帶模擬缸壓載荷的配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置研制

黃 瑞，陳俊玄，俞展亮，陳沛禹，汪銘磊，俞小莉

（1. 浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2. 浙江大學(xué) 能源與動(dòng)力國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310027；3. 浙江康和機(jī)械科技有限公司，浙江 臺(tái)州 317200）

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，尤其是對其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型、可靠性以及振動(dòng)噪聲等性能的要求更加嚴(yán)苛，配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)兩大機(jī)構(gòu)之一，其性能好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作各項(xiàng)性能[1-4]。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和信息時(shí)代的到來，電子商務(wù)迅猛發(fā)展，其中物流行業(yè)是電商的基礎(chǔ)，中國載貨汽車保有量逐年增加，截至2019 年6 月已達(dá)2 694 萬輛[5]。我國山路多，急彎陡彎多，載貨汽車質(zhì)量大，制動(dòng)能力要求高，工信部對國標(biāo)GB 7258.2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，要求一定條件的貨車應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置[6]，這也使得車輛缸內(nèi)輔助制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)近幾年發(fā)展迅猛[7-8]。為了保證配氣機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)適用于發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)，需在開發(fā)前后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。配氣機(jī)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)主要測量氣門動(dòng)態(tài)特性曲線，而氣門的動(dòng)態(tài)特性會(huì)受到氣門的載荷、運(yùn)動(dòng)速度、潤滑條件及工作溫度等影響?，F(xiàn)有配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置不具備氣門負(fù)荷加載系統(tǒng)，不能真實(shí)地模擬配氣機(jī)構(gòu)實(shí)際的使用工況，也無法很好地檢測零件的性能[9-15]。因此本文針對帶有發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)輔助制動(dòng)的配氣機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套帶模擬缸壓載荷的配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置并開展了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

帶模擬缸壓載荷的配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置由主體框架、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)與測控系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置的主體框架分上下兩層，上層設(shè)有一個(gè)集油槽，被測缸蓋總成與工裝安裝于集油槽內(nèi)，集油槽底部設(shè)有連接回油過濾器及回油泵的管路，集油槽頂部是一個(gè)可移除的透明罩蓋。下層底面安放伺服電機(jī)、高壓過濾器和回油泵，同時(shí)下層還預(yù)留了下置凸輪軸型發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝空間。液壓系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的潤滑、控制及加載，主體框架下層頂面吊裝著液壓油軌，在油軌上設(shè)有6 路高速電磁閥和壓力傳感器，及蓄能器、泄壓閥、壓力表等。壓力油通過高壓過濾器過濾后經(jīng)高壓防爆油管輸送至液壓油軌，再通過金屬液壓管路與工裝油道連接。

測控系統(tǒng)用于監(jiān)測臺(tái)架工作狀況并發(fā)布指令，激光位移傳感器通過柔性支架固定于缸蓋上，對準(zhǔn)被測氣門的彈簧座圈，用于測量排氣門的升程；扭矩傳感器和編碼器分別與電機(jī)軸和凸輪軸相連；液壓系統(tǒng)各支路均設(shè)有電磁閥和壓力傳感器，其中用于對排氣門加載的支路使用的電磁閥為高速電磁閥，用于潤滑和控制配氣機(jī)構(gòu)切換工作模式的油路還設(shè)有流量傳感器，所有傳感器數(shù)據(jù)接收和電磁閥控制均由NI 測控設(shè)備完成。外接控制柜中除了安裝有NI 測控設(shè)備，還安裝有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高速電磁閥驅(qū)動(dòng)器、交流接觸器、互感器、AC-DC 開關(guān)電源、開關(guān)按鈕、指示儀表等硬件設(shè)備。

主要設(shè)備選型見表1，裝置設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖分別見圖2 和3。

表1 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置主要設(shè)備選型及功能

圖2 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)圖

圖3 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1.2 模擬缸壓載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種模擬缸壓載荷加載系統(tǒng)。根據(jù)被測對象的缸蓋尺寸，設(shè)計(jì)一套專用工裝，在工裝上設(shè)計(jì)凹坑，充當(dāng)機(jī)體上的燃燒室，當(dāng)缸蓋上的某一缸的進(jìn)排氣門都處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，工裝與缸蓋之間的空間形成一個(gè)密閉空間。液壓加載系統(tǒng)如圖4 所示，工作過程如下：測控系統(tǒng)接收激光位移傳感器和編碼器分別采集的排氣門升程信息和凸輪軸的相位信息，在排氣門打開前開啟高速電磁閥，使得液壓油在極短的時(shí)間內(nèi)充入工裝凹坑與缸蓋底面形成的密閉空間，由于燃燒室空間小，并且液壓油經(jīng)過加熱器加熱后黏度低，空間內(nèi)將迅速建立高壓，以此模擬發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)時(shí)氣缸內(nèi)的高壓工況，實(shí)現(xiàn)壓力加載過程。排氣門開啟時(shí)，排氣門克服油壓作用打開，與排氣道相通的一瞬間，液壓油從排氣道外泄，流入集油槽，實(shí)現(xiàn)壓力卸載過程。此過程更能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸內(nèi)輔助制動(dòng)時(shí)的實(shí)際情況。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸內(nèi)輔助制動(dòng)時(shí)，缸壓根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與增壓比變化，可達(dá)到4～7 Mpa，試驗(yàn)裝置液壓加載系統(tǒng)的壓力值可以通過調(diào)節(jié)泄壓閥靈活設(shè)定。

圖4 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置加載方案

2 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本試驗(yàn)裝置的可行性，利用該裝置對帶有缸內(nèi)輔助制動(dòng)功能的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。氣門的動(dòng)態(tài)特性可以通過測量氣門的位移、速度或加速度來反映，考慮到試驗(yàn)裝置的配氣機(jī)構(gòu)型式兼容性與測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文通過對比不同工況下的氣門升程動(dòng)態(tài)曲線來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置。試驗(yàn)中，缸蓋的潤滑油溫度要求保持80～90 ℃，壓力為0.25 MPa。在凸輪軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為950 r/min，即發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min。液壓加載系統(tǒng)的壓力依次設(shè)定為0、3 和6 MPa，缸內(nèi)輔助制動(dòng)模式切換電磁閥處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，試驗(yàn)工況如表2 所示。

表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)表

具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）安裝一套某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)到配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置上；

（2）打開控制柜電源與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，設(shè)定液壓系統(tǒng)加熱器溫度為85 ℃；

（3）調(diào)整激光位移傳感器空間位置，使測量基準(zhǔn)點(diǎn)對準(zhǔn)排氣門彈簧座圈；

（4）調(diào)整凸輪軸角度，使1 缸的排氣升程開啟位置與編碼器零位對齊，并蓋上透明罩蓋；

（5）待液壓系統(tǒng)加熱到80 ℃左右，啟動(dòng)液壓泵站，設(shè)置潤滑油壓力為0.25 MPa，加載系統(tǒng)壓力為0 MPa；

（6）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上電，設(shè)置伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，轉(zhuǎn)速為100 r/min，檢查試驗(yàn)裝置是否正常運(yùn)行；

（7）待液壓系統(tǒng)加熱到85 ℃后，在保持缸內(nèi)輔助制動(dòng)模式切換電磁閥未通電狀態(tài)下，提高伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速到950 r/min，記錄該工況下的激光位移傳感器數(shù)據(jù)、編碼器數(shù)據(jù)及壓力傳感器數(shù)據(jù)；

（8）接通缸內(nèi)輔助制動(dòng)模式切換電磁閥電源，然后依次設(shè)定液壓加載系統(tǒng)的壓力為3 和6 MPa，記錄每個(gè)工況下的激光位移傳感器數(shù)據(jù)、編碼器數(shù)據(jù)及壓力傳感器數(shù)據(jù)；

（9）停止伺服電機(jī)，關(guān)閉加熱器，關(guān)閉液壓泵站；

（10）整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)并關(guān)閉試驗(yàn)裝置電源；

（11）處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 非缸內(nèi)輔助制動(dòng)模式無模擬缸壓加載時(shí)排氣門升程曲線（工況1）

圖6 缸內(nèi)輔助制動(dòng)模式無模擬缸壓加載時(shí)排氣門升程曲線（工況2）

圖7 缸內(nèi)輔助制動(dòng)模式并加載模擬缸壓時(shí)排氣門升程曲線（工況3、4）

對表2 的四個(gè)工況開展試驗(yàn)，分析凸輪軸轉(zhuǎn)角—?dú)忾T升程曲線結(jié)果，并與該機(jī)型的仿真設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。圖5、6、7 分別是不同工況的排氣門升程測量和仿真結(jié)果對比圖，均發(fā)現(xiàn)氣門升程曲線有很好的連續(xù)性，氣門落座平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)氣門飛脫或反跳的現(xiàn)象，且與動(dòng)力學(xué)仿真升程曲線吻合度較好。以圖7 為例，試驗(yàn)測得加載壓力為3 MPa 時(shí)制動(dòng)升程開啟提前角為62°，關(guān)閉角為71°，最大升程為2.87 mm；加載壓力為6 MPa 時(shí)制動(dòng)升程開啟提前角為61°，關(guān)閉角為71°，最大升程為2.86 mm。仿真結(jié)果為開啟提前角62°，關(guān)閉角66°，最大升程3.14 mm。測量與仿真結(jié)果較為接近。

通過試驗(yàn)結(jié)果可知，不論發(fā)動(dòng)機(jī)是否處于缸內(nèi)輔助制動(dòng)工況，本裝置均能較好地測量氣門動(dòng)態(tài)特性曲線。對于帶有缸內(nèi)輔助制動(dòng)功能的發(fā)動(dòng)機(jī)，本試驗(yàn)裝置可以提供模擬缸壓加載功能，從而準(zhǔn)確測量發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)實(shí)際的工作狀況，為發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支持。

4 結(jié)語

本文針對帶有缸內(nèi)輔助制動(dòng)功能發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)測試需求，研制了可以模擬缸壓載荷的配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置，并開展了不同工況的試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的可行性。試驗(yàn)裝置的成功開發(fā)，為國內(nèi)缸內(nèi)輔助制動(dòng)技術(shù)自主開發(fā)提供了更合適的驗(yàn)證手段，也將有助于相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。