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活塞环径向压力分布自动检测仪的研制

互联网 2012-10-10 14:38:30

[导读] 本文在基于pc技术,在充分研究活塞环与 汽缸壁相互作用机理的基础上,研制了活塞环径向压力全自动检测平台。能检测φ100—φ140的多种规格活塞环的压力分布情况,检测过程全自动。且具有数 据记录、压力分布曲线图形显示、打印等功能,测量数据重复性在5%以内。

  1 引言

  活塞环发动机的关键零件,其在自由状态下并非正圆。当被装入气缸后,由于气缸内壁的约束作用,活塞环受压变形为正圆。此时,在与其相接触的汽缸壁上产生压力。正是由于这种压力的存在,才使活塞环的气封、油封和传递热量给气缸壁等功能得以实现。活塞环径向压力分布特性对于发动机使用寿命、机油消耗、输出功 率、废气排放等有重要的影响。

  通过理论计算所设计的活塞环,由于材料和加工误差的影响,往往难以得到理想的分布曲线。若能够测量得到实际的压力分布,则可以进一步提高活塞环的设计制造水平,改善发动机的性能。但是测量方法一直是一个难题。国内现有的检测仪器与方法[1],大都不能精确地测量出压力分布的实际情况。因此,进行活塞环的跑合和长时间运行的破坏性实验,成为了厂家检验活塞环使用性能的唯一选择。这样使得产品的设计周期加长、成本增加。

  因此,研究精确的活塞环压力分布检测技术、开发自动高效的自动检测仪器,是国内众多活塞环企业的迫切需要。为此,本文在基于pc技术,在充分研究活塞环与 汽缸壁相互作用机理的基础上,研制了活塞环径向压力全自动检测平台。能检测φ100—φ140的多种规格活塞环的压力分布情况,检测过程全自动。且具有数 据记录、压力分布曲线图形显示、打印等功能,测量数据重复性在5%以内。

  2 检测方法及其分析

  一般测量压力都是通过测量变形间接获得。而应变法是应用最多、最可靠的测量方法。目前活塞环压力的测量方法:单触针法、多点法和薄壁法等都是基于此原理 的。其中单触针法和多点法,由于没有真正模拟环在工作状态下的受力情况,且在检测中需人工调整,有很高的技巧性,使得其测量结果不能令人信服,测得的压力分布图发生显著畸变。近年提出的局部薄壁测量法,很好的模拟了活塞环在气缸套中的真实接触情况如图1所示,图1中p为缸壁所受压力;1为压力高度;h为薄 壁高度;h为气缸高度。可望获得满意的测量效果。

  图1 局部薄壁气缸

  基本原理如下:首先将标准气缸套的一侧铣薄,再在薄壁处敷设电阻应变片,通过测量电桥测出活塞环压力引起的电压变化,经过标定获得径向压力值。由于该方法原理直观,有利于实现整个测量过程的自动化,从而大大减小人为因素影响。且其与活塞环在汽缸中的实际受力情况相同,易于获得准确的测量结 果。

  (1) 测量仪器的结构特点

  如图2所示,图2中1为丝杆;2为压板;3为盘架;4为蜗杆;5为分度步进电机;6为分度蜗轮齿圈;7为分度套;8局部薄壁缸;9为位置传感器;10为减 速器;11升降步进电机。该仪器主要由升降机构、分度机构、活塞环装夹架、压力测量部分构成。高精度滚珠丝杆是升降机构中的关键部分。分度由具有自锁功能 的蜗轮蜗杆副实现。压力测量处薄壁厚度为0.4mm,且保证其表面粗糙度可不超过0.8。按设计要求,该仪器需能检测3种不同规格的环。为此,设计了3套 相应的局部薄壁标准气缸。测量活塞环时,只需装配上对应尺寸的薄壁气缸即可。而其它零件,以即电路部分都无须更换。

  图2 检测仪器结构图

(2) 测量主控程序的实现与软件的设计

  该检测仪器的配套软件用delphi6.0开发,运行于windows98之上。

  该仪器的主控程序如图3所示。在作好准备工作,将活塞环置如入盘架后,即可启动主程序。首先,选择环每周的测量点数,默认为72点/周。接着,驱动升降步 进电机开始运转,丝杆旋转,带动活塞环至薄壁测量点。然后开始采集电桥的输出电压量,待采得稳定数据后,将数据显示于屏幕上。接着,环向上运动,送至分度位置,经分度后,判断是否完成了所有点的测量。若还未完成测量,再重复开始时的动作。如此循环,直至完成整个圆周上的压力值测量。在完成测量后,绘制出完 整的压力曲线,并且活塞环自动退出检测仪。

  图3 主控程序流程图

  步进电机能产生精确的角位移,加上相应的驱动方式与控制程序,才能产生理想的步进效果。该仪器中共采用了2个步进电机,分别用于产生升降运动和分度运动, 型号分别是55bc340和55bf004。它们运行在高速时,仍能输出较大转矩。皆工作在混合式六拍工作方式,该方式比双三拍的步进精度都要高出一倍。 它们的具体控制如下:

  升降步进电机与位置传感器组成的闭环系统实现测量过程中的测量点定位功能。在测量中,升降机构的定位精确程度至关重要,它会影响测量结果的准确性。因此,程序在不断给电机发送驱动信号的同时,实时查询位置传感器当前的位置。一旦到达测量位置,立即停止发送驱动信号。由于运动物体的惯性作用,在停止步进电机 转动后,活塞环并没有立即停止运动。为此,在软件控制中还采取运动速度递减控制措施,减小惯性带来的定位误差。

  分度电机与蜗轮蜗杆副组成了分度机构。蜗轮蜗杆副间不可避免的存在间隙。程序设计在每次测量之前控制电机转过1/2齿距,以弥补间隙。经计算,该机构分度 精度为1/80°(360/蜗轮齿数/步进电机一圈脉冲步数)。在具体测量中,用户可以在36点/周~144点/周之间,任意选择活塞环一周测量点的数目 (一般36点/周),增加了检测的灵活性。

  另外,在应变数据采集时,为提高采集精度,正确反映薄壁在压力作用下的完全变形,采用了数据稳定判定程序。而且,该软件具有丰富的数据库功能。测量数据直接显示于屏幕上,图形和视图具有基本的图形缩放、旋转等功能。数据与曲线图可打印成报表。同时,为提高该仪器检测结果的可信度,专门设置了重复性考核功能 和数据稳定性考核功能。由于98系统可能在检测中途死机,仪器软件中还专门设立了故障复位功能,启动该功能可使得仪器自动复位。根据实际使用要求,限制该 程序同时只能启用一个例程。

  4 电路原理图

  该仪器驱动板卡是自行研制的基于isa总线的多功能板卡。它可产生分度电机与升降电机的驱动信号;还可读取升降位置,读取电桥输出的模拟量。步进电机接口 电路采用光电隔离的单电压功率放大电路[2]。

  压力测量电路,如图4所示,使用的是全桥双臂电路,其中一应变片用来感受变形,另一片作为温度补偿。电桥的不平衡电压送至ad708放大,设计电位可调电 路,可调整输出电位,使其处于a/d范围之内。经调整电位后,将信号再次放大。多功能卡中的icl7109芯片将放大器输出电压作a/d转换后,数字量信 号送至isa总线。该放大器的放大倍数约为15000倍,因此采用高精度、低漂移的ad708。为防止外界信号干扰,电桥的输出线为信号屏蔽线,且放大器 电路置入金属盒内,接头为航空接头,最大限度减少了外界干扰。

  图4 压力测量电路原理图

 5 仪器重复性及精度测试结果

  我们选用了φ120气缸用活塞环。该环高2.5mm,径向厚度4.8mm,公称直径120mm,环类型为桶环。

  (1) 实测环的压力曲线图(72点)

  由图5可知,该环径向压力分布曲线基本对称,且呈现出菱形形状。只是在开口左侧处压力陡然下降,会对气缸使用性能造成一定影响。

  图5 活塞环径向压力曲线分布图

  (2) 重复性检验

  对该环连续测量2次,每次10个点。如附表(以下单位均为kgf)。可见最大相对误差为3.12%,到达了先前提出的5%之内的目标。

  6 标定方法讨论

  局部薄壁法的最大难点在于如何标定,即怎样才能知道电压量与压力值之间的对应关系,它们之间究竟是呈现一种线性关系还是非线性。对此,有研究人员提出了气体压力标定的方法[5],该方法简单实用。但在测量中,只有与环相接触的气缸壁才受到压力作用,并非内壁都受压。受薄壁性能影响,如此标定肯定存在误差。为了验证此标定方法的准确性,使用了ansys软件对该标定方法进行了模拟计算分析。(如图1)计算时,压力大小固定不变,不断变换标定接触高度l,分析 计算结果。起始时令l=h,即模拟气压标定时,内壁受力情况;接着,逐渐减小受压高度,逐步分析计算。结果表明,其形变量并不相同。当l< 5时,薄壁表面应变与l成线性关系。因,标定气压值与实际的接触压力值之间需要进行适当的折算。同时由结果还可得,当l

  7 结束语

  该仪器成功实现了预定目标,到达了预期功能。该仪器为检测活塞环径向接触压力分布提供了可靠手段,并可为活塞环的理论研究结果进行验证。

[整理编辑:中国测控网]
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