專利名稱：柴油機(jī)缸套—活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油膜厚度檢測(cè)領(lǐng)域，具體地指一種柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)
直O(jiān)
背景技術(shù)：
缸套-活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中最重要的摩擦副之一，它的應(yīng)用極為廣泛，數(shù)以億計(jì)的內(nèi)燃機(jī)都采用這種摩擦副，其潤(rùn)滑性能的好壞對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、可靠性、耐久性有著極大的影響。研究表明，內(nèi)燃機(jī)在工作過程中由缸套-活塞環(huán)摩擦副引起的摩擦功耗高達(dá)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功耗的45 65%，所以缸套-活塞環(huán)的工作狀況影響著內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、壽命和排放性能。其潤(rùn)滑性能好，在保證對(duì)燃燒室氣體密封的前提下，活塞環(huán)一缸套間的摩擦力就小，內(nèi)燃機(jī)的摩擦功耗也?。环粗畷?huì)造成相當(dāng)大的摩擦功耗，而且還會(huì)導(dǎo)致缸套-活塞環(huán)的過度磨損，影響其使用壽命。因此這對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響著內(nèi)燃機(jī)的性能。缸套-活塞環(huán)之間油膜厚度的變化和分布規(guī)律是內(nèi)燃機(jī)摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容之一， 如果能準(zhǔn)確的測(cè)量出這個(gè)厚度，對(duì)合理設(shè)計(jì)活塞環(huán)組、降低活塞環(huán)與缸套之間的摩擦損失、 延長(zhǎng)活塞環(huán)的使用壽命具有很大幫助。潤(rùn)滑油膜厚度的檢測(cè)方法有很多，常見的包括接觸電阻法、電容法、電渦流法、光干涉法、光纖傳感器法、電容分壓器法、超聲波法、阻容振蕩法、X射線法、激光衍射法、應(yīng)變儀法等。這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但大多一般都用于測(cè)試一個(gè)平面油膜或者軸承的油膜厚度的，真正應(yīng)用于對(duì)缸套-活塞環(huán)的油膜厚度進(jìn)行測(cè)量的只有接觸電阻法，電容法，電渦流法和光纖傳感器法。接觸電阻法是通過在缸套和活塞環(huán)中埋設(shè)電極，然后測(cè)量油膜的接觸電阻，利用油膜厚度與接觸電阻之間的關(guān)系來測(cè)量的方法。由于在活塞環(huán)上埋設(shè)電極過于困難，且電極的絕緣也很難保證，所以現(xiàn)在應(yīng)用很少。電容法是一種比較成熟的技術(shù)。其原理是通過測(cè)量?jī)晌矬w之間的電容值來計(jì)算油膜厚度。如果已知潤(rùn)滑油的介電常數(shù)，根據(jù)油膜的電容值隨油膜厚度增加而降低的變化關(guān)系，可相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出油膜厚度。但該方法測(cè)出的只是平均膜厚，在部分膜狀態(tài)下該方法就失去了功效，而且，該方法要求被測(cè)量的潤(rùn)滑油是非極性的。此外，實(shí)際應(yīng)用于測(cè)量缸套-活塞環(huán)厚度時(shí)，一方面，導(dǎo)線及周圍環(huán)境的分布電容往往很難準(zhǔn)確估算，導(dǎo)致其測(cè)量精度不高；另一方面，極易發(fā)生缸套-活塞環(huán)的短路，特別是一旦活塞環(huán)發(fā)生傾斜，就會(huì)造成電容的短路。電渦流法也是目前潤(rùn)滑油膜厚度測(cè)量的工程實(shí)用方法之一。電渦流傳感器即是利用金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)，將一些非電量轉(zhuǎn)化為電量進(jìn)行測(cè)量的一種傳感器。它能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)金屬物體與傳感器探頭端面之間的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)位移，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。但是它要求測(cè)量對(duì)象為導(dǎo)體，易受電磁干擾，測(cè)量的結(jié)果是最小油膜厚度，并且應(yīng)用于測(cè)量缸套-活塞環(huán)油膜厚度時(shí)，存在活塞運(yùn)行至缸套上止點(diǎn)處時(shí)活塞環(huán)脫離測(cè)量點(diǎn)的問題。
光纖傳感器法是在1995年國(guó)際測(cè)量會(huì)議上首次被提出的測(cè)量方法。1996年12月美國(guó)密西根工學(xué)院的Lawrence. W. Evers教授及其研究生在實(shí)驗(yàn)室條件下研制成功測(cè)量油膜厚度的光纖傳感器。測(cè)量油膜厚度的光纖傳感器由兩組光導(dǎo)纖維探頭組成，一組發(fā)射光纖，一組接收光纖。由發(fā)射光纖把激光束發(fā)射到被測(cè)物體上，這束光的一部分被反射回來， 被接收光纖接收，接收的光信號(hào)強(qiáng)度即可反映光纖前端與反射面的間隙(即為油膜厚度)。 光纖傳感器法精度高，抗干擾能力強(qiáng)，目前在柴油機(jī)的主要摩擦副——滑動(dòng)軸承的油膜檢測(cè)上有所應(yīng)用，但是對(duì)于缸套-活塞環(huán)之間油膜的測(cè)量還沒有應(yīng)用，主要原因在于在缸套上設(shè)置檢測(cè)裝置和檢測(cè)過程中對(duì)活塞環(huán)運(yùn)行位置的把握都比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，能夠?qū)崟r(shí)地準(zhǔn)確記錄柴油機(jī)工作過程中缸套-活塞環(huán)之間的油膜厚度。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，包括光源、光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分；所述光纖傳感器的發(fā)射光纖與光源連接，光纖傳感器的接收光纖與數(shù)據(jù)采集部分連接，所述光纖傳感器的光纖傳感器探頭設(shè)置在缸套上并指向活塞，光纖傳感器探頭設(shè)置有兩列，分別位于缸套的主推力面和副推力面上。上述技術(shù)方案中，每列光纖傳感器探頭至少包括三個(gè)光纖傳感器探頭，各光纖傳感器探頭分別設(shè)置于活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)、中點(diǎn)和下止點(diǎn)。案中，所述接收光纖包括第一接收光纖和第二接收光纖；所述光纖傳感器由三圈同軸式光纖構(gòu)成，從內(nèi)向外依次為發(fā)射光纖、 第一接收光纖和第二接收光纖。上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射光纖和接收光纖均為多模光纖。上述技術(shù)方案中，所述數(shù)據(jù)采集部分包括光電轉(zhuǎn)換電路和采集卡，所述接收光纖與光電轉(zhuǎn)換電路連接。上述技術(shù)方案中，所述數(shù)據(jù)處理部分為工控機(jī)。本發(fā)明的有益效果在于光纖傳感器探頭在缸套的主、副推力面上設(shè)置有兩列，一方面能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量活塞環(huán)運(yùn)行至不同位置時(shí)的油膜厚度，另一方面，由于主、副推力面上缸套-活塞間的摩擦力最大，該處的油膜厚度能夠最好的反映這對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能。采用三圈同軸式光纖、其中有兩組為接收光纖，能夠利用兩組接收光纖接收的光強(qiáng)的比值計(jì)算油膜厚度，較傳統(tǒng)的直接采用入射光纖和接收光纖的光信號(hào)強(qiáng)度比值，大大提高了測(cè)量精度。由于多模光纖接收到的最大光強(qiáng)要比單模光纖高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，因此發(fā)射光纖和接收光纖均采用多模光纖，提高了測(cè)量的信噪比。整個(gè)裝置為開展缸套-活塞環(huán)的摩擦磨損和潤(rùn)滑研究提供了良好的基礎(chǔ)。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為圖1中一個(gè)光纖傳感器探頭的截面圖；圖中1-缸套，2-活塞環(huán)，3-活塞，4-光纖傳感器探頭，5-發(fā)射光纖，6_第一接收光纖，7-第二接收光纖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，包括光源、光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。其中光源通過電源轉(zhuǎn)換電路連接電源，向光纖傳感器發(fā)射光束；光纖傳感器由三圈同軸式光纖構(gòu)成，從內(nèi)向外依次為發(fā)射光纖5、第一接收光纖6 和第二接收光纖7，發(fā)射光纖5與上述光源相連，第一接收光纖6和第二接收光纖7則與數(shù)據(jù)采集部分連接。為提高測(cè)量的信噪比，發(fā)射光纖5、第一接收光纖6和第二接收光纖7均為多模光纖。本實(shí)施例中光纖傳感器探頭4共六個(gè)，分別設(shè)置于活塞3運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)、中點(diǎn)和下止點(diǎn)。光纖傳感器探頭4的安裝方式可以為在活塞3運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)、中點(diǎn)和下止點(diǎn)分別打通孔，裝入光纖傳感探頭4并使光纖傳感探頭4指向活塞3后采用高壓玻璃密封技術(shù)封裝，經(jīng)修磨后基本與氣缸壁平滑過渡；數(shù)據(jù)采集部分包括光電轉(zhuǎn)換電路和采集卡，光電轉(zhuǎn)換電路與上述第一接收光纖6 和第二接收光纖7連接，采集卡與數(shù)據(jù)處理部分連接，用于將光纖傳感器采集的光信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換后輸入數(shù)據(jù)處理部分；本實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理部分為工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集部分得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理等，并通過顯示界面實(shí)時(shí)顯示缸套-活塞環(huán)油膜厚度的變化曲線。本裝置的工作原理如下通過對(duì)活塞3運(yùn)行規(guī)律的計(jì)算，事先設(shè)定各光纖傳感器探頭4的開閉順序及間隔時(shí)間，隨著活塞3在缸套1內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)2運(yùn)行至相應(yīng)的光纖傳感器探頭4時(shí)，相應(yīng)光纖傳感器探頭4工作，并測(cè)量該處的缸套-活塞環(huán)油膜厚度。具體來說光源提供的光束經(jīng)發(fā)射光纖5進(jìn)入光纖傳感器探頭4，光線在傳輸過程中，一部分到達(dá)油膜表面后直接反射進(jìn)入第一接收光纖6，一部分穿過油膜到達(dá)活塞環(huán)2后反射進(jìn)入第二接收光纖7，第一接收光纖6與第二接收光纖7接收光強(qiáng)的比值與油膜厚度存在一定的函數(shù)關(guān)系。設(shè)第一接收光纖6接收的光強(qiáng)為Γι，第二接收光纖7接收的光強(qiáng)為r2，油膜厚度為t，比例系數(shù)為k，則存在如下關(guān)系該比例系數(shù)k可以由標(biāo)定裝置標(biāo)定后得到。光信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入工控機(jī)，計(jì)算的結(jié)果由工控機(jī)記錄并由其上的顯示器實(shí)時(shí)顯示，這樣就得到了油膜厚度的變化曲線。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于該實(shí)施例。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，包括光源、光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分；所述光纖傳感器的發(fā)射光纖與光源連接，光纖傳感器的接收光纖與數(shù)據(jù)采集部分連接，其特征在于所述光纖傳感器的光纖傳感器探頭設(shè)置在缸套上并指向活塞， 光纖傳感器探頭設(shè)置有兩列，分別位于缸套的主推力面和副推力面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于每列光纖傳感器探頭至少包括三個(gè)光纖傳感器探頭，各光纖傳感器探頭分別設(shè)置于活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)、中點(diǎn)和下止點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于所述接收光纖包括第一接收光纖和第二接收光纖；所述光纖傳感器由三圈同軸式光纖構(gòu)成， 從內(nèi)向外依次為發(fā)射光纖、第一接收光纖和第二接收光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于 所述發(fā)射光纖和接收光纖均為多模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于所述發(fā)射光纖和接收光纖均為多模光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于 所述數(shù)據(jù)采集部分包括光電轉(zhuǎn)換電路和采集卡，所述接收光纖與光電轉(zhuǎn)換電路連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于 所述數(shù)據(jù)處理部分為工控機(jī)。
全文摘要
一種柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)油膜厚度檢測(cè)裝置，屬于油膜厚度檢測(cè)領(lǐng)域，用于實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確記錄柴油機(jī)工作過程中缸套-活塞環(huán)之間的油膜厚度。它包括光源、光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分；所述光纖傳感器的發(fā)射光纖與光源連接，光纖傳感器的接收光纖與數(shù)據(jù)采集部分連接，其特別之處在于所述光纖傳感器的光纖傳感器探頭設(shè)置在缸套上并指向活塞，光纖傳感器探頭設(shè)置有兩列，分別位于缸套的主推力面和副推力面上。本發(fā)明中，光纖傳感器探頭在缸套的主、副推力面上設(shè)置有兩列，一方面能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量活塞環(huán)運(yùn)行至不同位置時(shí)的油膜厚度，另一方面，由于主、副推力面上缸套-活塞間的摩擦力最大，該處的油膜厚度能夠最好的反映這對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能。
文檔編號(hào)G01B11/06GK102175166SQ201110039310
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者嚴(yán)新平, 劉鵬, 白秀琴, 袁成清, 趙江濱, 郭智威 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)