[发明专利]缸套与活塞润滑油膜分布状态的测试装置及其测试方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及摩擦磨损测试技术领域，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。

背景技术

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(Atul Dhar,Avinash Kumar Agarwal,Vishal Saxena:Sensors and Actuators A,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(Jie Zhang,Bruce W.Drinkwater:NDTE International 41(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。

发明内容

本发明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；