CN1015740B - 局部薄壁法测量活塞环径向压力分布的装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种局部薄壁法测量活塞环径向压力分布的装置及其标定方法。该装置采用凸轮一夹盘式的弹性夹紧装置，先将活塞环置于环规中，借助弹性夹紧装置夹紧后，既保证测量时活塞环的灵活转动而不被擦伤，又保证准确的定位。以获得测量的准确值。对装置的标定采用充气而加压或放气减压的办法，以测得其内部的压力与最薄处应变的对应值，通过对离散数据的数学处理，得到径向压力与最薄处应变的函数关系。

Description

本发明涉及机械测量技术领域，是测量活塞环径向压力分布的装置及其标定方法。

活塞环是机械工程中的内燃机、空气压缩机等往复式机械的关键零件。解决活塞环装入气缸后与缸壁之间径向接触压力分布P_γ＝f（θ）的测量问题，在工程上有重要意义。活塞环的自由状态型线是按照机械的要求，选定径向压力分布函数，借助CAD获得的。然后，在工艺加工过程中实现这样的型线。从理论上讲，具有这种型线的活塞环装入气缸之后，应再现原先选定的径向压力分布，但实际上可能出现偏差。如能准确地测定活塞环的径向压力分布，就能判断出现偏差的原因，是加工工艺问题或是CAD设计问题;如在加工中实现了原先选定的径向压力分布，则通过台架试验可判断所选定的压力分布是否合理与有效。由此可见，测定活塞环的径向压力分布，对活塞环的设计与生产十分重要。但由于它涉及接触应力的测量，使得它成为近百年来技术上的一大难题。

以往曾采用过多种测量方法，但均因其在原理上或测量精度上的缺点而未获得推广应用。这些方法中的单点法和多点法仅能测出一点或多点的集中应力而不是压力。著名的西德Goetze厂所采用的薄带法，先用金属薄带将活塞环箍到闭口间隙时将活塞 环固定，然后测定其外形上12个点的坐标值，再通过计算的方法算出活塞环的径向压力分布。此法仅是一种半测量半计算的方法，并非完全的测量方法。

本发明的目的是提供一种能方便、准确地直接测量活塞环径向压力分布的装置及其标定方法。

本发明的基本思想是基于薄壁测量的原理，即在一定壁厚的园筒上切去一弓形块而形成具有局部薄壁的环规，其内径与活塞环名义直径相同，在其最薄处贴上微型应变片。当活塞环置于环规时，其作用于薄壁处的径向压力导致应变片受拉变形而输出与径向压力相对应的微应变。为测量活塞环某点处的径向压力，需将该点旋转至贴应变片处，这就要求活塞环能有效地旋转定位，并不致擦伤环规与活塞环;而在测量径向压力数值时，又要使活塞环处于非夹紧的正常状态，以获得正确的测量值。本发明采用了凸轮-夹盘式的弹性夹紧装置，实现了本发明的目的。

本发明的装置结构如附图1所示。由环规1、环形零件2、弹簧3、弹簧托片4、两个偏心凸轮5、倒T形零件6、凸轮小轴7组成，在环规1上切去一弓形块，使该处形成局部薄壁（厚度一般在0.35～0.65mm之间），图2为环规1切去弓形块后的剖示图。薄壁处贴有微型应变片9。环形零件2的中心孔由倒T形零件6的杆状部分穿过，2的上部由环规1的上端面支托，而其下部为园环形，其外径与环规1的直径匹配。倒T形零件6下部为一园形盘，其直径也与环规1的直径相匹配，其中心杆的上部有一孔，由凸轮小轴7穿过，两个偏心凸轮5装在小轴7上，位于倒T形零件6的中间 杆的两侧，与弹簧托片4相联系。弹簧3放在弹簧托片4与环形零件2之间。测量时，先将活塞环8放置在倒T形零件6的园盘与环形零件2之间，然后置于环规1之内;转动凸轮小轴7，当凸轮5的突出部分处于下方而压于弹簧托片4时，弹簧3受压，将倒T形零件6上推，而把活塞环弹性地压紧。此时，转动环形零件2，可带着活塞环8，倒T形零件6一起转动。当测量活塞环8某点处的径向压力时，把被测点转至环规1的最薄处后转动凸轮小轴7，使凸轮的突出部分转动到上方，弹簧3被放松，倒T形零件6借自重而下降，将活塞环松开，从而通过应变片9而测出了活塞环作用于环规最薄处的径向压力。

为了在测量时对活塞环8正确定位，本装置采用了刻线对准法。即在环规1的上部端面上刻有刻度线，例如每隔5°刻一条刻度线，在环形零件2上固定一个定位块10。使用时，将定位块的边线对准活塞环8的闭口间隙，然后借弹性夹紧装置夹紧后而旋转，当定位块10的边线与环规1上的某一刻度线重合时，即表示活塞环8某一点处于环规1的最薄处，这样就能准确地将活塞环所有被测点调到环规1的最薄处。除上述划线对准法外，还可用角度传感器进行定位。

上述装置中在环规1最薄处贴的是微型应变片，直接测到的是该处的微应变με，而实际需要的是活塞环的径向压力值。因此，本发明中还对上述装置进行标定，以建立微应变与径向压力的对应关系，具体标定方法如下：在环规1的上下两端面上分别加密封盖板，由螺母固紧，上端密封盖上装有压力表和可充放气的气门，通过气门对环规1内充气加压，压力表指示出环规1内的压力读数，用静态应变仪测出最薄处应变片的应变值με。对应于一 系列压力值P_γi，可测得对应的应变值με_i，i＝1，2，……n，一般可n＝10;将离散点（P_γi，μ_εi）进行数学处理，如用最小二乘法，即得该装置的径向压力P_γ与应变με的函数式。对于不同的装置，P_γ与με的对应关系也有所不同，因此，每个装置都要用上述方法进行单个标定。因此在实际测量活塞环某点处的径向压力时，只要测得对应于该点应变值με，再借该装置的P_γ-μ_ε对应关系，即得到在该点处的径向压力值P_γ。

用上述方法标定时，气门可采用自行车轮胎的充气气门，用普通的打气筒就能对环规1充气加压。减压标定时，只要旋松螺母即可放气，以降低环规1内的压力。

对应不同缸径的活塞环，上述装置应设计成尺寸不同的环规。特别对于大缸径的活塞环，装置中的环形零件2和倒T形零件6可分别设计成组合式的，以利于加工，但测量原理与方法与上述的相同。倒T形零件6的杆状部分也可设计成组合式的，以利于调节弹簧3的弹力，使得对活塞环的夹紧力是可调节的。

本发明提出的装置结构简单，标定方便，可任意测量活塞环上某点处的径向压力。由于活塞环与园环规是连续接触的，保证了这与它在气缸中受力状态的相同，因而所测得径向压力分布的精确度是高的。例如，曾对本装置测得的活塞环径向压力分布值进行数值积分，求得径向压力平均值，与用薄带法测得的径向平均压力相比较，二者甚为接近，这充分说明本装置是有效而可靠的。

图1为本发明装置的结构剖示图。

图2为本发明装置环规在切去弓形块后的简单剖示图。

下面为一个实施例，说明活塞环8的名义直径＝95mm时，对该装置标定所得到的P_γ与μ_ε数值对应表：

加压时：

序号，i    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10

压力，bar，P_γi 0.32 0.60 0.905 1.195 1.50 1.86 2.10 2.40 2.69 2.96

微应变，με_i47 91 135 177.2 221 275 308 352 392 430

减压时：

序号，i    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10

压力，bar，P_γi0.295 0.60 0.895 1.195 1.50 1.80 2.10 2.40 2.70 2.96

微应变，με_i42 90 131.6 176 220 265 308 352 394.2 430

按照以上数据，用最小二乘法可得到对应于单位微应变的压力值K_p为：

$K_P=\frac{\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(P}}_{\mathrm{r\; i}}{\mathrm{)\; (\; \mu \; \epsilon }}_i)}{\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(\; \mu \; \epsilon }}_i{)}^2}{\mathrm{=\; 0.683\; \times \; 10}}^2\frac{\mathrm{bar}}{\mathrm{\mu \; \epsilon }}$

Claims (3)

1、一种局部薄壁法测量活塞环径向压力分布的装置，由环规1、环形零件2、弹簧3、弹簧托片4、两个偏心凸轮5、倒T形零件6、凸轮小轴7组成，其特征在于在环规1上切去一弓形块，使其最薄处的厚度在0.35～0.65mm之间，此处贴有微型应变片，环形零件2的中间孔由倒T形零件6的杆状部分穿过，上部由环规1上端面所支托，下部为环形，其外径与环规1直径相匹配，倒T形零件6下部为园盘，直径与环规1直径相匹配，其杆状部分的上部有孔，由凸轮小轴7穿过，两个偏心凸轮5装在小轴7上，位于倒T形零件6的两侧，与弹簧托片4相联系，弹簧3设在托片4与环形零件2之间，从而构成了弹性夹紧装置。测量时，将活塞环8放置于倒T形零件6的园盘与环形零件2之间，然后置于环规1之内，转动凸轮小轴7，通过弹簧3，使零件6上推，将活塞环弹性夹紧，再转动零件2，将活塞8的被测点转至环规1的最薄处，放松弹簧3，并松开活塞环，即可进行测量。

2、根据权利要求1所述测量装置，其特征在于在上述环规1的上端面上刻有刻度线，在环形零件2上固定一定位块10，用于对活塞环在环规1中的对准定位。

3、一种专用于权利要求1所述的活塞环径向压力测量装置的标定方法，在环规1的上下端面分别加盖密封板，其中上端盖板上装有压力表和可充放气的气门，其特征在于通过气门对环规1内充气加压，用应变仪测量环规1最薄处的应变值μεi，同时通过压力表读取一系列压力值P_γi，i＝1，2，…n，将离散点（P_γi，με_i）用最小二乘法进行处理，即得装置的径向压力P_γ与应变με的函数关系。

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