专利名称：一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及润滑和传热试验系统，尤其涉及一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统。
背景技术：
随着能源危机的逐渐显现，对车辆动力性、经济性与紧凑性的要求不断提高。在乘用车领域，小排量带涡轮增压技术的车型是市场未来的主导。而在商用车领域，高速化、大功率化及增压中冷技术普及化是商用车发动机未来发展的主导。汽车发动机领域以上的发展趋势，一方面会促使发动机结构更加紧凑，单位功率 的重量和体积减小，但另一方面势必引起发动机热负荷增加。活塞环-气缸套这一摩擦副的传热是发动机缸内传热的主要途径，发动机热负荷的增加势必会提高其传热热流密度。若不能有效散热，会引起活塞温度过高乃至烧毁、燃烧恶化、润滑油结焦等一系列问题。因此，对其传热规律的研究具有重要意义。目前，学者们对于活塞环-气缸套这一摩擦副的研究主要集中在润滑及摩擦方面，可见大量关于有限元分析及试验研究方面的文章。而对于传热规律的研究相对较少，且主要为有限元分析，多将润滑油膜这一传热介质简单处理为一维导热热阻，未考虑其流动换热特性。活塞环-气缸套这一摩擦副的润滑与传热是一个耦合的过程，应协同分析。中国专利[201335766]公开的“缸套与活塞环摩擦磨损试验机”，中国专利[2066981]公开的“发动机缸套-活塞环悬浮整环式磨损模拟试验机”，中国专利[101158619]公开的“往复式活塞环一缸套摩擦磨损试验机”和中国专利[1789963]公开的“一种缸套活塞环零部件摩擦磨损试验方法和设备”，其技术领域都涉及活塞环与缸套这个摩擦副，但是它们都未涉及润滑油膜厚度的测量及传热方面的研究。
发明内容本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统。用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统包括试验系统机械平台、油膜厚度及温度模拟子系统、润滑油供给子系统以及数据采集和控制子系统。试验系统机械平台包括滑块安装支架、磨头、弹性联轴器、电机、磨头固定支架、电机固定支架和铸铁平板；铸铁平板上顺次设有滑块安装支架、磨头固定支架和电机固定支架；磨头固定支架上设有磨头；电机固定支架上设有电机；磨头、弹性联轴器和电机顺次相连；所述的油膜厚度及温度模拟子系统包括弹簧、滑块、飞轮、调整螺栓、力传感器、电加热棒、油膜、第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶、油膜厚度传感器上极板和油膜厚度传感器下极板；飞轮与磨头相连，飞轮上方设有滑块；飞轮与滑块之间设有油膜，在飞轮和滑块中心对称设有油膜厚度传感器上极板和油膜厚度传感器下极板，在飞轮和滑块中心的一侧对称分别设有第一热电偶和第二热电偶，在飞轮和滑块中心的另一侧对称分别设有第三热电偶和第四热电偶，滑块内设有加热器，滑块上方通过力传感器与弹簧一端相连，弹簧另一端通过调整螺栓与滑块安装支架相连。所述的油膜厚度及温度模拟子系统包括调整螺栓、弹簧、力传感器、滑块、电加热棒、热电偶、油膜厚度传感器和飞轮；飞轮与磨头相连，飞轮上方设有滑块；飞轮与滑块之间设有热电偶和油膜厚度传感器，用于测量油膜厚度及温度分布；滑块内设有加热器，用于给滑块加热，以模拟真实情况下的温度分布；滑块上方通过力传感器与弹簧一端相连，力传感器可以获得弹簧预紧力的量化值，便于后期分析；弹簧另一端通过调整螺栓与滑块安装支架相连，通过转动调整螺栓可调节弹簧的预紧力，用于控制油膜厚度。所述的润滑油供给子系统包括储油油箱、温度计、油冷器、回油油泵、回油过滤器、收集油箱、油加热器、供油过滤器、供油油泵、流量计、流量控制器和喷油嘴；储油油箱分别与温度计、油冷器和供油过滤器相连；储油油箱内安装油加热器；收集油箱、回油过滤器、回油油泵和油冷器顺次相连；供油过滤器、供油油泵、流量计、流量控制器和喷油嘴顺次相连；收集油箱设置在铸铁平板上，飞轮设置在收集油箱内；喷油嘴设置在滑块安装支架上。 所述的数据采集与控制子系统的内部模块连接关系为嵌入式实时控制器分别与通信模块、热电偶信号采集卡、电容信号采集卡、电压信号采集卡、继电器、变频控制器和上位机相连；通信模块分别与储油油箱温度传感器、油管流量传感器和力传感器相连；热电偶信号采集卡与热电偶相连；电容信号采集卡与油膜厚度传感器相连；电压信号采集卡与电机转速传感器相连；继电器分别与滑块电加热棒、储油油箱加热器和流量控制器旁通阀相连；变频控制器与电机相连。本实用新型与现有技术相比具有有益效果。I)本实用新型可以进行发动机中活塞环-气缸套这一摩擦副润滑及传热规律的模拟试验，也可用于其他摩擦副的润滑及传热规律的研究；2)本实用新型可控制飞轮转速、滑块温度、油膜厚度以及润滑油流量和温度这些试验参数；可监测并实时存储飞轮转速、滑块和飞轮温度、油膜厚度和温度以及润滑油流量和温度这些试验参数并对试验参数进行分析处理；3)本实用新型采用高精度电容式厚度传感器及表面热电偶，可对油膜厚度及表面温度进行快速精确测量。
图I是一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统试验台结构示意图；图2是本实用新型的滑块安装与传感器布置示意图；图3是本实用新型的润滑油供给子系统示意图；图4是本实用新型的数据采集与控制子系统示意图。
具体实施方式
如图I所示，用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统包括试验系统机械平台、油膜厚度及温度模拟子系统、润滑油供给子系统以及数据采集和控制子系统。试验系统机械平台包括滑块安装支架2、磨头7、弹性联轴器8、电机9、磨头固定支架10、电机固定支架11和铸铁平板12 ;铸铁平板12上顺次设有滑块安装支架2、磨头固定支架10和电机固定支架11 ;磨头固定支架10上设有磨头7 ;电机固定支架11上设有电机9 ;磨头7、弹性联轴器8和电机9顺次相连。如图2所示，所述的油膜厚度及温度模拟子系统包括弹簧4、滑块5、飞轮6、调整螺栓23、力传感器24、电加热棒25、油膜26、第一热电偶27a、第二热电偶27b、第三热电偶27c、第四热电偶27d、油膜厚度传感器上极板28a和油膜厚度传感器下极板28b ;飞轮6与磨头7相连，飞轮6上方设有滑块5 ;飞轮6与滑块5之间设有油膜26 ;在飞轮6和滑块5中心对称设有油膜厚度传感器上极板28a和油膜厚度传感器下极板28b，用于测量油膜厚度；在飞轮6和滑块5中心的一侧对称分别设有第一热电偶27a和第二热电偶27b，在飞轮
6和滑块5中心的另一侧对称分别设有第三热电偶27c和第四热电偶27d，用于测量油膜厚度及温度分布；滑块5内设有加热器25，用于给滑块5加热，以模拟真实情况下的温度分布；滑块5上方通过力传感器24与弹簧4 一端相连，力传感器24可以获得弹簧4预紧力的 量化值，便于后期分析；弹簧4另一端通过调整螺栓23与滑块安装支架2相连，通过转动调整螺栓23可调节弹簧4的预紧力，用于控制油膜厚度。如图3所示，所述的润滑油供给子系统包括储油油箱13、温度计14、油冷器15、回油油泵16、回油过滤器17、收集油箱3、油加热器18、供油过滤器19、供油油泵20、流量计21、流量控制器22和喷油嘴I ;储油油箱13分别与温度计14、油冷器15和供油过滤器19相连；储油油箱13内安装油加热器18 ;收集油箱3、回油过滤器17、回油油泵16和油冷器15顺次相连；供油过滤器19、供油油泵20、流量计21、流量控制器22和喷油嘴I顺次相连；收集油箱3设置在铸铁平板12上，飞轮6设置在收集油箱3内；喷油嘴I设置在滑块安装支架2上。如图4所示，所述的数据采集与控制子系统的内部模块连接关系为嵌入式实时控制器分别与通信模块、热电偶信号采集卡、电容信号采集卡、电压信号采集卡、继电器、变频控制器和上位机相连；通信模块分别与储油油箱温度传感器、油管流量传感器和力传感器相连；热电偶信号采集卡与热电偶相连；电容信号采集卡与油膜厚度传感器相连；电压信号采集卡与电机转速传感器相连；继电器分别与滑块电加热棒、储油油箱加热器和流量控制器旁通阀相连；变频控制器与电机相连。本实用新型的工作过程如下本实用新型模拟活塞环-气缸套这一摩擦副润滑及传热的过程，用于研究其润滑及传热规律。同时也可用于其他摩擦副润滑及传热规律的研究。试验时，以滑块和飞轮模拟活塞环和气缸套，润滑油供给子系统通过喷头向其接触面内喷入润滑油，以模拟缸套油膜。电机通过联轴器与磨头相连，磨头带动飞轮转动，实现滑块与飞轮之间的相对运动。飞轮外侧设置有收集油箱，防止润滑油飞溅污染试验场所，同时收集润滑油返回润滑油供给子系统。试验台底板采用铸铁工作平台，其表面平整度高、刚性好、残余应力小。磨头与电机的支架采用钢板焊接而成，各部件间采用螺栓直接连接，无垫片。以上措施保证了台架的整体刚度，防止台架的弹性变形影响油膜厚度的测量。同时，试验台采用机床用高精度磨头，其静压轴承的承载方式，有效减少了旋转时的跳动度，也提高了油膜厚度的测量精度。润滑油供给子系统采用闭式循环，安装有过滤器以保证润滑油可以重复使用，节约资源。同时，其安装有油加热器和油冷器，以实现油温精确控制。另外，还安装有流量控制器，以实现出油量精确控制。油温与油量的精确控制，用于模拟发动机不同工况下的润滑油状态。试验用电机采用变频控制，实现转速可控，以模拟发动机不同转速下活塞环与气缸套的相对运动。试验中以滑块内安装的电加热棒模拟发动机缸内热源，产生一个热流方向由滑块至飞轮的温度场。同时，加热棒加热功率可控，以模拟发动机不用负荷下活塞环-气缸套的传热情况。试验中，摩擦副表面采用表面热电偶，响应速度快。厚度传感器采用高精度电容式厚度传感器，可实时测量润滑油膜厚度。试验中，数据采集与仪器控制由嵌入式实时控制器完成。储油油箱温度信号、油管流量信号和弹簧预紧力信号经通信模块传至嵌入式实时控制器。热电偶信号、油膜厚度信 号和电机转速信号经相应的信号采集卡传输给嵌入式实时控制器。嵌入式实时控制器接收上诉信号后，由预先编制好的控制程序进行分析计算，并发送控制信号至滑块电加热棒、储油油箱加热器、流量控制器旁通阀和电机变频控制器，实现实时控制。上位机用于系统状态显示与数据存储，上位机与嵌入式实时控制器之间的关系是即使上位机关闭，实时控制器仍可正常工作。整个系统自动化程度高，系统稳定性好。
权利要求1.一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统，其特征在于包括试验系统机械平台、油膜厚度及温度模拟子系统、润滑油供给子系统以及数据采集和控制子系统；试验系统机械平台包括滑块安装支架(2)、磨头(7)、弹性联轴器(8)、电机(9)、磨头固定支架(10)、电机固定支架(11)和铸铁平板(12);铸铁平板(12)上顺次设有滑块安装支架(2)、磨头固定支架(10)和电机固定支架(11);磨头固定支架(10)上设有磨头(7);电机固定支架(11)上设有电机(9);磨头(7)、弹性联轴器(8)和电机(9)顺次相连；所述的油膜厚度及温度模拟子系统包括弹簧(4)、滑块(5)、飞轮(6)、调整螺栓(23)、力传感器(24)、电加热棒(25)、油膜(26)、第一热电偶(27a)、第二热电偶(27b)、第三热电偶(27c)、第四热电偶(27d)、油膜厚度传感器上极板(28a)和油膜厚度传感器下极板(28b);飞轮(6)与磨头(7)相连，飞轮(6)上方设有滑块(5);飞轮(6)与滑块(5)之间设有油膜(26)，在飞轮(6)和滑块(5)中心对称设有油膜厚度传感器上极板(28a)和油膜厚度传感器下极板(28b )，在飞轮(6 )和滑块(5)中心的一侧对称分别设有第一热电偶(27a)和第二热电偶(27b),在飞轮(6)和滑块(5)中心的另一侧对称分别设有第三热电偶(27c)和第四热电偶(27d)，滑块(5)内设有加热器(25)，滑块(5)上方通过力传感器(24)与弹簧(4) 一端相连，弹簧(4)另一端通过调整螺栓(23)与滑块安装支架(2)相连。·
2.根据权利要求I所述的一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统，其特征在于所述的润滑油供给子系统包括储油油箱(13)、温度计(14)、油冷器(15)、回油油泵(16)、回油过滤器(17)、收集油箱(3)、油加热器(18)、供油过滤器(19)、供油油泵(20)、流量计(21)、流量控制器(22 )和喷油嘴(I);储油油箱(13 )分别与温度计(14)、油冷器(15 )和供油过滤器(19)相连；储油油箱(13)内安装油加热器(18);收集油箱(3)、回油过滤器(17)、回油油泵(16)和油冷器(15)顺次相连；供油过滤器(19)、供油油泵(20)、流量计(21)、流量控制器(22)和喷油嘴(I)顺次相连；收集油箱(3)设置在铸铁平板(12)上，飞轮(6)设置在收集油箱(3)内；喷油嘴(I)设置在滑块安装支架(2)上。
3.根据权利要求I所述的一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统，其特征在于所述的数据采集与控制子系统的内部模块连接关系为嵌入式实时控制器分别与通信模块、热电偶信号采集卡、电容信号采集卡、电压信号采集卡、继电器、变频控制器和上位机相连；通信模块分别与储油油箱温度传感器、油管流量传感器和力传感器相连；热电偶信号采集卡与热电偶相连；电容信号采集卡与油膜厚度传感器相连；电压信号采集卡与电机转速传感器相连；继电器分别与滑块电加热棒、储油油箱加热器和流量控制器旁通阀相连；变频控制器与电机相连。
专利摘要本实用新型公开了一种用于高速摩擦副的薄膜润滑及传热试验系统。它包括试验系统机械平台、油膜厚度及温度模拟子系统、润滑油供给子系统以及数据采集和控制子系统。试验系统机械平台包括滑块安装支架、磨头、弹性联轴器、电机、磨头固定支架、电机固定支架和铸铁平板；铸铁平板上顺次设有滑块安装支架、磨头固定支架和电机固定支架；磨头固定支架上设有磨头；电机固定支架上设有电机；磨头、弹性联轴器和电机顺次相连。本实用新型可以进行发动机中活塞环-气缸套这一摩擦副润滑及传热规律的模拟试验，也可用于其他摩擦副的润滑及传热规律的研究；本实用新型采用高精度电容式厚度传感器及表面热电偶，可对油膜厚度及表面温度进行快速精确测量。
文档编号G01N25/18GK202501982SQ20122009147
公开日2012年10月24日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者俞小莉, 刘孝龙, 刘震涛, 叶晓, 夏平, 夏琪伟, 张宇, 徐文斐, 沈瑜铭, 邵颖慧, 黄瑞, 黄钰期, 黎宏苗 申请人:浙江大学