柴油机活塞—缸套结构的摩擦磨损实验装置设计

山西中北大学机械与动力工程学院 付志申 张翼

1 引言

活塞—缸套是发动机中重要的一对摩擦副，其工作性能直接决定柴油机的可靠性和经济性。摩擦副所造成的功率损失占据了柴油机功率损失的大部分，造成资源浪费、交通事故频发等等。随着近年柴油机向高速、大功率、重载荷的方向发展，人们对节能减排的呼声越来越高，深入研究活塞—缸套摩擦副的摩擦磨损规律，对于降低摩擦功耗、提高柴油机效率、延长寿命具有非常重大的意义。

柴油机向高速、大功率、重载荷的方向发展，所以该实验装置可用于模拟和测量高速大功率柴油机往复式活塞—缸套结构的摩擦磨损。

2 活塞—缸套结构的摩擦磨损实验装置

2.1 实验装置的总体布置

活塞—缸套结构的摩擦磨损的影响因素主要有：温度、转速、载荷。为了能够较为真实地模拟活塞—缸套的工作过程，设计的实验装置总体布置如图2-1所示。

图2-1 总体布置图

2.2 实验装置组成及简介

该实验装置由驱动系统、润滑系统、温度系统、活塞—缸套模拟工作系统、压力系统、数据采集系统等组成。

（1）驱动系统。采用直流电动机进行驱动，当电机按一定的转速运行时，带动活塞杆以一定的速度进行往复运动。驱动机构由直流电动机、皮带轮、传送带、轴承以及传送轴组成。

（2）润滑系统。润滑系统主要由油箱、油泵、进油管和出油管组成。其工作原理是：柴油机中活塞—缸套所需的润滑油储存在油箱中，经过油泵的进油口流进油泵，再经过油泵的出油口流经润滑系统的进油管进入缸套开始润滑；润滑循坏完毕后，润滑油由出油管流出，经过滤油器过滤后流回油箱，由此循环来达到润滑的目的。

（3）温度系统。由传感器及时地测量试件和环境的温度，在缸套上加上加热器，加热器连接温度控制仪，根据运行工况或实验要求来控制温度，从而达到想要的实验效果。温度系统由试件温度传感器、环境温度传感器和温度控制仪组成。

（4）活塞—缸套模拟工作系统。模拟实验试样取自实际的活塞的一部分及缸套的一部分，实验时使试样的工作状态与实际工作时相同。在装置中将缸套固定，用活塞杆连着活塞，通过电机的转动，从而让活塞进行往复运动，模拟活塞—缸套在柴油机体外往复运动的工作过程。

（5）压力系统。压力系统由液压回路和压力传感器组成，根据需要，提供活塞—缸套所需的载荷。调压回路如图2-2所示。

图2-2 单级调压回路

在施加载荷部分使用单级液压调压回路，即在液压泵出口处并联一个直动式溢流阀来调节系统整体的压力保持一定的数值或者不超过设定的压力额定值。直动式溢流阀其阀芯的下端部有轴向孔，液压油从液压泵流出经溢流阀阀芯的下端径向孔时，轴向阻尼孔滑进滑阀底部，形成向上的油压作用力，使其溢流阀的进口压力升高，进油口和出油口相通，液压油通过油管进入二位四通换向阀，此时换向阀两个阀体处于联通状态，液压油通过换向阀进入缸体，使缸杆向右移动施加压力。需要调节压力的时候只需调节直通式溢流阀的调节螺母来调节弹簧对阀芯的作用力，即可调节溢流阀的入口压力，从而达到控制压力施加载荷的目的。

（6）数据采集系统。该实验装置采用“传感器+信号调理+数据采集卡+软件”这样一种基于模数采集卡的基本形式。来自传感器的微弱信号经过后面配接的信号调理电路的放大和预滤波后输出标准的模拟电压或电流信号，经传输导线送入计算机中的数据采集卡采样、A/D转换后，存储于计算机中进行运算分析与处理，以适当的形式输出、显示或记录测量结果。其主要由放大器、采集卡和计算机组成。

（7）摩擦力的获取。利用传感器测量摩擦力，将摩擦力传感器一端接在缸套上。

2.3 实验装置的工作过程

启动电机，在电机1的带动下，皮带轮2旋转（电动机与皮带轮之间由电动机轴相连），传送带3牵引皮带轮4跟着旋转起来，轴承5将皮带轮4和传动轴6相连，随皮带轮的旋转，曲柄连杆机构随之运动，从而固定在活塞杆上的活塞开始在缸套中进行往复运动，模拟在柴油机中的工作过程，这是装置的工作部分。在缸套上下试件处均加上缸套加热器，缸套加热器与温度控制仪相连，控制缸套的温度变化。在活塞杆上加上线速度传感器，测量活塞的线速度。装置中各传感器测量的信号经过放大器由采集卡采集，最后由计算机进行处理。

3 结论

由于该实验装置是按照模拟性零件实验的要求进行设计的，模拟的活塞—缸套的工作过程具有局限性，在现有的装置条件下，只能尽可能地接近实际工作过程。所以该装置得出的实验数据具有局限性。但是可以为活塞—缸套结构的摩擦磨损实验作参考。

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