專利名稱：用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及潤滑和傳熱試驗系統(tǒng)，尤其涉及一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)。
背景技術：
隨著能源危機的逐漸顯現(xiàn)，對車輛動力性、經(jīng)濟性與緊湊性的要求不斷提高。在乘用車領域，小排量帶渦輪增壓技術的車型是市場未來的主導。而在商用車領域，高速化、大功率化及增壓中冷技術普及化是商用車發(fā)動機未來發(fā)展的主導。汽車發(fā)動機領域以上的發(fā)展趨勢，一方面會促使發(fā)動機結構更加緊湊，單位功率的重量和體積減小，但另一方面勢必引起發(fā)動機熱負荷增加?；钊h(huán)-氣缸套這一摩擦副的傳熱是發(fā)動機缸內(nèi)傳熱的主要途徑，發(fā)動機熱負荷的增加勢必會提高其傳熱熱流密度。若不能有效散熱，會引起活塞溫度過高乃至燒毀、燃燒惡化、潤滑油結焦等一系列問題。因此，對其傳熱規(guī)律的研究具有重要意義。目前，學者們對于活塞環(huán)-氣缸套這一摩擦副的研究主要集中在潤滑及摩擦方面，可見大量關于有限元分析及試驗研究方面的文章。而對于傳熱規(guī)律的研究相對較少，且主要為有限元分析，多將潤滑油膜這一傳熱介質(zhì)簡單處理為一維導熱熱阻，未考慮其流動換熱特性?；钊h(huán)-氣缸套這一摩擦副的潤滑與傳熱是一個耦合的過程，應協(xié)同分析。中國專利[201335766]公開的“缸套與活塞環(huán)摩擦磨損試驗機”，中國專利[2066981]公開的“發(fā)動機缸套-活塞環(huán)懸浮整環(huán)式磨損模擬試驗機”，中國專利 [101158619]公開的“往復式活塞環(huán)一缸套摩擦磨損試驗機”和中國專利[1789963]公開的 “一種缸套活塞環(huán)零部件摩擦磨損試驗方法和設備”，其技術領域都涉及活塞環(huán)與缸套這個摩擦副，但是它們都未涉及潤滑油膜厚度的測量及傳熱方面的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)。用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)包括試驗系統(tǒng)機械平臺、油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)、潤滑油供給子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和控制子系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)機械平臺包括滑塊安裝支架、磨頭、彈性聯(lián)軸器、電機、磨頭固定支架、電機固定支架和鑄鐵平板；鑄鐵平板上順次設有滑塊安裝支架、磨頭固定支架和電機固定支架；磨頭固定支架上設有磨頭； 電機固定支架上設有電機；磨頭、彈性聯(lián)軸器和電機順次相連；所述的油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)包括彈簧、滑塊、飛輪、調(diào)整螺栓、力傳感器、電加熱棒、油膜、第一熱電偶、第二熱電偶、第三熱電偶、第四熱電偶、油膜厚度傳感器上極板和油膜厚度傳感器下極板；飛輪與磨頭相連，飛輪上方設有滑塊；飛輪與滑塊之間設有油膜，在飛輪和滑塊中心對稱設有油膜厚度傳感器上極板和油膜厚度傳感器下極板，在飛輪和滑塊中心的一側(cè)對稱分別設有第一熱電偶和第二熱電偶，在飛輪和滑塊中心的另一側(cè)對稱分別設有第三熱電偶和第四熱電偶，滑塊內(nèi)設有加熱器，滑塊上方通過力傳感器與彈簧一端相連，彈簧另一端通過調(diào)整螺栓與滑塊安裝支架相連。所述的油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)包括調(diào)整螺栓、彈簧、力傳感器、滑塊、電加熱棒、熱電偶、油膜厚度傳感器和飛輪；飛輪與磨頭相連，飛輪上方設有滑塊；飛輪與滑塊之間設有熱電偶和油膜厚度傳感器，用于測量油膜厚度及溫度分布；滑塊內(nèi)設有加熱器，用于給滑塊加熱，以模擬真實情況下的溫度分布；滑塊上方通過力傳感器與彈簧一端相連，力傳感器可以獲得彈簧預緊力的量化值，便于后期分析；彈簧另一端通過調(diào)整螺栓與滑塊安裝支架相連，通過轉(zhuǎn)動調(diào)整螺栓可調(diào)節(jié)彈簧的預緊力，用于控制油膜厚度。所述的潤滑油供給子系統(tǒng)包括儲油油箱、溫度計、油冷器、回油油泵、回油過濾器、 收集油箱、油加熱器、供油過濾器、供油油泵、流量計、流量控制器和噴油嘴；儲油油箱分別與溫度計、油冷器和供油過濾器相連；儲油油箱內(nèi)安裝油加熱器；收集油箱、回油過濾器、 回油油泵和油冷器順次相連；供油過濾器、供油油泵、流量計、流量控制器和噴油嘴順次相連；收集油箱設置在鑄鐵平板上，飛輪設置在收集油箱內(nèi)；噴油嘴設置在滑塊安裝支架上。所述的數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)的內(nèi)部模塊連接關系為嵌入式實時控制器分別與通信模塊、熱電偶信號采集卡、電容信號采集卡、電壓信號采集卡、繼電器、變頻控制器和上位機相連；通信模塊分別與儲油油箱溫度傳感器、油管流量傳感器和力傳感器相連；熱電偶信號采集卡與熱電偶相連；電容信號采集卡與油膜厚度傳感器相連；電壓信號采集卡與電機轉(zhuǎn)速傳感器相連；繼電器分別與滑塊電加熱棒、儲油油箱加熱器和流量控制器旁通閥相連；變頻控制器與電機相連。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有有益效果。I)本發(fā)明可以進行發(fā)動機中活塞環(huán)-氣缸套這一摩擦副潤滑及傳熱規(guī)律的模擬試驗，也可用于其他摩擦副的潤滑及傳熱規(guī)律的研究；
2)本發(fā)明可控制飛輪轉(zhuǎn)速、滑塊溫度、油膜厚度以及潤滑油流量和溫度這些試驗參數(shù)； 可監(jiān)測并實時存儲飛輪轉(zhuǎn)速、滑塊和飛輪溫度、油膜厚度和溫度以及潤滑油流量和溫度這些試驗參數(shù)并對試驗參數(shù)進行分析處理；
3)本發(fā)明采用高精度電容式厚度傳感器及表面熱電偶，可對油膜厚度及表面溫度進行快速精確測量。


圖I是一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)試驗臺結構示意圖2是本發(fā)明的滑塊安裝與傳感器布置示意圖3是本發(fā)明的潤滑油供給子系統(tǒng)示意圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)包括試驗系統(tǒng)機械平臺、油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)、潤滑油供給子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和控制子系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)機械平臺包括滑塊安裝支架2、磨頭7、彈性聯(lián)軸器8、電機9、磨頭固定支架10、電機固定支架11和鑄鐵平板12 ;鑄鐵平板12上順次設有滑塊安裝支架2、磨頭固定支架10和電機固定支架11 ;磨頭固定支架10上設有磨頭7 ;電機固定支架11上設有電機9 ;磨頭7、彈性聯(lián)軸器8和電機9順次相連。如圖2所示，所述的油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)包括彈簧4、滑塊5、飛輪6、調(diào)整螺栓23、力傳感器24、電加熱棒25、油膜26、第一熱電偶27a、第二熱電偶27b、第三熱電偶 27c、第四熱電偶27d、油膜厚度傳感器上極板28a和油膜厚度傳感器下極板28b ;飛輪6與磨頭7相連，飛輪6上方設有滑塊5 ;飛輪6與滑塊5之間設有油膜26 ;在飛輪6和滑塊5 中心對稱設有油膜厚度傳感器上極板28a和油膜厚度傳感器下極板28b，用于測量油膜厚度；在飛輪6和滑塊5中心的一側(cè)對稱分別設有第一熱電偶27a和第二熱電偶27b，在飛輪 6和滑塊5中心的另一側(cè)對稱分別設有第三熱電偶27c和第四熱電偶27d，用于測量油膜厚度及溫度分布；滑塊5內(nèi)設有加熱器25，用于給滑塊5加熱，以模擬真實情況下的溫度分布；滑塊5上方通過力傳感器24與彈簧4 一端相連，力傳感器24可以獲得彈簧4預緊力的量化值，便于后期分析；彈簧4另一端通過調(diào)整螺栓23與滑塊安裝支架2相連，通過轉(zhuǎn)動調(diào)整螺栓23可調(diào)節(jié)彈簧4的預緊力，用于控制油膜厚度。如圖3所示，所述的潤滑油供給子系統(tǒng)包括儲油油箱13、溫度計14、油冷器15、回油油泵16、回油過濾器17、收集油箱3、油加熱器18、供油過濾器19、供油油泵20、流量計 21、流量控制器22和噴油嘴I ;儲油油箱13分別與溫度計14、油冷器15和供油過濾器19 相連；儲油油箱13內(nèi)安裝油加熱器18 ;收集油箱3、回油過濾器17、回油油泵16和油冷器 15順次相連；供油過濾器19、供油油泵20、流量計21、流量控制器22和噴油嘴I順次相連； 收集油箱3設置在鑄鐵平板12上，飛輪6設置在收集油箱3內(nèi)；噴油嘴I設置在滑塊安裝支架2上。如圖4所示，所述的數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)的內(nèi)部模塊連接關系為嵌入式實時控制器分別與通信模塊、熱電偶信號采集卡、電容信號采集卡、電壓信號采集卡、繼電器、變頻控制器和上位機相連；通信模塊分別與儲油油箱溫度傳感器、油管流量傳感器和力傳感器相連；熱電偶信號采集卡與熱電偶相連；電容信號采集卡與油膜厚度傳感器相連；電壓信號采集卡與電機轉(zhuǎn)速傳感器相連；繼電器分別與滑塊電加熱棒、儲油油箱加熱器和流量控制器旁通閥相連；變頻控制器與電機相連。本發(fā)明的工作過程如下
本發(fā)明模擬活塞環(huán)-氣缸套這一摩擦副潤滑及傳熱的過程，用于研究其潤滑及傳熱規(guī)律。同時也可用于其他摩擦副潤滑及傳熱規(guī)律的研究。試驗時，以滑塊和飛輪模擬活塞環(huán)和氣缸套，潤滑油供給子系統(tǒng)通過噴頭向其接觸面內(nèi)噴入潤滑油，以模擬缸套油膜。電機通過聯(lián)軸器與磨頭相連，磨頭帶動飛輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)滑塊與飛輪之間的相對運動。飛輪外側(cè)設置有收集油箱，防止?jié)櫥惋w濺污染試驗場所， 同時收集潤滑油返回潤滑油供給子系統(tǒng)。試驗臺底板采用鑄鐵工作平臺，其表面平整度高、剛性好、殘余應力小。磨頭與電機的支架采用鋼板焊接而成，各部件間采用螺栓直接連接，無墊片。以上措施保證了臺架的整體剛度，防止臺架的彈性變形影響油膜厚度的測量。同時，試驗臺采用機床用高精度磨頭，其靜壓軸承的承載方式，有效減少了旋轉(zhuǎn)時的跳動度，也提高了油膜厚度的測量精度。潤滑油供給子系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，安裝有過濾器以保證潤滑油可以重復使用，節(jié)約資源。同時，其安裝有油加熱器和油冷器，以實現(xiàn)油溫精確控制。另外，還安裝有流量控制器，以實現(xiàn)出油量精確控制。油溫與油量的精確控制，用于模擬發(fā)動機不同工況下的潤滑油狀態(tài)。試驗用電機采用變頻控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可控，以模擬發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下活塞環(huán)與氣缸套的相對運動。試驗中以滑塊內(nèi)安裝的電加熱棒模擬發(fā)動機缸內(nèi)熱源，產(chǎn)生一個熱流方向由滑塊至飛輪的溫度場。同時，加熱棒加熱功率可控，以模擬發(fā)動機不用負荷下活塞環(huán)-氣缸套的傳熱情況。試驗中，摩擦副表面采用表面熱電偶，響應速度快。厚度傳感器采用高精度電容式厚度傳感器，可實時測量潤滑油膜厚度。試驗中，數(shù)據(jù)采集與儀器控制由嵌入式實時控制器完成。儲油油箱溫度信號、油管流量信號和彈簧預緊力信號經(jīng)通信模塊傳至嵌入式實時控制器。熱電偶信號、油膜厚度信號和電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)相應的信號采集卡傳輸給嵌入式實時控制器。嵌入式實時控制器接收上訴信號后，由預先編制好的控制程序進行分析計算，并發(fā)送控制信號至滑塊電加熱棒、儲油油箱加熱器、流量控制器旁通閥和電機變頻控制器，實現(xiàn)實時控制。上位機用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示與數(shù)據(jù)存儲，上位機與嵌入式實時控制器之間的關系是即使上位機關閉，實時控制器仍可正常工作。整個系統(tǒng)自動化程度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。
權利要求
1.一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)，其特征在于包括試驗系統(tǒng)機械平臺、油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)、潤滑油供給子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和控制子系統(tǒng)；試驗系統(tǒng)機械平臺包括滑塊安裝支架(2)、磨頭(7)、彈性聯(lián)軸器(8)、電機(9)、磨頭固定支架(10)、 電機固定支架(11)和鑄鐵平板(12);鑄鐵平板(12)上順次設有滑塊安裝支架(2)、磨頭固定支架(10)和電機固定支架(11);磨頭固定支架(10)上設有磨頭(7);電機固定支架(11) 上設有電機(9);磨頭(7)、彈性聯(lián)軸器(8)和電機(9)順次相連；所述的油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)包括彈簧(4)、滑塊(5)、飛輪(6)、調(diào)整螺栓(23)、力傳感器(24)、電加熱棒(25)、 油膜(26)、第一熱電偶(27a)、第二熱電偶(27b)、第三熱電偶(27c)、第四熱電偶(27d)、油膜厚度傳感器上極板(28a)和油膜厚度傳感器下極板(28b);飛輪(6)與磨頭(7)相連，飛輪(6)上方設有滑塊(5);飛輪(6)與滑塊(5)之間設有油膜(26)，在飛輪(6)和滑塊(5)中心對稱設有油膜厚度傳感器上極板(28a)和油膜厚度傳感器下極板(28b )，在飛輪(6 )和滑塊(5)中心的一側(cè)對稱分別設有第一熱電偶(27a)和第二熱電偶(27b),在飛輪(6)和滑塊(5)中心的另一側(cè)對稱分別設有第三熱電偶(27c)和第四熱電偶(27d)，滑塊(5)內(nèi)設有加熱器(25)，滑塊(5)上方通過力傳感器(24)與彈簧(4) 一端相連，彈簧(4)另一端通過調(diào)整螺栓(23)與滑塊安裝支架(2)相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的潤滑油供給子系統(tǒng)包括儲油油箱(13)、溫度計(14)、油冷器(15)、回油油泵(16)、 回油過濾器(17)、收集油箱(3)、油加熱器(18)、供油過濾器(19)、供油油泵(20)、流量計(21)、流量控制器(22 )和噴油嘴(I);儲油油箱(13 )分別與溫度計(14)、油冷器(15 )和供油過濾器(19)相連；儲油油箱(13)內(nèi)安裝油加熱器(18);收集油箱(3)、回油過濾器(17)、 回油油泵(16)和油冷器(15)順次相連；供油過濾器(19)、供油油泵(20)、流量計(21)、流量控制器(22)和噴油嘴(I)順次相連；收集油箱(3)設置在鑄鐵平板(12)上，飛輪(6)設置在收集油箱(3)內(nèi)；噴油嘴(I)設置在滑塊安裝支架(2)上。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)的內(nèi)部模塊連接關系為嵌入式實時控制器分別與通信模塊、熱電偶信號采集卡、電容信號采集卡、電壓信號采集卡、繼電器、變頻控制器和上位機相連；通信模塊分別與儲油油箱溫度傳感器、油管流量傳感器和力傳感器相連；熱電偶信號采集卡與熱電偶相連；電容信號采集卡與油膜厚度傳感器相連；電壓信號采集卡與電機轉(zhuǎn)速傳感器相連；繼電器分別與滑塊電加熱棒、儲油油箱加熱器和流量控制器旁通閥相連； 變頻控制器與電機相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高速摩擦副的薄膜潤滑及傳熱試驗系統(tǒng)。它包括試驗系統(tǒng)機械平臺、油膜厚度及溫度模擬子系統(tǒng)、潤滑油供給子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和控制子系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)機械平臺包括滑塊安裝支架、磨頭、彈性聯(lián)軸器、電機、磨頭固定支架、電機固定支架和鑄鐵平板；鑄鐵平板上順次設有滑塊安裝支架、磨頭固定支架和電機固定支架；磨頭固定支架上設有磨頭；電機固定支架上設有電機；磨頭、彈性聯(lián)軸器和電機順次相連。本發(fā)明可以進行發(fā)動機中活塞環(huán)-氣缸套這一摩擦副潤滑及傳熱規(guī)律的模擬試驗，也可用于其他摩擦副的潤滑及傳熱規(guī)律的研究；本發(fā)明采用高精度電容式厚度傳感器及表面熱電偶，可對油膜厚度及表面溫度進行快速精確測量。
文檔編號G01N25/20GK102607835SQ201210064178
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權日2012年3月13日
發(fā)明者俞小莉, 傅佳宏, 劉孝龍, 劉震濤, 夏琪偉, 孫正, 尹旭, 張宇, 徐文斐, 沈瑜銘, 黃瑞, 黃鈺期, 黎宏苗 申請人:浙江大學