一种活塞环-缸套磨损试验装置及当量寿命预测方法与流程

1.本技术涉及内燃机测试技术领域，特别涉及一种活塞环-缸套磨损试验装置及当量寿命预测方法。


背景技术：

2.传统的摩擦学试验台架主要研究不同材料摩擦配副之间摩擦的性能，一般试验的样件采用切片的方法获取小样，诸如umt摩擦磨损试验机、srv摩擦磨损试验机等，这种类型的试验机可以测试材料在一定条件下的摩擦磨损性能。umt摩擦磨损试验机、srv摩擦磨损试验机这两种类型的试验机可以测试材料在一定条件下的摩擦磨损性能，但是发动机的活塞环—缸套磨损是在高温高压的环境下运动的，以上试验台无法模拟发动机的实际运动情况，同发动机系统实际的摩擦磨损有很大的差异，因此在实际应用中存在局限性。
3.活塞环-缸套是车用发动机的关键零部件和主要摩擦副之一，相关研究表明活塞环-缸套的摩擦功占发动机摩擦功耗40％以上，且随着高密度发动机的研发，缸内压力和燃烧室温度进一步提高，导致活塞环-缸套油膜建立更为困难，恶劣的工作环境使得活塞环-缸套易发生磨损，导致曲轴箱漏气量增加，严重时可引发恶性事故。
4.相关技术中，市场上对发动机寿命的要求以及达到100万km以上，而各大发动机厂商和相关标准只有发动机1000小时可靠性，1000小时热冲击以及1000小时锯齿试验的标准，没有对当量里程进行规定，可靠性差，整体试验成本高，费时费力。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种活塞环-缸套磨损试验装置及当量寿命预测方法，以解决相关技术中在对活塞环-缸套的磨损进行试验时没有对当量里程进行规定，可靠性差，整体试验成本高，费时费力的问题。
6.第一方面，提供了一种活塞环-缸套磨损试验装置，其包括：
7.缸体，其内设有缸套和驱动组件，所述驱动组件顶部设有滑设于所述缸套内的活塞；
8.多组具有不同刚度系数的弹性件，多组所述弹性件择一可拆卸地设于所述活塞的上方；
9.至少一润滑油管路，其中一所述润滑油管路内混有磨粒，以增加所述活塞和缸套之间的摩擦系数；其中，
10.所述驱动组件用于驱动所述活塞相对所述缸套上下滑动，所述弹性件用于在所述活塞的驱动下压缩，以增加所述活塞和缸套之间的摩擦力。
11.一些实施例中，所述活塞环-缸套磨损试验装置包括多组具有不同发热功率的发热组件，多组所述发热组件择一可拆卸地套设于所述缸套上；
12.每一所述发热组件均包括至少两段电阻值均不相同的电阻丝，且位于上方的所述电阻丝的电阻值大于位于下方的所述电阻丝的电阻值。
13.一些实施例中，所述缸体的顶部设有缸盖，所述缸盖的顶部内壁设有所述弹性件，所述缸盖与缸体之间设有多个摩擦力传感器，多个所述摩擦力传感器可以用于调节所述缸盖的水平度，还用于监测所述活塞和缸套包括收容腔，所述收容腔内从上至下设有所述缸套和驱动组件；
14.润滑油管路的数量有两条，其中一所述润滑油管路的一端与所述收容腔的底部连通，另一端与所述收容腔的顶部连通，且该润滑油管路上设有储油箱，所述储油箱的出口与收容腔之间设有填充有所述磨粒的混合箱，所述储油箱的入口与收容腔之间设有过滤件，剩余所述润滑油管路的一端与位于所述储油箱下游的管段连通，另一端与所述收容腔连通。
15.一些实施例中，所述驱动组件包括曲轴、连杆和电机；
16.所述曲轴的一端与所述连杆相连，所述连杆的另一端与所述活塞相连，所述电机和曲轴之间设有减速齿轮，所述电机与减速齿轮共同用于驱动所述曲轴运动。
17.第二方面，提供了一种活塞环-缸套磨损当量寿命预测方法，其用于利用上述的活塞环-缸套磨损试验装置实施，其步骤包括：
18.分别获取车辆在预设类型道路下处于不同工况时的运行参数，根据所述车辆在不同工况下的运行参数，计算所述车辆处于不同工况时的活塞环-缸套的边界条件；
19.根据不同工况下的活塞环-缸套的边界条件分别确定对应刚度系数的弹性件，并往润滑活塞和缸套的润滑油中增加磨粒后，分别在不同工况下进行活塞环-缸套磨损试验，以得到活塞环-缸套当量寿命预测函数；
20.根据所述车辆在不同工况下的运行参数，获取所述车辆在所述预设类型道路下的当量里程，根据所述当量里程和活塞环-缸套当量寿命预测函数计算所述车辆在所述预设类型道路下的活塞环的剩余当量寿命。
21.一些实施例中，所述分别在不同工况下进行活塞环-缸套磨损试验，以得到活塞环-缸套当量寿命预测函数，包括：
22.在不同工况下分别进行活塞环-缸套磨损试验，分别获取不同工况下活塞环-缸套的磨损量达到预设磨损量所需要的时间；
23.根据所述时间得到不同工况下的活塞环-缸套当量寿命曲线，对不同工况下的所述活塞环-缸套当量寿命曲线进行归一化处理，得到所述活塞环-缸套当量寿命预测函数。
24.一些实施例中，所述根据所述车辆在不同工况下的运行参数，获取所述车辆在所述预设类型道路下的当量里程，包括：
25.根据所述车辆在不同工况下的运行参数，分别得到所述车辆在所述预设类型道路下处于不同工况时的当前里程；
26.根据不同工况下的活塞环-缸套当量寿命曲线，分别计算得到不同工况下的加速因子；
27.根据处于不同工况时的所述当前里程和加速因子，计算得到所述车辆在所述预设类型道路下的当量里程。
28.一些实施例中，所述运行参数包括电机的转速、发动机负荷、热力参数和当前里程；
29.利用雨落计数的方法计算得到所述当前里程。
30.一些实施例中，所述边界条件包括活塞环-缸套的摩擦力、温度梯度和移动速度。
31.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
32.本技术实施例提供了一种活塞环-缸套磨损试验装置，由于缸体内设有缸套和驱动组件，驱动组件顶部设有滑设于缸套内的活塞，多组弹性件择一可拆卸地设于活塞的上方，且其中一润滑油管路内混有磨粒，以增加活塞和缸套之间的摩擦系数，使得驱动组件用于驱动活塞相对缸套上下滑动，且弹性件用于在活塞的驱动下压缩，以增加活塞和缸套之间的摩擦力，因此，本活塞环-缸套磨损试验装置可以根据道路类型和所处的具体工况选取合适的弹性件，以模拟发动机爆发压力对活塞的影响，尽可能还原真实场景，提高准确性和可靠度，另外，活塞和缸套之间的摩擦系数增加后，也缩短了试验时间，节约开发成本。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
34.图1为本技术实施例提供的活塞环-缸套磨损试验装置的结构示意图；
35.图2为本技术实施例提供的活塞环-缸套磨损试验装置的弹性件施加作用力与发动机实际气体作用力的对比示意图；
36.图3为本技术实施例提供的活塞环-缸套磨损当量寿命预测方法的流程图；
37.图4为本技术实施例提供的活塞环-缸套磨损当量寿命预测方法的得到活塞环-缸套当量寿命预测函数的流程图。
38.图中：1-缸体，10-缸套，11-驱动组件，110-曲轴，111-连杆，112-电机，113-减速齿轮，12-活塞，120-活塞环，13-收容腔，2-弹性件，3-润滑油管路，30-储油箱，31-混合箱，32-过滤件，4-电阻丝，5-缸盖，6-摩擦力传感器，7-支架，8-滑动轴承，9-光电编码器。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.本技术实施例提供了一种活塞环-缸套磨损试验装置，其能解决相关技术中在对活塞环-缸套的磨损进行试验时没有对当量里程进行规定，可靠性差，整体试验成本高，费时费力的问题。
41.参见图1所示，本活塞环-缸套磨损试验装置包括缸体1、多组具有不同刚度系数的弹性件2和至少一润滑油管路3，其中，缸体1内设有缸套10和驱动组件11，所述驱动组件11顶部设有滑设于所述缸套10内的活塞12，所述驱动组件11用于驱动所述活塞12相对所述缸套10沿所述缸套10的内壁上下滑动，以模拟真实发动机的活塞运动情况；考虑到爆发压力的时刻为所述活塞12磨损的主要时刻，因此，所述弹性件2用于模拟发动机爆发压力对活塞12的影响，参见图2所示，图2为采用弹性件2模拟时的作用力与发动机实际缸压的作用力的
对比图，其中，横坐标的曲柄转角即为曲轴110的转角，因为曲轴110属于曲柄连杆机构的一部分结构，所述弹性件2的数量有多组，分别对应在预设类型道路下处于不同工况时的情况，根据实际的试验情况，多组所述弹性件2择一可拆卸地设于所述活塞12的上方，所述弹性件2用于在所述活塞12的驱动下压缩，向所述活塞12提供一与所述活塞12运动方向相反的力，以增加所述活塞12和缸套10之间的摩擦力，这里，所述弹性件2优选为弹簧；所述润滑油管路3的数量至少有一条，其中一条所述润滑油管路3内混有磨粒，以用于增加所述活塞12和缸套10之间的摩擦系数，从而缩短试验时长，节约开发的成本。本活塞环-缸套磨损试验装置可以根据道路类型和所处的具体工况选取合适的弹性件2，以模拟发动机爆发压力对活塞12的影响，尽可能还原真实场景，提高准确性和可靠度，另外，所述活塞12和缸套10之间的摩擦系数增加后，也缩短了试验时间，节约开发成本。
42.进一步的，所述活塞环-缸套磨损试验装置包括多组具有不同发热功率的发热组件，多组所述发热组件择一可拆卸地套设于所述缸套10上，每一所述发热组件均包括至少两段电阻值均不相同的电阻丝4，且位于上方的所述电阻丝4的电阻值大于位于下方的所述电阻丝4的电阻值。
43.具体的，由于发动机在正常运行的过程中会产生高温，为了更加真实的还原实际的运行环境，因此，在所述缸套10上设有所述发热组件，所述发热组件用于给所述缸套10加热，且所述发热组件的数量有多组，以用于模拟不同工况下的不同温度条件；另外，由于在所述缸套10内部温度不是均匀分布，一般所述缸套10内上半部的温度大于所述缸套10下半部的温度，因此，所述发热组件均包括至少两段电阻值均不相同的电阻丝4，且位于上方的所述电阻丝4的电阻值大于位于下方的所述电阻丝4的电阻值，使得位于上方的所述电阻丝4的发热功率大于位于下方的所述电阻丝4的发热功率。
44.进一步的，所述缸体1的顶部还可以设有缸盖5，所述缸盖5的顶部内壁设有所述弹性件2，所述缸盖5与缸体1之间设有多个摩擦力传感器6，多个所述摩擦力传感器6可以用于调节所述缸盖5的水平度，还用于监测所述活塞12和缸套10之间的摩擦力。
45.具体的，所述弹性件2设于所述活塞12和所述缸盖5之间，从结构设计的角度出发，优选的，所述弹性件2固定设于所述缸盖5的内壁上，当所述活塞12在所述驱动组件11的驱动下沿竖直方向移动至与所述弹性件2接触后，随着所述活塞12继续移动，所述弹性件2开始被压缩，以模拟空气被压缩逐渐加压的过程，而当所述活塞12需要复位时，所述弹性件2施加在所述活塞12上的回复力则等同于发动机爆发压力时的情况；所述缸盖5与缸体1之间还可以设置多个摩擦力传感器6，所述活塞12在沿所述缸套10上下滑动时，会与所述摩擦力传感器6接触，由此监测所述活塞12沿所述缸套10滑动时的摩擦力大小，另外，所述摩擦力传感器6还起到支撑所述缸盖5的作用，调节所述缸盖5、所述活塞12和所述缸体1之间的平行度，以保证所述活塞12可以在所述缸套10内顺利滑行。其中，所述活塞12外壁套设有活塞环120，在所述活塞12上下滑动摩擦的过程中，与所述缸套10和所述摩擦力传感器6接触的结构为所述活塞环120，且在磨损量的时候，测量的也是所述活塞环120和缸套10沿厚度方向的总磨损量。
46.进一步的，所述缸体1可以包括收容腔13，所述收容腔13内从上至下设有所述缸套10和驱动组件11，为了保证所述活塞12相对所述缸套10顺利滑动，因此，本活塞环-缸套磨损试验装置还设置有至少一润滑油管路3，从结构设计的角度出发，所述润滑油管路3的数
量有两条，其中一所述润滑油管路3的一端与所述收容腔13的底部连通，另一端与所述收容腔13的顶部连通，且该润滑油管路3上设有储油箱30，所述储油箱30的出口与收容腔13之间设有填充有所述磨粒的混合箱31，所述储油箱30的入口与收容腔13之间设有过滤件32，剩余所述润滑油管路3的一端与位于所述储油箱30下游的管段连通，另一端与收容腔13连通。
47.具体的，其中一所述润滑油管路3主要用于润滑所述活塞12，另一条所述润滑油管路3则主要用于润滑所述驱动组件11，用于润滑所述活塞12的所述润滑油管路3上设有混合箱31，当润滑油在进入所述收纳腔的顶部之前，会先进入至所述混合箱31内，再次流出时，润滑油中会混有磨粒，所述磨粒随着润滑油进入至所述收纳腔内，增加所述活塞12与所述缸套10之间的摩擦系数，从而增加摩擦力，以加速磨损，缩短试验时长，节约开发成本；剩余一所述润滑油管路3则主要用于润滑所述驱动组件11，保证所述驱动组件11的顺利运行，所述过滤件32用于将所有的润滑油收集后进行过滤，过滤后的润滑油再次回到所述储油箱30，构成良性循环。
48.进一步的，所述驱动组件11可以包括曲轴110、连杆111和电机112，其中，所述曲轴110与缸体1之间设有滑动轴承8，所述曲轴110的一端与所述连杆111相连，且所述曲轴110与连杆111之间也设有滑动轴承8，所述连杆111的另一端与所述活塞12相连，所述电机112和曲轴110之间设有减速齿轮113，所述电机112与减速齿轮113共同用于驱动所述曲轴110运动，所述减速齿轮113的设置提高了本活塞环-缸套磨损试验装置的通用性，大大增加了试验允许的工况范围。
49.进一步的，本活塞环-缸套磨损试验装置还包括支架7，所述支架7主要用于支撑所述缸套10和所述电阻丝4，保证所述缸套10和所述电阻丝4与所述缸体1之间的连接稳定性。另外，本活塞环-缸套磨损试验装置还包括光电编码器9，所述光电编码器9用于监测所述连杆111的转速信号，一方面便于调节转速，另一方面将所述连杆111的往复运动的速度转为旋转角速度，便于比较不同所述连杆111的活塞环120的当量寿命。
50.本技术还提供了一种活塞环-缸套磨损当量寿命预测方法，参见图3所示，其用于利用上述的活塞环-缸套磨损试验装置实施，其步骤包括：首先分别获取车辆在预设类型道路下处于不同工况时的运行参数，根据所述车辆在不同工况下的运行参数，计算所述车辆处于不同工况时的活塞环-缸套的边界条件；随后根据不同工况下的活塞环-缸套的边界条件分别确定对应刚度系数的弹性件2，并往润滑活塞和缸套10的润滑油中增加磨粒后，分别在不同工况下进行活塞环-缸套磨损试验，以得到活塞环-缸套当量寿命预测函数；最后根据所述车辆在不同工况下的运行参数，获取所述车辆在所述预设类型道路下的当量里程，根据所述当量里程和活塞环-缸套当量寿命预测函数计算所述车辆在所述预设类型道路下的活塞环的剩余当量寿命。本活塞环-缸套磨损当量寿命预测方法结合道路的类型和不同工况确定活塞环-缸套的边界条件，并选择对应刚度系数的弹性件2，模拟发动机爆发压力对所述活塞12的影响，充分还原了发动机运行时的真实场景，往润滑活塞12和缸套10的润滑油中增加磨粒，加速了活塞12和缸套10之间的磨损，缩减了试验时长，节约了开发成本。
51.进一步的，参见图4所示，所述分别在不同工况下进行活塞环-缸套磨损试验，以得到活塞环-缸套当量寿命预测函数，其步骤具体包括：首先在不同工况下分别进行活塞环-缸套磨损试验，以分别获取不同工况下活塞环-缸套的磨损量达到预设磨损量所需要的时间，这里，活塞的外壁上套设有活塞环120，所述活塞12在沿所述缸套10内部上下滑动时，实
际上是所述活塞环120与缸套10之间在反复摩擦，因此，在磨损试验进行一段时间后，会监测所述活塞环120和缸套10的磨损量，要是两者的磨损量之和达到了预设磨损量，则说明剩余寿命为0，不能再继续使用，此时记录达到所述预设磨损量所需要的时间，根据所述时间基于威布尔分布得到不同工况下的活塞环-缸套当量寿命曲线，随后对不同工况下的所述活塞环-缸套当命曲线进行归一化处理，得到所述活塞环-缸套当量寿命预测函数。
52.进一步的，所述根据所述车辆在不同工况下的运行参数，获取所述车辆在所述预设类型道路下的当量里程，其步骤具体包括：首先根据所述车辆在不同工况下的运行参数，分别得到所述车辆在所述预设类型道路下处于不同工况时的当前里程，再根据不同工况下的活塞环-缸套当量寿命曲线，分别计算得到不同工况下的加速因子，最后根据处于不同工况时的所述当前里程和加速因子，计算得到所述车辆在所述预设类型道路下的当量里程。
53.具体的，根据时间与速度之间的关系，所述活塞环-缸套当量寿命预测函数的计算公式如下：
[0054][0055]
在上述公式(1)中，m为形状参数，η为尺度参数，s为未知数，其表示里程。
[0056]
所述加速因子的计算公式如下：
[0057][0058]
在上述公式(2)中，a为2种不同工况下的m与η的比值，b为m-1，c为2种不同工况下的t
m-1
与η的比值。
[0059]
预设类型道路下的当量里程的计算公式为：
[0060]s′
＝s1×
k(1)+s2×
k(2)+s3×
k(3)+s4×
k(4)+s5×
k(5)
ꢀꢀ
公式(3)
[0061]
在上述公式(3)中，s
′
为预设类型道路下的当量里程，s
1-s5分别为不同工况下的当前里程，这里以五种工况的情形举例，k(1)-k(5)分别为对应工况下的加速因子，也即当量系数，其中，k(1)等于1。计算出当量里程s
′
后，将其代入所述活塞环-缸套当量寿命预测函数，即得到该类型道路下的活塞环的剩余当量寿命。
[0062]
进一步的，所述运行参数包括电机的转速、发动机负荷、热力参数和当前里程，利用雨落计数的方法计算得到所述当前里程。
[0063]
进一步的，所述边界条件包括活塞环-缸套的摩擦力、温度梯度和移动速度。
[0064]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0065]
需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将
一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0066]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。