车用柴油机缸套活塞磨损试验台设计

2023-12-20郭展宏张佳佳王旭峰张有强

机床与液压 2023年23期

郭展宏，张佳佳，王旭峰，张有强

(1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300)

0 前言

新疆地处西北，空气干燥，降水量少，尤其是南疆地区紧邻塔克拉玛干沙漠，昼夜温差大，沙尘天气频繁，而该地区由于独特的地理位置非常适合优质棉种的种植。根据国家统计局新疆调查总队的数据显示：2021年新疆棉花种植面积占全国棉花种植面积的82.76%，产能约占全国九成，2022年棉花耕种收综合机械化水平达94.49%。在秋收季节，采棉机、大型拖拉机等动力机械集中作业，高温沙尘等环境条件下，发动机散热困难，缸套活塞环作为内燃机重要的摩擦副，其摩擦学特性影响发动机的可靠性，降低发动机的使用寿命。

国内外专家学者针对气缸磨损做了很多研究工作。KUMAR等[1]提出的测量程序可用于在发动机试验前后测量气缸孔径，从而估计发动机的平均磨损深度。国内也提出了几种较为具体的样品试验模型，但该模型只针对温度、材质对缸套活塞磨损的影响，不能很好地模拟风沙环境下的磨损状况。还有一些实车试验，能够达到实际环境要求，但周期长、成本高[2-4]。因此，有必要设计台架试验机来模拟风沙严重地区的发动机工作情况，探究其磨损规律，提升发动机工作的可靠性，为发动机的绿色环保设计提供试验支撑。

1 试验机的结构方案

1.1 试验平台结构概述

柴油机缸套-活塞磨损试验机的结构如图1所示，主要包括底板、风沙吹入机构、风沙输入管、发动机驱动机构、风沙输出管、空气滤清器、电机、控制主机等装置[5]。

图1 发动机摩擦磨损试验台

1.2 样品采集分析

风沙环境模拟实现。实地调研发现，大多数动力机械的发动机进气口在1.5 m左右。因而在风沙天气下使用梯度测量仪收集1.5 m左右处一定量风沙，采用便携式粒度测量仪器得到距离发动机进气口100、120、130、150 cm的风沙平均粒径分布情况如图2所示。可知：1.5 m处风沙平均粒径20～50 μm的占比最大。

图2 风沙粒径分布特征

试验前到兵团第一师阿拉尔市十二团棉田当中收集地表沙尘[6]，采集的沙土中含有较多的大颗粒石子等较硬的物质。首先，对采样的沙土使用振动筛进行过滤，振动筛由三层滤网组成，每一层的滤网网眼直径都在减小，当开启振动筛时，振动筛两侧的振动电机产生激震力，由于整个主要的振动筛框架都建立在底部的4个弹簧上，当振动电机振动时，也带动整个框架振动，采集的沙土产生了上下运动，实现了过滤。最终选择占比较大的20～50 μm的沙尘粒径，放入模拟试验箱当中。

2 试验机的核心组件

2.1 风沙输送装置

风沙输送结构如图3所示。风沙吹入机构、鼓风机以及储沙箱固设在底板支架上，储沙箱的顶端开设有进沙口，且其底端与鼓风机连通，鼓风机的一端与风沙输入管连接，且鼓风机内远离风沙输入管的一端安装有风机组件，进沙口位于风机组件与风沙输入管之间。为了对进入缸体内的空气进行监测，鼓风机靠近风沙输入管的一端安装有传感器组件，用于监测含风沙气流的流量、温度及湿度，便于通过对细沙的质量、温度及湿度的控制来对试验条件进行单一变量控制，深化研究内容。

图3 风沙输送结构

为了便于控制，风沙输入管和风沙输出管上均安装有可拆卸的空气净化器和单向阀；风沙输入管上空气净化器可以对存在过滤情况下的发动机运行进行检测，风沙输出管上的空气净化器用于净化排出到环境的空气，避免对环境造成影响；空气净化器内的滤芯可以拆卸更换，降低设备的维护成本。

2.2 驱动传动装置

驱动传动组件包括驱动电机、传动皮带、曲柄以及连杆，如图4所示。驱动电机固定安装在底板上，且其输出轴通过传动皮带与曲柄传动连接。连杆的一端与曲柄转动连接，另一端与活塞的下端面固定连接[7]。试验舱的顶端固设有连接件，且连接件上贯穿有两个通孔，两个通孔分别与风沙输入管和风沙输出管连接。为了提高设备的自动化水平，底板上安装有控制主机与电源，控制主机分别与风沙吹入机构和发动机驱动机构电性连接。

图4 驱动传动结构

缸体与活塞安装到试验舱内，将驱动组件与活塞连接，称量合适质量、温度和湿度的细沙加入到储沙箱内，启动鼓风机将空气及细沙一起通过风沙输入管输送至缸体内，此时启动驱动电机带动活塞在缸体内运行，传感器组件将监测的数据传输至控制器和控制主机并进行记录；运行一段时间后，停止鼓风机和驱动组件，对缸体的冲蚀磨损情况进行记录。利用控制单一变量的试验方法，进行变量的逐个试验，从而总结出风沙侵蚀磨损规律及其机制，为发动机的性能研究提供数据依据。

2.3 缸套活塞表面磨损的测量装置

基于圆柱度仪改进磨损量测量装置如图5所示。首先对测量仪器进行改装，将原仪器的水平臂加长，并且在其末端配置垂直于水平臂的工作臂，两条悬臂之间使用球关节相连，并且加上调整装置。将气缸固定在适当位置，然后将改装好的圆柱度仪的电感头插入气缸孔内，首先，将电感头放置在气缸的未磨损部位，期间应保持气缸孔中心和测量头中心重合，电感头向下移动，每移动一段距离就记录下磨损的尺寸，从而测得磨损曲线。

图5 改进圆柱度仪磨损量测量

3 试验测试系统设计

3.1 硬件构成

测试系统中的鼓风调速电动机，通过变频器实现无级调速，根据流量传感器检测的风沙量的大小反馈给电磁控制阀控制进口大小，开关装置通过继电器控制，缸体侧安装压力、温度传感器监测气缸环境参数[8-9]。测控系统的硬件构成如图6所示。

图6 测试系统硬件结构

控制箱中的数据采集采用NI公司USB-6281数据采集卡，具备16条单端或者8条差分的模拟输入通道，2条模拟输出，硬件选型如表1所示[10-12]。

表1 硬件选型

3.2 风沙量的控制

试验机对风沙的输入量比较敏感，所以为具体掌握风沙量的输送，需要一个具体的测量方法，便于数值模拟的进行[13]。设鼓风机的转速为n，管道直径为30 mm，风沙的流速为

v=n×0.152×π=0.070 68nm/s

(1)

一定时间内通入的风沙量为Q

Q=vt

(2)

所以在未通过空气滤清器之前的流量为Q，由于空气滤清器的过滤作用，导致输送的风沙并未完全输入到柴油机中。据查阅资料，大部分的空气滤清器过滤效果达到99.8%，所以为符合实验要求，在阻挡风沙的同时要求一部分风沙通过滤清器，于是选取过滤效果为90%的滤清器，此时被滤清器过滤后的流量为Q1，所以

Q1=Q×10%

(3)

设单缸柴油机的进气量为Q2，且

Q1≤Q2

(4)

可以得出，被过滤后的风沙完全吸入到柴油机中，吸入到柴油机中的量为过滤后的风沙量在时间上的积累，所以得出实时的风沙输送量

(5)

3.3 软件工作流程

试验时，变频器调节电机转速带动驱动装置工作，样品沙被吹入振动筛筛选过滤后到沙槽中，在离心鼓风机的工作下，细沙从沙槽中被抽取，然后经过流量控制阀，流量传感器预置参数，决定所需要的风沙量。控制箱控制压力开关、风机开关以及阀门开度，风沙通过空气滤清器，空气滤清器的滤芯能够过滤较大的沙尘颗粒，其余细小的颗粒进入发动机中，从而实现细沙的输送。另外，工控机发送指令给控制箱，并将采集到的发动机温度、压力、转速等信息通过图形显示在显示屏上，主程序工作流程如图7所示。