往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置的制作方法

本實用新型涉及發(fā)動機的性能測試裝置的結構設計技術領域，尤指一種往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置。

背景技術：

斯特林發(fā)動機是一種外部供熱(或燃燒)的活塞式發(fā)動機，它以氣體作為工質，按閉式回熱循環(huán)的方式進行工作，主要由外部供熱(燃燒)系統、工作循環(huán)系統(熱能-機械能轉換系統)、傳動系統(機械能輸出系統)、輔助系統及監(jiān)控系統組成。

其中，活塞環(huán)摩擦磨損是影響斯特林發(fā)動機性能和可靠性的關鍵技術之一。斯特林發(fā)動機的缸套-活塞環(huán)摩擦副屬于無油潤滑，在工質氣體(一般是氫氣或氦氣)氛圍下，活塞環(huán)依靠工質氣體交變壓力貼緊缸套(產生密封作用)，并在傳動機構的作用下按一定規(guī)律運動。因此，斯特林發(fā)動機中的缸套-活塞環(huán)摩擦副與其他類型的原動機存在較大區(qū)別，一般摩擦磨損試驗臺不能模擬斯特林發(fā)動機活塞環(huán)的工作條件，例如工質環(huán)境、交變壓力和交變速度等，也就無法測試出斯特林發(fā)動機中活塞環(huán)的摩擦磨損狀況。

因此，本申請人致力于提供一種往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，其能夠測量斯特林發(fā)動機的缸套-活塞環(huán)的摩擦耗功及磨損率，從而測試出斯特林活塞環(huán)在工況下的摩擦磨損性能，具有測量精度高、可以模擬多種工況等特點。

為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，包括機架、驅動裝置、監(jiān)控裝置，還包括：單缸機，包括飛輪、與所述飛輪連接的曲軸、與所述曲軸連接的連桿活塞桿組件、與所述連桿活塞桿組件連接的活塞、安裝在所述活塞的外周壁上的活塞環(huán)、用于安裝所述活塞的缸套，以及設置在所述缸套外部的水套，所述活塞環(huán)與所述缸套的內壁組成缸套-活塞環(huán)摩擦副，所述缸套與水套之間具有空腔，所述空腔用于冷卻介質流通；工質系統，與所述單缸機連接，用于向所述單缸機的缸套中提供所需壓力的工質氣體。

優(yōu)選地，上述的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，所述的監(jiān)控裝置與所述單缸機、工質系統、冷卻系統及驅動裝置連接，用于對試驗裝置進行驅動、控制和參數測量，包括：冷卻介質檢測儀，與所述缸套與水套之間的空腔連接，用于監(jiān)測冷卻介質的溫度和流量；壓力傳感器，與所述缸套的內腔連接，用于監(jiān)測所述缸套內的氣體壓力；測功儀，與所述驅動裝置連接，串聯在電機和單缸機之間，用于測量所述驅動裝置的輸出功。

優(yōu)選地，上述的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，所述單缸機的缸套上設有孔道，且所述孔道與所述活塞的中間腔連通，所述孔道還與所述壓力傳感器連接，所述壓力傳感器用于監(jiān)測所述活塞的中間腔內的氣體壓力。

優(yōu)選地，上述的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，所述缸套內的所述缸套-活塞環(huán)摩擦副的上、下腔的死容積之比為工作壓比，所述工作壓比為所述缸套的上、下腔中的最大工作壓力與最小工作壓力的比值。

優(yōu)選地，上述的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，所述驅動裝置包括電機、聯軸器及變頻器，所述聯軸器的兩端分別與所述電機的輸出端和所述單缸機中的飛輪連接，所述變頻器與所述電機連接。

優(yōu)選地，上述的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，還包括機架，所述機架用于安裝所述單缸機、工質系統、驅動裝置及監(jiān)控裝置；減震器，與所述機架連接，用于減少所述機架的振動。

優(yōu)選地，上述的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，還包括報警裝置，與所述監(jiān)控裝置連接，用于在所述監(jiān)控裝置獲取到工作參數出現異常時發(fā)出報警信息。

本實用新型的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置可以實現以下至少一種有益效果。

1、本實用新型的試驗裝置通過驅動裝置驅動單缸機運轉，再通過工質系統向單缸機中充放工質氣體，從而模擬出單缸機中缸套-活塞環(huán)摩擦副的實際工作條件(包括工質環(huán)境、交變壓力、交變速度等)，單缸機在運行時，缸套和水套之間的空腔中有冷卻介質通過，冷卻介質對缸套進行降溫，在單缸機運行的過程中，監(jiān)控裝置分別獲取單缸機、工質系統及驅動裝置的工作參數，通過這些工作參數可以計算得出缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦耗功，同時，結合測量得到的活塞環(huán)磨損量就能夠評價出缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損性能。

2、本實用新型的試驗裝置中的監(jiān)控裝置通過冷卻介質檢測儀監(jiān)測缸套與水套之間的冷卻介質，并獲取其溫度和流量，通過壓力傳感器獲取缸套內氣體的壓力，通過測功儀測量驅動裝置的輸出功，通過這些參數可以精確計算出缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦耗功。

3、本實用新型的試驗裝置通過在單缸機的缸套上設置與活塞的中間腔連通的孔道，再通過壓力傳感器測量來測量孔道內的氣體壓力，也就是活塞中間腔的氣體壓力，通過這個參數還可以得到活塞環(huán)處的氣體泄漏量，再結合其他的工作參數，就可以更為精確地計算出缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦耗功。

4、本實用新型的試驗裝置中缸套的上、下腔的死容積之比一定，且為單缸機在運行時缸套的上、下腔中最大工作壓力和最小工作壓力的比值，這樣設置可以精確地模擬出斯特林發(fā)動機中摩擦環(huán)所承受的氣體壓力，使單缸機的運行更接近于模擬斯特林發(fā)動機的運行，從而使試驗結果更為準確。

5、本實用新型的試驗裝置通過設置潤滑裝置，從而使曲軸和活塞桿連接組件可以平穩(wěn)運行，有效保證了一定的傳動效率，進而保證試驗的順利進行。

6、本實用新型的試驗裝置通過在電機和單缸機之間設置聯軸器使電機可以帶動單缸機平穩(wěn)運行，并且聯軸器還可以起到緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用，通過設置變頻器可以有效調節(jié)電機的輸出，進一步有效控制單缸機的運行速度。

7、本實用新型的試驗裝置將通過機架安裝驅動裝置、工質系統、單缸機及監(jiān)控裝置，并將機架安裝在一減震器上，減震器可以有效緩沖各組成部分在運行時產生的振動，從而保證了監(jiān)控裝置獲取到的工作參數的準確性。

8、本實用新型的試驗裝置通過一控制系統控制各組成部分的運行，這樣設置可以提高試驗的精確度及效率。

9、本實用新型的試驗裝置通過報警裝置在各組成部分的工作參數出現異常時發(fā)出報警信號，這樣設置提高了試驗裝置的安全性能。

10、本實用新型的試驗裝置通過設置顯示器來顯示監(jiān)控裝置獲取到的工作參數，從而使操作人員可以快速直觀地了解到試驗的運行情況。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細說明：

圖1是本實用新型的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置的一種具體實施例的結構示意圖；

圖2是圖1中所示的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置的單缸機的結構示意圖。

附圖標號說明：

10單缸機，11飛輪，12曲軸箱，13水套，14缸套，15活塞，16活塞環(huán)，17活塞桿，20工質系統，30聯軸器，40測功儀，50電機，60機架。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

如圖1和圖2所示，本具體實施例公開了一種往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置，包括：單缸機10、電機50、聯軸器30、測功儀40、工質系統20、冷卻系統和監(jiān)控裝置，電機50與單缸機10之間串聯測功儀40，并用聯軸器30連接。監(jiān)控裝置，與單缸機10、工質系統20、測功儀40及電機50連接，用于對所述設備進行驅動、控制和參數測量。工質系統20，與單缸機10連接，用于向單缸機10提供工質氣體，模擬不同氣缸壓力的運行工況。冷卻系統用于對單缸機10提供冷卻水并進行冷卻。

單缸機10為往復運動活塞式，包括飛輪11、曲軸、連桿、活塞桿17、缸套14、活塞15，以及設置在缸套14外部的水套13，待試驗的活塞環(huán)16安裝在活塞15的外周壁上，活塞環(huán)16與缸套14的內壁組成缸套-活塞環(huán)摩擦副，缸套14與水套13之間具有空腔，空腔用于冷卻介質流通，本實施例中冷卻介質采用冷卻水。

本實施例中的單缸機由單缸柴油機或往復活塞式壓縮機改制而成，其中曲軸和活塞桿連接組件的傳動形式以及缸套-活塞環(huán)摩擦副與斯特林發(fā)動機類似；具體的，單缸機中的活塞桿連接組件通過十字頭銷與曲軸連接；另外，單缸機還包括一曲軸箱12，缸套14、水套13及曲軸等部件均設置在曲軸箱12上。

具體的，監(jiān)控裝置包括：冷卻介質檢測儀，冷卻介質檢測儀與缸套14與水套13之間的空腔連接，用于獲取冷卻介質的溫度和流量；壓力傳感器(圖中未示出)，與缸套14的內腔連接，用于監(jiān)測缸套14內的氣體壓力，具體監(jiān)測缸套內缸套-活塞環(huán)摩擦副的上、下腔的氣體壓力；測功儀40，與驅動裝置連接，串聯在電機和單缸機之間，用于測量驅動裝置的輸出功。

具體的，單缸機10的缸套14上設有孔道，且孔道與活塞15的中間腔連通，孔道還與壓力傳感器連接，壓力傳感器用于監(jiān)測活塞15中間腔內的氣體壓力，這樣設置可以得到活塞的中間腔的氣體壓力參數及活塞環(huán)的泄漏量參數，結合這兩個參數可以得到更為精確的試驗結果。

具體的，缸套14內的缸套-活塞環(huán)摩擦副的上、下腔的死容積之比為工作壓比，工作壓比為缸套14的上、下腔中的最大工作壓力與最小工作壓力的比值。上、下腔的死容積是指缸套-活塞環(huán)摩擦副在缸套內向上運動和向下運動時不能達到的部分的容積，也就是缸套內的缸套-活塞環(huán)摩擦副運行行程的最高點以上的容積及最低點以下的容積。需要說明的是，在活塞的運行過程中，缸套中缸套-活塞環(huán)摩擦副的上、下腔的最大工作壓力相近，上、下腔的最小工作壓力也相近。

具體的，往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置還包括潤滑裝置(圖中未示出)，潤滑裝置與單缸機連接，用于潤滑單缸機中的曲軸及連桿活塞桿組件，從而保證曲軸及連桿活塞桿組件可以順利帶動活塞運動。

具體的，驅動裝置包括電機50、聯軸器30及變頻器(圖中未示出)，聯軸器30的兩端分別與電機50的輸出端和單缸機10的飛輪11連接，變頻器與電機50連接，變頻器可以調節(jié)飛輪的轉速，模擬不同的運行工況。

具體的，往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置還包括：機架50，機架50用于安裝單缸機10、工質系統20、驅動裝置及監(jiān)控裝置；減震器(圖中未示出)，減震器與機架50連接，用于減少機架50的振動。這樣設置可以使單缸機10、工質系統20、驅動裝置及監(jiān)控裝置平穩(wěn)運行。

具體的，往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置還包括控制系統(圖中未示出)，控制系統分別與單缸機10、工質系統20、驅動裝置及監(jiān)控裝置連接，用于分別控制單缸機10、工質系統20、驅動裝置及監(jiān)控裝置的運行。

具體的，往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置還包括報警裝置(圖中未示出)，報警裝置與監(jiān)控裝置連接，用于在監(jiān)控裝置獲取到單缸機10、工質系統20及驅動裝置的異常工作參數時發(fā)出報警信息。

具體的，往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置還包括顯示器(圖中未示出)，顯示器與監(jiān)控裝置連接，用于顯示監(jiān)控裝置獲取到的所有工作參數。

當然了，在其他具體實施例中，本實用新型的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置中監(jiān)控裝置的組成還可以根據需要監(jiān)測的試驗參數的變化進行調整；缸套內上、下腔的死容積之比還可以按照其他規(guī)律進行設置；驅動裝置中的聯軸器和變頻器均可以選擇性設置；機架和減震器也可以選擇性設置；此外，本實用新型的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置中的控制系統、報警裝置和顯示器均可以根據需要選擇性設置，此處不再贅述。

示例性的，如圖1和圖2所示，本實用新型的往復機械活塞環(huán)摩擦磨損試驗裝置的實施例的具體應用情況如下：

1、控制系統控制電機50啟動，電機50通過聯軸器30帶動單缸機10的飛輪11；

2、飛輪11帶動曲軸12運動，曲軸12進一步帶動活塞桿連接組件13運動；

3、活塞桿連接組件13帶動活塞15在缸套14中運動；

4、活塞15在缸套14中運動時，工質系統20向缸套14中輸入工質氣體，在工質氣體(氫氣或氦氣)氛圍下，活塞環(huán)16依靠工質氣體的交變壓力貼緊缸套14，從而產生密封作用；

5、活塞15在缸套14中運動時，冷卻水在缸套14和水套13之間的空腔內流動，對缸套14進行冷卻；

6、活塞15在缸套14中運動時，冷卻介質檢測儀41獲取冷卻介質的溫度和流量參數，壓力傳感器獲取缸套14內缸套-活塞環(huán)摩擦副的上、下腔氣體壓力參數及活塞15的空腔內的壓力參數；測功儀40獲取驅動裝置的輸出功參數；

7、將活塞15取出，使活塞桿連接組件13處于空載狀態(tài)并在曲軸12的帶動下運行，從而測得單缸機的傳動耗功；

8、測量活塞環(huán)16的磨損量；

9、根據冷卻介質的溫度和流量、工質氣體的輸入量(由工質系統提供)、缸套內的空氣壓力(上、下腔及活塞中間腔的氣體壓力)、驅動裝置的輸出功、傳動耗功及活塞環(huán)的磨損量等參數計算得出缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦耗功，進一步評價缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損性能。

在試驗過程中，減震器可以有效避免機架的振動，從而有效緩沖了各組成裝置的振動，保證各組成裝置的運行不受到振動的影響，保證了其工作參數的精確度；潤滑裝置對曲軸和連桿活塞桿組件進行潤滑，保證了一定的傳動效率；報警裝置在監(jiān)控裝置監(jiān)測到各組成裝置的工作參數發(fā)生異常時，發(fā)出報警信息，使試驗人員可以及時停機進行調整；顯示器則便于試驗人員直觀地了解到試驗情況。

本試驗裝置采用單缸機、工質系統等模擬斯特林發(fā)動機中的往復機械缸套-活塞環(huán)的工作條件，其能夠按照需要調節(jié)活塞環(huán)的受力和速度，從而測量得出活塞環(huán)的摩擦耗功和磨損率，具有安全可靠、可重復性好及可進行耐久試驗等特點，能夠滿足往復機械活塞環(huán)摩擦磨損性能的研究測試要求。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。