本發(fā)明涉及發(fā)動機傳熱、機械摩擦測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

活塞-缸套摩擦潤滑的空間尺度達到微米和納米級別，而缸套和活塞熱變形的尺度也在微米級別；溫度對潤滑油的粘度和密度等特性有顯著影響；而且，活塞和缸套的溫度影響到摩擦熱在活塞和缸套之間的傳熱分配情況，隨著內(nèi)燃機功率密度的提升，熱負荷愈來愈嚴重，傳熱對活塞-缸套系統(tǒng)的摩擦功耗的影響更加顯著。張啟(張啟,毛軍紅,謝友柏.imep法測量內(nèi)燃機活塞組摩擦力的分析計算方法[j].內(nèi)燃機學報,2007,25(6):560-564.)平均指示壓力(imep)法測量內(nèi)燃機活塞的摩擦力。寧李譜(寧李譜,孟祥慧,謝友柏.基于無線傳輸?shù)膬?nèi)燃機活塞組－缸套摩擦力測量方法[j].上海交通大學學報,2014,48(9):1297-1302.)在平均指示壓力法的基礎上，利用無線傳輸測試了連桿應力信號。yeow-chongtan(yeow-chongtan,zaidimohdripin.techniquetodetermineinstantaneouspistonskirtfrictionduringpistonslap[j].tribologyinternational,2014,74:145-153.)將單缸機采用臥放的方式安裝在測力器上，用電動機倒拖活塞，測試機體受到的摩擦力。dallwookim(dallwookim,akemiito,yasuhiroishikawa,etal.frictioncharacteristicsofsteelpistonsfordieselengines[j].journalofmaterialsresearchandtechnology,2012,1(2):96-102.)使用浮動氣缸法測試單缸機活塞摩擦力。但他們的研究均沒有考慮傳熱的影響，不考慮活塞裙部和缸套的熱變形時，活塞裙部周期平均摩擦功率為0.42kw，活塞裙部和缸套的熱變形使平均摩擦功率增大0.21kw(劉曉日.基于流固耦合傳熱的內(nèi)燃機潤滑摩擦特性研究[d].山東:山東大學,2015.)，因此研究傳熱對摩擦功耗的影響顯得尤為必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置及方法。該裝置在浮動缸套測摩擦實驗裝置的基礎上進行改進，去掉傳統(tǒng)的浮動缸套測摩擦實驗裝置中安裝在測試臺架上的機體結(jié)構(gòu)，只保留了缸套活塞曲軸連桿部分，應用噴火嘴配合涂在活塞上表面的傳熱涂層來精確控制活塞頂部的溫度分布，應用活塞底部傳熱測控子裝置對活塞裙部的溫度進行精確控制，應用缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置對缸套縱向溫度分布進行控制；并使用臺架將缸套固定，通過拉壓傳感器測量缸套與活塞之間的摩擦力；該裝置能滿足研究傳熱對摩擦影響的需求，在測量缸套-活塞間摩擦力的同時，能對活塞頂部、裙部的溫度場進行精確控制。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

一種帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置，其特征在于該裝置包括活塞頂部傳熱測控子裝置、活塞底部傳熱測控子裝置、缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置、支承鋼架和缸套-活塞間測摩擦機構(gòu)；所述活塞頂部傳熱測控子裝置、缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置和活塞底部傳熱測控子裝置由上至下依次固定在支承鋼架上，缸套-活塞間測摩擦機構(gòu)安裝在支承鋼架的內(nèi)部；

所述活塞頂部傳熱測控子裝置包括噴火嘴支承和噴火嘴，所述噴火嘴支承安裝在活塞上部，為圓盤形，中間部位開一個圓孔，所述噴火嘴穿過該圓孔，并固定在噴火嘴支承上，噴火嘴的噴火口朝向活塞頂部；在活塞上表面涂有傳熱涂層；

所述缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置包括溫控水箱、水泵、冷卻液電磁閥、溫控套筒、電加熱器、水溫傳感器、單片機和上位機；所述溫控套筒套在缸套上，溫控套筒內(nèi)加工有n個環(huán)槽，n≥2，缸套與環(huán)槽之間的間隙形成冷卻液回路，每個環(huán)槽都由兩個子環(huán)槽組成，位于下部的子環(huán)槽是進水子環(huán)槽，位于上部的子環(huán)槽是出水子環(huán)槽；在溫控套筒的外壁上沿圓周方向均勻分布有四列管道接口，每列上有2n個管道接口，分成n組，相鄰兩個管道接口為一組，分別為進水管道接口和出水管道接口；進水子環(huán)槽通過進水管道接口與注水管連接，在進水管道接口處均安裝有水溫傳感器，出水子環(huán)槽通過出水管道接口與出水管連接，每個出水管經(jīng)散熱器連接溫控水箱的進水口；每個注水管上均通過相應的支路管路與溫控水箱的出水干路連接，每個支路管路上均安裝有冷卻液電磁閥，溫控水箱的出水干路上安裝水泵；溫控水箱內(nèi)安裝有電加熱器；所述單片機與每個冷卻液電磁閥、水溫傳感器和電加熱器連接，同時單片機還與上位機連接；所述溫控水箱上還設有冷卻液回液口；

所述缸套-活塞間測摩擦機構(gòu)包括傳力夾環(huán)和拉壓傳感器，缸套的下部插入傳力夾環(huán)內(nèi)，并夾緊，在傳力夾環(huán)的外壁上沿圓周方向分布有四個傳力臂，每個傳力臂通過螺栓連接一個拉壓傳感器；

所述活塞底部傳熱測控子裝置包括溫控機油箱、機油泵、機油電磁閥和噴油嘴，噴油嘴的噴油口朝向活塞底部；

所述支承鋼架底部為環(huán)形支座，環(huán)形支座上固定安裝有四個支撐平臺，四個支撐平臺的上端支撐噴火嘴支承，同時與溫控套筒通過調(diào)節(jié)頂針連接；每個拉壓傳感器均固定在相應的支撐平臺上。

一種帶有熱管理的活塞摩擦力測試方法，該方法使用上述的裝置，步驟是：在進行實驗時，首先將待測缸套-活塞曲柄連桿機構(gòu)安裝在支承鋼架上，曲柄軸與驅(qū)動電機的軸用彈性聯(lián)軸器相連；缸套和活塞之間用活塞底部的噴油嘴來噴油冷卻潤滑，多余的機油滴到集液器里收集起來供再循環(huán)使用；待檢查所有零件連接牢固安裝無誤、冷卻液充滿溫控套筒后，啟動驅(qū)動電機，由曲柄連桿機構(gòu)帶動活塞在缸套內(nèi)做往復運動；

待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，開啟噴火嘴加熱活塞頂部，將活塞頂部溫度穩(wěn)定在活塞頂部目標溫度的1.05-1.3倍，此時開啟水泵，使冷卻液在溫控套筒內(nèi)循環(huán)流動；

根據(jù)實驗需求不同，通過改變活塞頂部傳熱涂層的分布狀態(tài)，從而控制頂部溫度分布，活塞頂部的溫度測量及采集采用手持式紅外測溫儀；缸套則通過上位機改變設定的缸套目標溫度，由上位機控制缸套溫度場縱向分布，單片機采集水溫傳感器的溫度，并傳輸給上位機，由上位機顯示當前的溫度；活塞裙部通過無線傳輸方式獲得活塞裙部溫度，并通過控制機油泵和溫控油箱來控制活塞底部溫度分布；

待各個溫度均穩(wěn)定后，通過拉壓傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算處理即可得到活塞與缸套間的摩擦力值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：以往的活塞摩擦力測試裝置，對傳熱考察較少，不能實現(xiàn)整個活塞-缸套系統(tǒng)的熱測控。本裝置主要通過活塞頂部傳熱測控子裝置、活塞底部傳熱測控子裝置、缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置這三個部分精確控制活塞頂部、活塞與缸套之間的溫度分布，從而達到研究傳熱對摩擦影響的目的。

①活塞頂部加熱裝置配合活塞頂部涂層，噴火嘴旨在調(diào)節(jié)活塞頂部總體傳熱量，頂部涂層旨在控制活塞頂部傳熱空間分布。

②活塞底部噴油以往是為了進行活塞冷卻，該裝置中設置活塞底部傳熱測控子裝置噴油流量和噴油溫度，旨在從活塞底部控制活塞的傳熱，既有傳統(tǒng)的冷卻功能，也帶加熱功能。

③缸套水腔側(cè)以往是為了冷卻缸套，該裝置中通過對多條獨立的水路實現(xiàn)溫控功能(既有傳統(tǒng)的冷卻功能，也帶加熱功能)，從而實現(xiàn)缸套從頂部到底部的溫度分布控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中待測缸套-活塞曲柄連桿機構(gòu)的示意圖。

圖3為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置的流路圖。

圖4為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中活塞頂部傳熱測控子裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中溫控套筒3的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置的支承鋼架5的結(jié)構(gòu)示意圖，該支承鋼架5上安裝有調(diào)節(jié)頂針4和拉壓傳感器7。

圖7為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中傳力夾環(huán)6的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中集液器9的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置中溫控套筒與待測缸套之間的配合間隙示意圖。

圖中，1、噴火嘴，2、噴火嘴支承，3、溫控套筒，4、調(diào)節(jié)頂針，5、支承鋼架，6、傳力夾環(huán)，7、拉壓傳感器，8、噴油嘴，9、集液器，10、冷卻液回液管，11、潤滑油回液管，12、缸套，13、活塞曲柄連桿機構(gòu)，14、冷卻液回液口，15、溫控水箱，16、電加熱器，17、散熱器，18、水泵，19、冷卻液電磁閥，20、注水管，21、水溫傳感器，22、出水管，301、管道接口，302、子環(huán)槽，303滾珠槽，501、環(huán)形支座，502、支撐平臺，601、傳力臂。

具體實施方式

下面將結(jié)合實施例及附圖進一步敘述本發(fā)明，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護范圍的限定。

本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置(簡稱測試裝置，參見圖1)包括活塞頂部傳熱測控子裝置、活塞底部傳熱測控子裝置、缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置、支承鋼架5和缸套-活塞間測摩擦機構(gòu)；所述活塞頂部傳熱測控子裝置、缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置和活塞底部傳熱測控子裝置由上至下依次固定在支承鋼架5上，缸套-活塞間測摩擦機構(gòu)安裝在支承鋼架5的內(nèi)部；所述活塞頂部傳熱測控子裝置用于控制活塞頂部的溫度分布，

所述活塞頂部傳熱測控子裝置(參見圖4)包括噴火嘴支承2和噴火嘴1，所述噴火嘴支承2安裝在活塞13上部，為圓盤形，中間部位開一個圓孔，所述噴火嘴穿過該圓孔，并固定在噴火嘴支承2上，噴火嘴1的噴火口朝向活塞頂部，噴火嘴支承2同時能起到集中熱量、隔絕火焰的作用，活塞頂部的溫度采集使用手持式紅外測溫儀；

所述缸套水腔側(cè)傳熱測控子裝置(參見圖3)包括溫控水箱15、水泵18、冷卻液電磁閥19、溫控套筒3(參見圖5)、電加熱器16、水溫傳感器21、單片機和上位機(圖中未標出)；所述溫控套筒3套在缸套12上，溫控套筒內(nèi)加工有n個環(huán)槽，n≥2，缸套與環(huán)槽之間的間隙形成冷卻液回路(溫控套筒與待測缸套之間的配合間隙參見圖9)，每個環(huán)槽都由兩個子環(huán)槽302組成，位于下部的子環(huán)槽是進水子環(huán)槽，位于上部的子環(huán)槽是出水子環(huán)槽，兩個子環(huán)槽之間的凸臺部分處與缸套的配合間隙約為1-1.5mm，這樣的設計保證了兩個子環(huán)槽之間可以順利流動冷卻液，又能形成一定的液壓面，以克服缸套受到的側(cè)向力，同時兩個環(huán)槽之間的凸臺處與缸套的配合間隙不大于0.1mm，以達到隔絕水流的作用；在溫控套筒的外壁上沿圓周方向均勻分布有四列管道接口301，每列上有2n個管道接口，分成n組，相鄰兩個管道接口為一組，分別為進水管道接口和出水管道接口；進水子環(huán)槽通過進水管道接口與注水管20連接，在進水管道接口處均安裝有水溫傳感器21，出水子環(huán)槽通過出水管道接口與出水管22連接，每個出水管22經(jīng)散熱器17連接溫控水箱15的進水口；每個注水管20上均通過相應的支路管路與溫控水箱15的出水干路連接，每個支路管路上均安裝有冷卻液電磁閥19，溫控水箱15的出水干路上安裝水泵18；溫控水箱15內(nèi)安裝有電加熱器16；所述單片機與每個冷卻液電磁閥19、水溫傳感器21和電加熱器16連接，同時單片機還與上位機連接，用于接收缸套目標溫度指令并傳輸當前溫度數(shù)據(jù)；所述溫控水箱15上還設有冷卻液回液口14；

冷卻液(水)的壓力由水泵18提供，冷卻液的溫度由電加熱器16控制，管路上安裝有冷卻液電磁閥19，水溫傳感器21測量水溫后傳給單片機，由單片機配合上位機共同控制冷卻液電磁閥的開閉。具體控溫過程是：單片機和上位機用can總線連接，上位機向單片機發(fā)送缸套目標溫度，單片機向上位機發(fā)送溫控套筒的實時溫度，也即當前缸套的溫度。單片機依次接收n個水溫傳感器的溫度信號，并將n個水溫傳感器的溫度值與單片機內(nèi)的缸套目標溫度值分別進行比較，當某個水溫傳感器的溫度值大于缸套目標溫度值時，開啟該水溫傳感器所對應的管路上的冷卻液電磁閥，相反則關(guān)閉該管路上的冷卻液電磁閥，如此反復，以便實時控制缸套的溫度。當n個水溫傳感器的溫度始終低于缸套目標溫度時，手動關(guān)閉散熱器的開關(guān)，如果溫度仍然達不到缸套目標溫度，可以開啟電加熱器主動加熱冷卻液，對冷卻液進行預熱，防止突然開啟冷卻液電磁閥時而導致溫控套筒溫度急速下降；

所述缸套-活塞間測摩擦機構(gòu)包括傳力夾環(huán)6(參見圖7)和拉壓傳感器7，缸套12的下部插入傳力夾環(huán)6內(nèi)，并夾緊，在傳力夾環(huán)的外壁上沿圓周方向分布有四個傳力臂601，每個傳力臂通過螺栓連接一個拉壓傳感器7，這樣可以使缸套的重力以及所受摩擦力完全傳遞到拉壓傳感器上；

所述活塞底部傳熱測控子裝置包括溫控機油箱、機油泵、機油電磁閥和噴油嘴8，噴油嘴8的噴油口朝向活塞底部，機油泵安裝在溫控機油箱內(nèi)，通過機油泵給機油提供壓力使機油經(jīng)噴油嘴8噴射到活塞13底部，機油電磁閥安裝在機油泵的輸出管路上，用來控制機油的流量，從而達到控制溫度的目的；

所述支承鋼架5起到整體支承的作用(參見圖6)，支承鋼架底部為環(huán)形支座501，環(huán)形支座501上固定安裝有四個支撐平臺502，四個支撐平臺的上端支撐噴火嘴支承2，同時與溫控套筒3通過調(diào)節(jié)頂針4連接，調(diào)節(jié)頂針4同時起到徑向支承作用；每個拉壓傳感器7均固定在相應的支撐平臺上。

本發(fā)明的進一步特征在于在支承鋼架5的下部安裝有集液器9(參見圖8)，所述集液器分內(nèi)外兩層，內(nèi)層集機油，外層集泄漏的冷卻液；且集液器內(nèi)外層底部分別開孔，內(nèi)層接有機油回液管11，將機油送回溫控機油箱；外層接冷卻液回液管10，將冷卻液經(jīng)冷卻液回液口14送回溫控水箱15，從而使機油和冷卻液邊收集邊循環(huán)。

本發(fā)明的進一步特征為在活塞上表面涂有傳熱涂層，用于改變活塞局部熱阻，從而控制溫度場分布。

本發(fā)明的進一步特征為在兩個環(huán)槽之間的溫控套筒上還有設有滾珠槽303，滾珠槽內(nèi)安放滾珠，滾珠起到平衡徑向力的作用。

本發(fā)明測試裝置的測試對象為缸套-活塞曲柄連桿機構(gòu)，缸套-活塞曲柄連桿機構(gòu)包括缸套12、活塞曲柄連桿機構(gòu)13和驅(qū)動電機，曲柄連桿機構(gòu)在驅(qū)動電機的作用下，帶動活塞在缸套12內(nèi)上下移動；缸套12嚴密嵌套在溫控套筒3內(nèi)，溫控套筒3安裝在支承鋼架5內(nèi)，通過溫控套筒3對缸套12進行冷卻。

本發(fā)明帶有熱管理的活塞摩擦力測試方法，該方法的過程是：在進行實驗時，首先將待測缸套-活塞曲柄連桿機構(gòu)安裝在支承鋼架上，曲柄軸與驅(qū)動電機的軸用彈性聯(lián)軸器相連。缸套和活塞之間用活塞底部的噴油嘴來噴油冷卻潤滑，多余的潤滑油(機油)滴到集液器里收集起來供再循環(huán)使用。待檢查所有零件連接牢固安裝無誤、冷卻液充滿冷卻溫控套筒后，啟動驅(qū)動電機，由曲柄連桿機構(gòu)帶動活塞在缸套內(nèi)做往復運動，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，開啟噴火嘴加熱活塞頂部，將活塞頂部溫度穩(wěn)定在活塞頂部目標溫度的1.1倍左右，此時開啟水泵18，使冷卻液在溫控套筒內(nèi)循環(huán)流動。

根據(jù)實驗需求不同，可改變活塞頂部傳熱涂層的分布狀態(tài)，從而控制頂部溫度分布，活塞頂部的溫度測量及采集采用手持式紅外測溫儀。缸套則通過上位機改變設定的缸套目標溫度，由上位機控制缸套溫度場縱向分布，單片機采集水溫傳感器21的溫度，并傳輸給上位機，由上位機顯示當前的溫度?；钊共客ㄟ^無線傳輸方式獲得活塞裙部溫度，活塞裙部的溫度測量方式為現(xiàn)有技術(shù)。通過機油泵和溫控油箱來控制活塞底部溫度分布。待各個溫度均穩(wěn)定后，通過拉壓傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)計算處理即可得到活塞與缸套間的摩擦力值。通過設定多種合理的缸套和活塞的溫度分布方案，測得每種方案相應的摩擦力數(shù)值，再配合理論分析，即可得到傳熱對摩擦功耗的影響。

所述活塞底部傳熱溫控子裝置，根據(jù)需求起到加熱或冷卻活塞底部的作用，多余的潤滑油(機油)滴到集液器里收集起來再送回溫控機油箱。對于無內(nèi)冷油腔的活塞和有內(nèi)冷油腔的活塞均適用。

本發(fā)明所述溫控套筒3的具體工作方式如圖3所示，溫控水箱15內(nèi)的冷卻液經(jīng)水泵18提供壓力，進入冷卻液電磁閥19，溫控套筒3內(nèi)水路共分為n層(n≥2，圖例中為3層)，每層內(nèi)冷卻液通過注水管20進入，再由出水管22流入散熱器17散熱后再回到溫控水箱15。每層冷卻液回路的溫度由水溫傳感器21測量后傳給單片機，單片機將測得水溫與目標水溫進行比較，并控制冷卻液電磁閥19的開閉和電加熱器16的加熱功率，從而獲得目標水溫，目標水溫的設定通過上位機來寫入。

實施例1

本實施例帶有熱管理的活塞摩擦力測試裝置，如圖1所示，包括從上到下依次為噴火嘴1、噴火嘴支承2、支承鋼架5和集液器9，支承鋼架5由外至內(nèi)依次是溫控套筒3、缸套12，缸套內(nèi)為活塞曲柄連桿機構(gòu)13，活塞曲柄連桿機構(gòu)13固定在支承鋼架5的軸承上，曲柄連桿機構(gòu)由驅(qū)動電機帶動，溫控套筒3與支承鋼架5之間用調(diào)節(jié)頂針4來固定。缸套12的底部用傳力夾環(huán)6夾緊，傳力夾環(huán)6包括四個傳力臂601，四個傳力臂與拉壓傳感器7用螺栓固連。拉壓傳感器7同時與支承鋼架5固連。

所述溫控套筒內(nèi)加工有三個環(huán)槽，缸套與環(huán)槽之間的間隙形成冷卻液回路，每個環(huán)槽都由兩個子環(huán)槽302組成，位于下部的子環(huán)槽是進水子環(huán)槽，位于上部的子環(huán)槽是出水子環(huán)槽，兩個子環(huán)槽之間的凸臺部分處與缸套的配合間隙約為1.2mm，同時兩個環(huán)槽之間的凸臺處與缸套的配合間隙為0.05mm；在溫控套筒的外壁上沿圓周方向均勻分布有四列管道接口301，每列上有6個管道接口，分成3組，相鄰兩個管道接口為一組，分別為進水管道接口和出水管道接口；進水子環(huán)槽通過進水管道接口與注水管20連接，在進水管道接口處均安裝有水溫傳感器21，出水子環(huán)槽通過出水管道接口與出水管22連接，每個出水管22經(jīng)散熱器17連接溫控水箱15的進水口；每個注水管20上均通過相應的支路管路與溫控水箱15的出水干路連接，每個支路管路上均安裝有冷卻液電磁閥19，溫控水箱15的出水干路上安裝水泵18；溫控水箱15內(nèi)安裝有電加熱器16；所述單片機與每個冷卻液電磁閥19、水溫傳感器21和電加熱器16連接，同時單片機還與上位機連接，用于接收缸套目標溫度指令并傳輸當前溫度數(shù)據(jù)；所述溫控水箱15上還設有冷卻液回液口14；

在第一個環(huán)槽和第二個環(huán)槽之間及第三個環(huán)槽的下端的溫控套筒上均設有滾珠槽303，滾珠槽303用于安放滾珠，滾珠起到平衡徑向力的作用。

盡管已經(jīng)示出和描述了本裝置的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本裝置的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本裝置的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。