往复机械活塞环摩擦磨损试验装置的制作方法

本实用新型涉及发动机的性能测试装置的结构设计技术领域，尤指一种往复机械活塞环摩擦磨损试验装置。

背景技术：

斯特林发动机是一种外部供热(或燃烧)的活塞式发动机，它以气体作为工质，按闭式回热循环的方式进行工作，主要由外部供热(燃烧)系统、工作循环系统(热能-机械能转换系统)、传动系统(机械能输出系统)、辅助系统及监控系统组成。

其中，活塞环摩擦磨损是影响斯特林发动机性能和可靠性的关键技术之一。斯特林发动机的缸套-活塞环摩擦副属于无油润滑，在工质气体(一般是氢气或氦气)氛围下，活塞环依靠工质气体交变压力贴紧缸套(产生密封作用)，并在传动机构的作用下按一定规律运动。因此，斯特林发动机中的缸套-活塞环摩擦副与其他类型的原动机存在较大区别，一般摩擦磨损试验台不能模拟斯特林发动机活塞环的工作条件，例如工质环境、交变压力和交变速度等，也就无法测试出斯特林发动机中活塞环的摩擦磨损状况。

因此，本申请人致力于提供一种往复机械活塞环摩擦磨损试验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，其能够测量斯特林发动机的缸套-活塞环的摩擦耗功及磨损率，从而测试出斯特林活塞环在工况下的摩擦磨损性能，具有测量精度高、可以模拟多种工况等特点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，包括机架、驱动装置、监控装置，还包括：单缸机，包括飞轮、与所述飞轮连接的曲轴、与所述曲轴连接的连杆活塞杆组件、与所述连杆活塞杆组件连接的活塞、安装在所述活塞的外周壁上的活塞环、用于安装所述活塞的缸套，以及设置在所述缸套外部的水套，所述活塞环与所述缸套的内壁组成缸套-活塞环摩擦副，所述缸套与水套之间具有空腔，所述空腔用于冷却介质流通；工质系统，与所述单缸机连接，用于向所述单缸机的缸套中提供所需压力的工质气体。

优选地，上述的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，所述的监控装置与所述单缸机、工质系统、冷却系统及驱动装置连接，用于对试验装置进行驱动、控制和参数测量，包括：冷却介质检测仪，与所述缸套与水套之间的空腔连接，用于监测冷却介质的温度和流量；压力传感器，与所述缸套的内腔连接，用于监测所述缸套内的气体压力；测功仪，与所述驱动装置连接，串联在电机和单缸机之间，用于测量所述驱动装置的输出功。

优选地，上述的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，所述单缸机的缸套上设有孔道，且所述孔道与所述活塞的中间腔连通，所述孔道还与所述压力传感器连接，所述压力传感器用于监测所述活塞的中间腔内的气体压力。

优选地，上述的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，所述缸套内的所述缸套-活塞环摩擦副的上、下腔的死容积之比为工作压比，所述工作压比为所述缸套的上、下腔中的最大工作压力与最小工作压力的比值。

优选地，上述的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，所述驱动装置包括电机、联轴器及变频器，所述联轴器的两端分别与所述电机的输出端和所述单缸机中的飞轮连接，所述变频器与所述电机连接。

优选地，上述的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，还包括机架，所述机架用于安装所述单缸机、工质系统、驱动装置及监控装置；减震器，与所述机架连接，用于减少所述机架的振动。

优选地，上述的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，还包括报警装置，与所述监控装置连接，用于在所述监控装置获取到工作参数出现异常时发出报警信息。

本实用新型的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置可以实现以下至少一种有益效果。

1、本实用新型的试验装置通过驱动装置驱动单缸机运转，再通过工质系统向单缸机中充放工质气体，从而模拟出单缸机中缸套-活塞环摩擦副的实际工作条件(包括工质环境、交变压力、交变速度等)，单缸机在运行时，缸套和水套之间的空腔中有冷却介质通过，冷却介质对缸套进行降温，在单缸机运行的过程中，监控装置分别获取单缸机、工质系统及驱动装置的工作参数，通过这些工作参数可以计算得出缸套-活塞环摩擦副的摩擦耗功，同时，结合测量得到的活塞环磨损量就能够评价出缸套-活塞环摩擦副的磨损性能。

2、本实用新型的试验装置中的监控装置通过冷却介质检测仪监测缸套与水套之间的冷却介质，并获取其温度和流量，通过压力传感器获取缸套内气体的压力，通过测功仪测量驱动装置的输出功，通过这些参数可以精确计算出缸套-活塞环摩擦副的摩擦耗功。

3、本实用新型的试验装置通过在单缸机的缸套上设置与活塞的中间腔连通的孔道，再通过压力传感器测量来测量孔道内的气体压力，也就是活塞中间腔的气体压力，通过这个参数还可以得到活塞环处的气体泄漏量，再结合其他的工作参数，就可以更为精确地计算出缸套-活塞环摩擦副的摩擦耗功。

4、本实用新型的试验装置中缸套的上、下腔的死容积之比一定，且为单缸机在运行时缸套的上、下腔中最大工作压力和最小工作压力的比值，这样设置可以精确地模拟出斯特林发动机中摩擦环所承受的气体压力，使单缸机的运行更接近于模拟斯特林发动机的运行，从而使试验结果更为准确。

5、本实用新型的试验装置通过设置润滑装置，从而使曲轴和活塞杆连接组件可以平稳运行，有效保证了一定的传动效率，进而保证试验的顺利进行。

6、本实用新型的试验装置通过在电机和单缸机之间设置联轴器使电机可以带动单缸机平稳运行，并且联轴器还可以起到缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用，通过设置变频器可以有效调节电机的输出，进一步有效控制单缸机的运行速度。

7、本实用新型的试验装置将通过机架安装驱动装置、工质系统、单缸机及监控装置，并将机架安装在一减震器上，减震器可以有效缓冲各组成部分在运行时产生的振动，从而保证了监控装置获取到的工作参数的准确性。

8、本实用新型的试验装置通过一控制系统控制各组成部分的运行，这样设置可以提高试验的精确度及效率。

9、本实用新型的试验装置通过报警装置在各组成部分的工作参数出现异常时发出报警信号，这样设置提高了试验装置的安全性能。

10、本实用新型的试验装置通过设置显示器来显示监控装置获取到的工作参数，从而使操作人员可以快速直观地了解到试验的运行情况。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1是本实用新型的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置的一种具体实施例的结构示意图；

图2是图1中所示的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置的单缸机的结构示意图。

附图标号说明：

10单缸机，11飞轮，12曲轴箱，13水套，14缸套，15活塞，16活塞环，17活塞杆，20工质系统，30联轴器，40测功仪，50电机，60机架。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1和图2所示，本具体实施例公开了一种往复机械活塞环摩擦磨损试验装置，包括：单缸机10、电机50、联轴器30、测功仪40、工质系统20、冷却系统和监控装置，电机50与单缸机10之间串联测功仪40，并用联轴器30连接。监控装置，与单缸机10、工质系统20、测功仪40及电机50连接，用于对所述设备进行驱动、控制和参数测量。工质系统20，与单缸机10连接，用于向单缸机10提供工质气体，模拟不同气缸压力的运行工况。冷却系统用于对单缸机10提供冷却水并进行冷却。

单缸机10为往复运动活塞式，包括飞轮11、曲轴、连杆、活塞杆17、缸套14、活塞15，以及设置在缸套14外部的水套13，待试验的活塞环16安装在活塞15的外周壁上，活塞环16与缸套14的内壁组成缸套-活塞环摩擦副，缸套14与水套13之间具有空腔，空腔用于冷却介质流通，本实施例中冷却介质采用冷却水。

本实施例中的单缸机由单缸柴油机或往复活塞式压缩机改制而成，其中曲轴和活塞杆连接组件的传动形式以及缸套-活塞环摩擦副与斯特林发动机类似；具体的，单缸机中的活塞杆连接组件通过十字头销与曲轴连接；另外，单缸机还包括一曲轴箱12，缸套14、水套13及曲轴等部件均设置在曲轴箱12上。

具体的，监控装置包括：冷却介质检测仪，冷却介质检测仪与缸套14与水套13之间的空腔连接，用于获取冷却介质的温度和流量；压力传感器(图中未示出)，与缸套14的内腔连接，用于监测缸套14内的气体压力，具体监测缸套内缸套-活塞环摩擦副的上、下腔的气体压力；测功仪40，与驱动装置连接，串联在电机和单缸机之间，用于测量驱动装置的输出功。

具体的，单缸机10的缸套14上设有孔道，且孔道与活塞15的中间腔连通，孔道还与压力传感器连接，压力传感器用于监测活塞15中间腔内的气体压力，这样设置可以得到活塞的中间腔的气体压力参数及活塞环的泄漏量参数，结合这两个参数可以得到更为精确的试验结果。

具体的，缸套14内的缸套-活塞环摩擦副的上、下腔的死容积之比为工作压比，工作压比为缸套14的上、下腔中的最大工作压力与最小工作压力的比值。上、下腔的死容积是指缸套-活塞环摩擦副在缸套内向上运动和向下运动时不能达到的部分的容积，也就是缸套内的缸套-活塞环摩擦副运行行程的最高点以上的容积及最低点以下的容积。需要说明的是，在活塞的运行过程中，缸套中缸套-活塞环摩擦副的上、下腔的最大工作压力相近，上、下腔的最小工作压力也相近。

具体的，往复机械活塞环摩擦磨损试验装置还包括润滑装置(图中未示出)，润滑装置与单缸机连接，用于润滑单缸机中的曲轴及连杆活塞杆组件，从而保证曲轴及连杆活塞杆组件可以顺利带动活塞运动。

具体的，驱动装置包括电机50、联轴器30及变频器(图中未示出)，联轴器30的两端分别与电机50的输出端和单缸机10的飞轮11连接，变频器与电机50连接，变频器可以调节飞轮的转速，模拟不同的运行工况。

具体的，往复机械活塞环摩擦磨损试验装置还包括：机架50，机架50用于安装单缸机10、工质系统20、驱动装置及监控装置；减震器(图中未示出)，减震器与机架50连接，用于减少机架50的振动。这样设置可以使单缸机10、工质系统20、驱动装置及监控装置平稳运行。

具体的，往复机械活塞环摩擦磨损试验装置还包括控制系统(图中未示出)，控制系统分别与单缸机10、工质系统20、驱动装置及监控装置连接，用于分别控制单缸机10、工质系统20、驱动装置及监控装置的运行。

具体的，往复机械活塞环摩擦磨损试验装置还包括报警装置(图中未示出)，报警装置与监控装置连接，用于在监控装置获取到单缸机10、工质系统20及驱动装置的异常工作参数时发出报警信息。

具体的，往复机械活塞环摩擦磨损试验装置还包括显示器(图中未示出)，显示器与监控装置连接，用于显示监控装置获取到的所有工作参数。

当然了，在其他具体实施例中，本实用新型的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置中监控装置的组成还可以根据需要监测的试验参数的变化进行调整；缸套内上、下腔的死容积之比还可以按照其他规律进行设置；驱动装置中的联轴器和变频器均可以选择性设置；机架和减震器也可以选择性设置；此外，本实用新型的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置中的控制系统、报警装置和显示器均可以根据需要选择性设置，此处不再赘述。

示例性的，如图1和图2所示，本实用新型的往复机械活塞环摩擦磨损试验装置的实施例的具体应用情况如下：

1、控制系统控制电机50启动，电机50通过联轴器30带动单缸机10的飞轮11；

2、飞轮11带动曲轴12运动，曲轴12进一步带动活塞杆连接组件13运动；

3、活塞杆连接组件13带动活塞15在缸套14中运动；

4、活塞15在缸套14中运动时，工质系统20向缸套14中输入工质气体，在工质气体(氢气或氦气)氛围下，活塞环16依靠工质气体的交变压力贴紧缸套14，从而产生密封作用；

5、活塞15在缸套14中运动时，冷却水在缸套14和水套13之间的空腔内流动，对缸套14进行冷却；

6、活塞15在缸套14中运动时，冷却介质检测仪41获取冷却介质的温度和流量参数，压力传感器获取缸套14内缸套-活塞环摩擦副的上、下腔气体压力参数及活塞15的空腔内的压力参数；测功仪40获取驱动装置的输出功参数；

7、将活塞15取出，使活塞杆连接组件13处于空载状态并在曲轴12的带动下运行，从而测得单缸机的传动耗功；

8、测量活塞环16的磨损量；

9、根据冷却介质的温度和流量、工质气体的输入量(由工质系统提供)、缸套内的空气压力(上、下腔及活塞中间腔的气体压力)、驱动装置的输出功、传动耗功及活塞环的磨损量等参数计算得出缸套-活塞环摩擦副的摩擦耗功，进一步评价缸套-活塞环摩擦副的磨损性能。

在试验过程中，减震器可以有效避免机架的振动，从而有效缓冲了各组成装置的振动，保证各组成装置的运行不受到振动的影响，保证了其工作参数的精确度；润滑装置对曲轴和连杆活塞杆组件进行润滑，保证了一定的传动效率；报警装置在监控装置监测到各组成装置的工作参数发生异常时，发出报警信息，使试验人员可以及时停机进行调整；显示器则便于试验人员直观地了解到试验情况。

本试验装置采用单缸机、工质系统等模拟斯特林发动机中的往复机械缸套-活塞环的工作条件，其能够按照需要调节活塞环的受力和速度，从而测量得出活塞环的摩擦耗功和磨损率，具有安全可靠、可重复性好及可进行耐久试验等特点，能够满足往复机械活塞环摩擦磨损性能的研究测试要求。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。