卡和工况机，所述电涡流位移传感器为两支，安装于连杆小端同一侧并互成90°方向，用于监测所述活塞销相对于连杆衬套的轴心轨迹；所述K型热电偶温度传感器安装于连杆小端内部并与衬套背部相接触，用于监测所述连杆衬套温度；所述压力传感器安装于活塞和等值加载液压缸之间，用于监测所述活塞承受载荷并向活塞传递载荷；所述电涡流位移传感器、K型热电偶温度传感器、压力传感器的信号输出端分别与数据采集卡的信号输入端连接，所述数据采集卡的信号输出端与工况机的信号输入端连接。

上述方案中，所述驱动装置还包括驱动轴、从动轴、三角带、主动轮和从动轮；所述驱动轴的一端与所述电机的输出轴同轴传动连接，驱动轴的另一端与主动轮传动连接；所述从动轴的一端与支撑轴承配合安装，从动轴的另一端与偏心轮传动连接；所述从动轮套设在从动轴的中部与其固定连接；所述主动轮通过三角带驱动从动轮实现皮带传动。

上述方案中，所述基座上固定安装有轴承座，所述轴承座上设有两个支撑轴承，其中一个支撑轴承用于支撑所述驱动轴，另一个支撑轴承用于支撑所述从动轴。

上述方案中，所述监测系统还包括光电编码器，所述光电编码器安装于从动轴一侧，用于监测所述从动轴转速及上止点；光电编码器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接。

上述方案中，所述等值加载液压缸相对于基座固定，内部装有受力圆盘和导向柱，所述受力圆盘和导向柱固定连接且可在等值加载液压缸内上下移动，所述导向柱底面与压力传感器相接触；所述弹簧机构位于等值加载液压缸上方，当在活塞处于下止点位置时高于导向柱顶面一定距离。

上述方案中，所述电机为大扭矩减速电机，所述减速电机减速比为20:1。

上述方案中，所述试验装置还包括辅助模块，所述辅助模块包括主轴超速制动、扭矩超限制动和传感器断线模拟。

本发明还提出了上述船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)按要求安装所述船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置的基座、竖直导轨、活塞、驱动装置、连杆和加载装置；

(2)在连杆小端一侧互成90°方向安装两支电涡流位移传感器，在连杆小端内部安装K型热电偶温度传感器并保证热电偶传感器与衬套背部相接触，在等值加载液压缸与活塞之间安装压力传感器，在从动轴一侧安装光电编码器，将四个传感器的的信号输出端分别与数据采集卡的信号输入端连接，所述数据采集卡的信号输出端与工况机的信号输入端连接；

(3)启动所述电机，驱动所述活塞沿所述竖直导轨做上下往复运动，实现连杆小端相对于活塞销的往复摆动运动；

(4)采集上止点信号和转速信号，计算出当前从动轴的转速及活塞往复运动的频率与速度，采集压力传感器的压力信号得到当前活塞承受的载荷大小，采集两支电涡流位移传感器的位移信号，合成为轴心轨迹信号；

(5)通过调节溢流阀的压力和更换不同弹性系数的弹簧模拟不同工况下活塞承受的气缸压力，结合轴心轨迹信号，得到不同载荷下，活塞销轴心轨迹的变化趋势；通过调节电机转速得到不同转速下活塞销轴心轨迹的变化趋势；根据轴心轨迹信号计算得到活塞销相对于连杆衬套的最小油膜厚度，得到载荷和转速对连杆衬套磨损的影响。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用往复摆动运动模拟活塞销-衬套的运动状态，与船用发动机活塞销-连杆衬套的实际运动状态一致，试验结果相对准确。

2、本发明采用液压加载与弹簧机械加载相结合的形式，模拟柴油机不同负荷活塞销-衬套的工况变化，通过调节溢流阀压力，调节活塞承受恒定载荷的大小，通过更换不同弹性系数的弹簧调节活塞承受冲击载荷的大小，通过恒定载荷与冲击载荷相结合的方式近似模拟实机柴油机中活塞所承受的气缸压力，试验结果相对准确。

3、本发明采用皮带传动，在满足较大扭矩的条件下，可以采用直径较小的从动轮，获得较大转速。

4、本发明可以实时监测活塞销的轴心轨迹及衬套温度，便于分析工况参数对材料摩擦磨损性能的影响规律。

5、本发明可采用不同衬套材料及不同表面处理的活塞销进行平台模拟试验，提高了装置的通用性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置的整体结构图；

图2是图1所示试验装置的偏心轮及连杆的局部结构示意图。

图中：10、基座；11、竖直导轨；12、轴承座；13、支撑轴承；21、电机；22、联轴器；23、驱动轴；24、从动轴；25、三角带；26、主动轮；27、从动轮；28、偏心轮；30、连杆；31、销轴；32、连杆衬套；40、活塞；41、活塞销；51、等值加载液压缸；52、受力圆盘；53、导向柱；54、弹簧机构；61、电涡流位移传感器；62、K型热电偶温度传感器；63、压力传感器；64、光电编码器；65、数据采集卡；66、工况机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-2所示，为本发明一较佳实施例的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置，包括基座10、竖直导轨11、活塞40、驱动装置、连杆30、加载装置和监测系统。竖直导轨11固定安装于基座10上。活塞40活动安装于竖直导轨11上并能沿竖直导轨11上下滑动，活塞40上安装有活塞销41。驱动装置包括电机21和偏心轮28，电机21用于驱动偏心轮28转动。连杆30的大端通过销轴31与偏心轮28铰接，连杆30的小端通过过盈配合的方式安装有连杆衬套32，活塞销41插接于连杆衬套32内并与连杆衬套32间隙配合。电机21驱动偏心轮28转动时带动连杆衬套32实现相对于活塞销41的往复摆动运动，用于模拟活塞销41-连杆衬套32的运动状态，与船用发动机活塞销41-连杆衬套32的实际运动状态一致。

加载装置安装于活塞40上方，加载装置包括用于对活塞40施加恒定载荷的等值加载液压缸51以及用于对活塞40施加冲击载荷的弹簧机构54。等值加载液压缸51相对于基座10固定，内部装有受力圆盘52和导向柱53，受力圆盘52和导向柱53固定连接且可在等值加载液压缸51内上下移动，导向柱53底面与压力传感器63相接触，活塞40在上下行过程中推动压力传感器63上下行，最终表现为推动受力圆盘52和导向柱53在等值加载液压缸51内上下移动，受力圆盘上下行过程中挤压或泵吸液压油，通过溢流阀控制液压油的流入和流出，使液压油始终维持恒定压力，受力圆盘52承受上方液压油的恒定压力并将此恒定压力最终传递给活塞40。所述弹簧机构54位于等值加载液压缸51上方，当活塞处于下止点位置时高于导向柱53顶面一定距离，当活塞40上行到此距离时，与弹簧机构54相接触，活塞40继续上行过程中承受弹簧机构54施加的冲击载荷。

本发明采用液压加载与弹簧机械加载相结合的形式，模拟柴油机不同负荷活塞销41-连杆衬套32的工况变化，通过调节溢流阀压力，调节活塞承受恒定载荷的大小，通过更换不同弹性系数的弹簧调节活塞承受冲击载荷的大小，通过恒定载荷与冲击载荷相结合的方式近似模拟实机柴油机中活塞所承受的气缸压力。

监测系统包括电涡流位移传感器61、K型热电偶温度传感器62、压力传感器63、光电编码器64、数据采集卡65和工况机66。电涡流位移传感器61为两支安装于连杆30小端同一侧并互成90°方向，用于监测活塞销41相对于连杆衬套32的轴心轨迹；K型热电偶温度传感器62安装于连杆小30端内部并与衬套32背部相接触，用于监测连杆衬套32温度；压力传感器63安装于活塞40和等值加载液压缸51之间，用于监测活塞40承受载荷并向活塞40传递载荷；光电编码器64安装于从动轴24一侧，用于监测从动轴24转速及上止点；电涡流位移传感器61、K型热电偶温度传感器62、压力传感器63、光电编码器64的信号输出端分别与数据采集卡65的信号输入端连接，数据采集卡65的信号输出端与工况机66的信号输入端连接。

进一步优化，本实施例中，连杆衬套32为由合金材料制备而成的金属构件，与现有的船用发动机中的连杆衬套32材料相同。活塞销41为合金钢材料制成的金属构件，与现有的船用发动机活塞销41材料相同。为实现采用不同衬套32材料及不同表面处理的活塞销41进行平台模拟试验，得到不同材料衬套的摩擦磨损特性，活塞销41两侧采用加装可拆卸挡片的方式防止其在活塞40内轴向窜动。

进一步优化，本实施例中，驱动装置还包括驱动轴23、从动轴24、三角带25、主动轮26和从动轮27。驱动轴23的一端与电机21的输出轴通过联轴器22同轴传动连接，驱动轴23的另一端与主动轮26传动连接。从动轴24的一端与支撑轴承配合安装，从动轴24的另一端与偏心轮28传动连接。从动轮27套设在从动轴24的中部与其固定连接。主动轮26通过三角带25驱动从动轮27实现皮带传动。本发明的驱动装置的电机21为大扭矩减速电机21，减速电机21减速比为20:1。采用皮带传动，在满足较大扭矩的条件下，可以采用直径较小的从动轮27，获得较大转速。

进一步优化，本实施例中，基座10上固定安装有轴承座12，轴承座12上设有两个支撑轴承13，其中一个支撑轴承13用于支撑驱动轴23，另一个支撑轴承13用于支撑从动轴24。

进一步优化，本实施例中，试验装置还包括辅助模块，辅助模块包括主轴超速制动、扭矩超限制动和传感器断线模拟。

本发明还提出上述船用发动机连杆衬套32磨损模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)按要求安装所述船用发动机连杆衬套32磨损模拟试验装置的基座10、竖直导轨11、活塞40、驱动装置、连杆30和加载装置；

(2)在连杆30小端一侧互成90°方向安装两支电涡流位移传感器61，在连杆30小端内部安装K型热电偶温度传感器62并保证热电偶传感器62与衬套32背部相接触，在等值液压加载缸51与活塞40之间安装压力传感器63，在从动轴24一侧安装光电编码器64，将四个传感器的的信号输出端分别与数据采集卡65的信号输入端连接，所述数据采集卡65的信号输出端与工况机66的信号输入端连接；

(3)启动所述电机21，驱动所述活塞40沿所述竖直导轨11做上下往复运动，实现连杆30小端相对于活塞销41的往复摆动运动；

(4)采集上止点信号和转速信号，计算出当前从动轮27的转速及活塞40往复运动的频率与速度，采集压力传感器63的压力信号得到当前活塞40承受的载荷大小，采集两支电涡流位移传感器61的位移信号，合成为轴心轨迹信号。

(5)通过更换不同弹性系数的弹簧模拟不同工况下活塞40承受的气缸压力，结合轴心轨迹信号，得到不同载荷下，活塞销41轴心轨迹的变化趋势；通过调节电机21转速得到不同转速下活塞销41轴心轨迹的变化趋势。根据轴心轨迹信号计算得到活塞销41相对于连杆衬套32的最小油膜厚度，得到载荷和转速对连杆衬套32磨损的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按要求安装船用发动机连杆衬套磨损模拟试验装置的基座、竖直导轨、活塞、驱动装置、连杆和加载装置；所述竖直导轨固定安装于所述基座上；所述活塞活动安装于竖直导轨上并能沿竖直导轨上下滑动，活塞上安装有活塞销；所述驱动装置包括电机和偏心轮，电机用于驱动偏心轮转动；所述连杆的大端通过销轴与偏心轮铰接，连杆的小端内嵌有连杆衬套，所述活塞销插接于连杆衬套内并与连杆衬套间隙配合；所述加载装置安装于活塞上方，加载装置包括用于对活塞施加恒定载荷的等值加载液压缸以及用于对活塞施加冲击载荷的弹簧机构；所述等值加载液压缸相对于基座固定，内部装有受力圆盘和导向柱，所述受力圆盘和导向柱固定连接且可在等值加载液压缸内上下移动，所述导向柱底面与压力传感器相接触，活塞在上下行过程中推动压力传感器上下行，最终表现为推动受力圆盘和导向柱在等值加载液压缸内上下移动，受力圆盘上下行过程中挤压或泵吸液压油，通过溢流阀控制液压油的流入和流出，使液压油始终维持恒定压力，受力圆盘承受上方液压油的恒定压力并将此恒定压力最终传递给活塞；所述弹簧机构位于等值加载液压缸上方，当在活塞处于下止点位置时高于导向柱顶面一定距离，当活塞上行到此距离时，与弹簧机构相接触，活塞继续上行过程中承受弹簧机构施加的冲击载荷；

（2）在连杆小端一侧互成90°方向安装两支电涡流位移传感器，在连杆小端内部安装K型热电偶温度传感器并保证热电偶传感器与连杆衬套背部相接触，在等值加载液压缸与活塞之间安装压力传感器，在驱动装置的从动轴一侧安装光电编码器，将四类传感器的信号输出端分别与数据采集卡的信号输入端连接，所述数据采集卡的信号输出端与工况机的信号输入端连接；

（3）启动所述电机，驱动所述活塞沿所述竖直导轨做上下往复运动，实现连杆小端相对于活塞销的往复摆动运动；

（4）采集上止点信号和转速信号，计算出当前从动轴的转速及活塞往复运动的频率与速度，采集压力传感器的压力信号得到当前活塞承受的载荷大小，采集两支电涡流位移传感器的位移信号，合成为轴心轨迹信号；

（5）通过调节溢流阀的压力和更换不同弹性系数的弹簧模拟不同工况下活塞承受的气缸压力，结合轴心轨迹信号，得到不同载荷下活塞销轴心轨迹的变化趋势；通过调节电机转速得到不同转速下活塞销轴心轨迹的变化趋势；根据轴心轨迹信号计算得到活塞销相对于连杆衬套的最小油膜厚度，得到载荷和转速对连杆衬套磨损的影响。

2.根据权利要求1所述的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，所述试验装置还包括监测系统，所述监测系统包括所述电涡流位移传感器、K型热电偶温度传感器、压力传感器、数据采集卡和工况机，所述电涡流位移传感器为两支，安装于连杆小端同一侧并互成90°方向，用于监测所述活塞销相对于连杆衬套的轴心轨迹；所述K型热电偶温度传感器安装于连杆小端内部并与连杆衬套背部相接触，用于监测所述连杆衬套温度；所述压力传感器安装于活塞和等值加载液压缸之间，用于监测所述活塞承受载荷并向活塞传递载荷；所述电涡流位移传感器、K型热电偶温度传感器、压力传感器的信号输出端分别与数据采集卡的信号输入端连接，所述数据采集卡的信号输出端与工况机的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，所述驱动装置还包括驱动轴、从动轴、三角带、主动轮和从动轮；所述驱动轴的一端与所述电机的输出轴同轴传动连接，驱动轴的另一端与主动轮传动连接；所述从动轴的一端与支撑轴承配合安装，从动轴的另一端与偏心轮传动连接；所述从动轮套设在从动轴的中部与其固定连接；所述主动轮通过三角带驱动从动轮实现皮带传动。

4.根据权利要求3所述的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，所述基座上固定安装有轴承座，所述轴承座上设有两个支撑轴承，其中一个支撑轴承用于支撑所述驱动轴，另一个支撑轴承用于支撑所述从动轴。

5.根据权利要求3所述的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，所述从动轴一侧安装有光电编码器，用于监测所述从动轴转速及上止点；光电编码器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端连接。

6.根据权利要求1所述的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，所述电机为大扭矩减速电机，所述减速电机减速比为20:1。

7.根据权利要求1所述的船用发动机连杆衬套磨损模拟试验方法，其特征在于，所述试验装置还包括辅助模块，所述辅助模块包括主轴超速制动、扭矩超限制动和传感器断线模拟。