車用柴油機缸套活塞磨損試驗臺設計

郭展宏，張佳佳，王旭峰，張有強

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學?，F代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300)

0 前言

新疆地處西北，空氣干燥，降水量少，尤其是南疆地區緊鄰塔克拉瑪干沙漠，晝夜溫差大，沙塵天氣頻繁，而該地區由于獨特的地理位置非常適合優質棉種的種植。根據國家統計局新疆調查總隊的數據顯示：2021年新疆棉花種植面積占全國棉花種植面積的82.76%，產能約占全國九成，2022年棉花耕種收綜合機械化水平達94.49%。在秋收季節，采棉機、大型拖拉機等動力機械集中作業，高溫沙塵等環境條件下，發動機散熱困難，缸套活塞環作為內燃機重要的摩擦副，其摩擦學特性影響發動機的可靠性，降低發動機的使用壽命。

國內外專家學者針對氣缸磨損做了很多研究工作。KUMAR等[1]提出的測量程序可用于在發動機試驗前后測量氣缸孔徑，從而估計發動機的平均磨損深度。國內也提出了幾種較為具體的樣品試驗模型，但該模型只針對溫度、材質對缸套活塞磨損的影響，不能很好地模擬風沙環境下的磨損狀況。還有一些實車試驗，能夠達到實際環境要求，但周期長、成本高[2-4]。因此，有必要設計臺架試驗機來模擬風沙嚴重地區的發動機工作情況，探究其磨損規律，提升發動機工作的可靠性，為發動機的綠色環保設計提供試驗支撐。

1 試驗機的結構方案

1.1 試驗平臺結構概述

柴油機缸套-活塞磨損試驗機的結構如圖1所示，主要包括底板、風沙吹入機構、風沙輸入管、發動機驅動機構、風沙輸出管、空氣濾清器、電機、控制主機等裝置[5]。

圖1 發動機摩擦磨損試驗臺

1.2 樣品采集分析

風沙環境模擬實現。實地調研發現，大多數動力機械的發動機進氣口在1.5 m左右。因而在風沙天氣下使用梯度測量儀收集1.5 m左右處一定量風沙，采用便攜式粒度測量儀器得到距離發動機進氣口100、120、130、150 cm的風沙平均粒徑分布情況如圖2所示?？芍?.5 m處風沙平均粒徑20～50 μm的占比最大。

圖2 風沙粒徑分布特征

試驗前到兵團第一師阿拉爾市十二團棉田當中收集地表沙塵[6]，采集的沙土中含有較多的大顆粒石子等較硬的物質。首先，對采樣的沙土使用振動篩進行過濾，振動篩由三層濾網組成，每一層的濾網網眼直徑都在減小，當開啟振動篩時，振動篩兩側的振動電機產生激震力，由于整個主要的振動篩框架都建立在底部的4個彈簧上，當振動電機振動時，也帶動整個框架振動，采集的沙土產生了上下運動，實現了過濾。最終選擇占比較大的20～50 μm的沙塵粒徑，放入模擬試驗箱當中。

2 試驗機的核心組件

2.1 風沙輸送裝置

風沙輸送結構如圖3所示。風沙吹入機構、鼓風機以及儲沙箱固設在底板支架上，儲沙箱的頂端開設有進沙口，且其底端與鼓風機連通，鼓風機的一端與風沙輸入管連接，且鼓風機內遠離風沙輸入管的一端安裝有風機組件，進沙口位于風機組件與風沙輸入管之間。為了對進入缸體內的空氣進行監測，鼓風機靠近風沙輸入管的一端安裝有傳感器組件，用于監測含風沙氣流的流量、溫度及濕度，便于通過對細沙的質量、溫度及濕度的控制來對試驗條件進行單一變量控制，深化研究內容。

圖3 風沙輸送結構

為了便于控制，風沙輸入管和風沙輸出管上均安裝有可拆卸的空氣凈化器和單向閥；風沙輸入管上空氣凈化器可以對存在過濾情況下的發動機運行進行檢測，風沙輸出管上的空氣凈化器用于凈化排出到環境的空氣，避免對環境造成影響；空氣凈化器內的濾芯可以拆卸更換，降低設備的維護成本。

2.2 驅動傳動裝置

驅動傳動組件包括驅動電機、傳動皮帶、曲柄以及連桿，如圖4所示。驅動電機固定安裝在底板上，且其輸出軸通過傳動皮帶與曲柄傳動連接。連桿的一端與曲柄轉動連接，另一端與活塞的下端面固定連接[7]。試驗艙的頂端固設有連接件，且連接件上貫穿有兩個通孔，兩個通孔分別與風沙輸入管和風沙輸出管連接。為了提高設備的自動化水平，底板上安裝有控制主機與電源，控制主機分別與風沙吹入機構和發動機驅動機構電性連接。

圖4 驅動傳動結構

缸體與活塞安裝到試驗艙內，將驅動組件與活塞連接，稱量合適質量、溫度和濕度的細沙加入到儲沙箱內，啟動鼓風機將空氣及細沙一起通過風沙輸入管輸送至缸體內，此時啟動驅動電機帶動活塞在缸體內運行，傳感器組件將監測的數據傳輸至控制器和控制主機并進行記錄；運行一段時間后，停止鼓風機和驅動組件，對缸體的沖蝕磨損情況進行記錄。利用控制單一變量的試驗方法，進行變量的逐個試驗，從而總結出風沙侵蝕磨損規律及其機制，為發動機的性能研究提供數據依據。

2.3 缸套活塞表面磨損的測量裝置

基于圓柱度儀改進磨損量測量裝置如圖5所示。首先對測量儀器進行改裝，將原儀器的水平臂加長，并且在其末端配置垂直于水平臂的工作臂，兩條懸臂之間使用球關節相連，并且加上調整裝置。將氣缸固定在適當位置，然后將改裝好的圓柱度儀的電感頭插入氣缸孔內，首先，將電感頭放置在氣缸的未磨損部位，期間應保持氣缸孔中心和測量頭中心重合，電感頭向下移動，每移動一段距離就記錄下磨損的尺寸，從而測得磨損曲線。

圖5 改進圓柱度儀磨損量測量

3 試驗測試系統設計

3.1 硬件構成

測試系統中的鼓風調速電動機，通過變頻器實現無級調速，根據流量傳感器檢測的風沙量的大小反饋給電磁控制閥控制進口大小，開關裝置通過繼電器控制，缸體側安裝壓力、溫度傳感器監測氣缸環境參數[8-9]。測控系統的硬件構成如圖6所示。

圖6 測試系統硬件結構

控制箱中的數據采集采用NI公司USB-6281數據采集卡，具備16條單端或者8條差分的模擬輸入通道，2條模擬輸出，硬件選型如表1所示[10-12]。

表1 硬件選型

3.2 風沙量的控制

試驗機對風沙的輸入量比較敏感，所以為具體掌握風沙量的輸送，需要一個具體的測量方法，便于數值模擬的進行[13]。設鼓風機的轉速為n，管道直徑為30 mm，風沙的流速為

v=n×0.152×π=0.070 68nm/s

(1)

一定時間內通入的風沙量為Q

Q=vt

(2)

所以在未通過空氣濾清器之前的流量為Q，由于空氣濾清器的過濾作用，導致輸送的風沙并未完全輸入到柴油機中。據查閱資料，大部分的空氣濾清器過濾效果達到99.8%，所以為符合實驗要求，在阻擋風沙的同時要求一部分風沙通過濾清器，于是選取過濾效果為90%的濾清器，此時被濾清器過濾后的流量為Q1，所以

Q1=Q×10%

(3)

設單缸柴油機的進氣量為Q2，且

Q1≤Q2

(4)

可以得出，被過濾后的風沙完全吸入到柴油機中，吸入到柴油機中的量為過濾后的風沙量在時間上的積累，所以得出實時的風沙輸送量

(5)

3.3 軟件工作流程

試驗時，變頻器調節電機轉速帶動驅動裝置工作，樣品沙被吹入振動篩篩選過濾后到沙槽中，在離心鼓風機的工作下，細沙從沙槽中被抽取，然后經過流量控制閥，流量傳感器預置參數，決定所需要的風沙量?？刂葡淇刂茐毫﹂_關、風機開關以及閥門開度，風沙通過空氣濾清器，空氣濾清器的濾芯能夠過濾較大的沙塵顆粒，其余細小的顆粒進入發動機中，從而實現細沙的輸送。另外，工控機發送指令給控制箱，并將采集到的發動機溫度、壓力、轉速等信息通過圖形顯示在顯示屏上，主程序工作流程如圖7所示。

圖7 程序工作流程

系統軟件主機采用LabView設計，交互性好，能夠清楚地觀察試驗機風沙量的變化、轉速以及溫度變化等參數，測試系統界面如圖8所示。

4 測試分析

發動機缸套出現的磨損狀況主要是由于空濾工作失效造成的，考慮到空濾中阻力效果[14]，試驗臺中選用過濾效果為90%的濾清器。在試驗機中模擬不同沙塵濃度下缸套的極限運行時長，在時長轉換中以采棉機在作業時的平均速度22 km/h為依據，通過控制箱得到數據信息，測試結果如圖9所示。

通過測試結果可以看出：沙塵濃度越大時缸套有效運行時長大大降低。理論上大氣當中無沙塵顆粒時，發動機缸套的極限運行時間得到延長，而且越接近0，內燃機缸套極限時長增加越快。因此，在發動機工作時，提高空氣濾清器過濾效果，改善工作條件，對提升發動機使用壽命尤為關鍵。

5 結論

(1)此試驗機操縱方便，實現了對南疆風沙環境下發動機工作狀況的良好模擬，為研究發動機缸套活塞的摩擦磨損提供了一種可控的裝置，對風沙量的多少、風力強弱提供了具體的調節條件。應用LabVIEW圖形化編程軟件進行數據的采集、顯示，利于后期研究工作的深入。

(2)該試驗臺可拓展性強，可用于研究南疆風沙環境對內燃機磨損的規律、空濾的堵塞機制、進氣阻力分析等試驗，對促進南疆地區農業機械裝備的優化改進、加快國產關鍵核心部件的研發，提供了有效參考。