郭展宏，張佳佳，王旭峰，張有強(qiáng)

(1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qū)緊鄰塔克拉瑪干沙漠，晝夜溫差大，沙塵天氣頻繁，而該地區(qū)由于獨(dú)特的地理位置非常適合優(yōu)質(zhì)棉種的種植。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局新疆調(diào)查總隊(duì)的數(shù)據(jù)顯示：2021年新疆棉花種植面積占全國(guó)棉花種植面積的82.76%，產(chǎn)能約占全國(guó)九成，2022年棉花耕種收綜合機(jī)械化水平達(dá)94.49%。在秋收季節(jié)，采棉機(jī)、大型拖拉機(jī)等動(dòng)力機(jī)械集中作業(yè)，高溫沙塵等環(huán)境條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱困難，缸套活塞環(huán)作為內(nèi)燃機(jī)重要的摩擦副，其摩擦學(xué)特性影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)氣缸磨損做了很多研究工作。KUMAR等[1]提出的測(cè)量程序可用于在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后測(cè)量氣缸孔徑，從而估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均磨損深度。國(guó)內(nèi)也提出了幾種較為具體的樣品試驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ椭会槍?duì)溫度、材質(zhì)對(duì)缸套活塞磨損的影響，不能很好地模擬風(fēng)沙環(huán)境下的磨損狀況。還有一些實(shí)車試驗(yàn)，能夠達(dá)到實(shí)際環(huán)境要求，但周期長(zhǎng)、成本高[2-4]。因此，有必要設(shè)計(jì)臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)來模擬風(fēng)沙嚴(yán)重地區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況，探究其磨損規(guī)律，提升發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性，為發(fā)動(dòng)機(jī)的綠色環(huán)保設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)方案

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)概述

柴油機(jī)缸套-活塞磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底板、風(fēng)沙吹入機(jī)構(gòu)、風(fēng)沙輸入管、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)沙輸出管、空氣濾清器、電機(jī)、控制主機(jī)等裝置[5]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)

1.2 樣品采集分析

風(fēng)沙環(huán)境模擬實(shí)現(xiàn)。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口在1.5 m左右。因而在風(fēng)沙天氣下使用梯度測(cè)量?jī)x收集1.5 m左右處一定量風(fēng)沙，采用便攜式粒度測(cè)量?jī)x器得到距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口100、120、130、150 cm的風(fēng)沙平均粒徑分布情況如圖2所示。可知：1.5 m處風(fēng)沙平均粒徑20～50 μm的占比最大。

圖2 風(fēng)沙粒徑分布特征

試驗(yàn)前到兵團(tuán)第一師阿拉爾市十二團(tuán)棉田當(dāng)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(zhì)。首先，對(duì)采樣的沙土使用振動(dòng)篩進(jìn)行過濾，振動(dòng)篩由三層濾網(wǎng)組成，每一層的濾網(wǎng)網(wǎng)眼直徑都在減小，當(dāng)開啟振動(dòng)篩時(shí)，振動(dòng)篩兩側(cè)的振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生激震力，由于整個(gè)主要的振動(dòng)篩框架都建立在底部的4個(gè)彈簧上，當(dāng)振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)時(shí)，也帶動(dòng)整個(gè)框架振動(dòng)，采集的沙土產(chǎn)生了上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(yàn)箱當(dāng)中。

2 試驗(yàn)機(jī)的核心組件

2.1 風(fēng)沙輸送裝置

風(fēng)沙輸送結(jié)構(gòu)如圖3所示。風(fēng)沙吹入機(jī)構(gòu)、鼓風(fēng)機(jī)以及儲(chǔ)沙箱固設(shè)在底板支架上，儲(chǔ)沙箱的頂端開設(shè)有進(jìn)沙口，且其底端與鼓風(fēng)機(jī)連通，鼓風(fēng)機(jī)的一端與風(fēng)沙輸入管連接，且鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)遠(yuǎn)離風(fēng)沙輸入管的一端安裝有風(fēng)機(jī)組件，進(jìn)沙口位于風(fēng)機(jī)組件與風(fēng)沙輸入管之間。為了對(duì)進(jìn)入缸體內(nèi)的空氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鼓風(fēng)機(jī)靠近風(fēng)沙輸入管的一端安裝有傳感器組件，用于監(jiān)測(cè)含風(fēng)沙氣流的流量、溫度及濕度，便于通過對(duì)細(xì)沙的質(zhì)量、溫度及濕度的控制來對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行單一變量控制，深化研究?jī)?nèi)容。

圖3 風(fēng)沙輸送結(jié)構(gòu)

為了便于控制，風(fēng)沙輸入管和風(fēng)沙輸出管上均安裝有可拆卸的空氣凈化器和單向閥；風(fēng)沙輸入管上空氣凈化器可以對(duì)存在過濾情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行檢測(cè)，風(fēng)沙輸出管上的空氣凈化器用于凈化排出到環(huán)境的空氣，避免對(duì)環(huán)境造成影響；空氣凈化器內(nèi)的濾芯可以拆卸更換，降低設(shè)備的維護(hù)成本。

2.2 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)皮帶、曲柄以及連桿，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定安裝在底板上，且其輸出軸通過傳動(dòng)皮帶與曲柄傳動(dòng)連接。連桿的一端與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端與活塞的下端面固定連接[7]。試驗(yàn)艙的頂端固設(shè)有連接件，且連接件上貫穿有兩個(gè)通孔，兩個(gè)通孔分別與風(fēng)沙輸入管和風(fēng)沙輸出管連接。為了提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，底板上安裝有控制主機(jī)與電源，控制主機(jī)分別與風(fēng)沙吹入機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電性連接。

圖4 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

缸體與活塞安裝到試驗(yàn)艙內(nèi)，將驅(qū)動(dòng)組件與活塞連接，稱量合適質(zhì)量、溫度和濕度的細(xì)沙加入到儲(chǔ)沙箱內(nèi)，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)將空氣及細(xì)沙一起通過風(fēng)沙輸入管輸送至缸體內(nèi)，此時(shí)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)活塞在缸體內(nèi)運(yùn)行，傳感器組件將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至控制器和控制主機(jī)并進(jìn)行記錄；運(yùn)行一段時(shí)間后，停止鼓風(fēng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)組件，對(duì)缸體的沖蝕磨損情況進(jìn)行記錄。利用控制單一變量的試驗(yàn)方法，進(jìn)行變量的逐個(gè)試驗(yàn)，從而總結(jié)出風(fēng)沙侵蝕磨損規(guī)律及其機(jī)制，為發(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 缸套活塞表面磨損的測(cè)量裝置

基于圓柱度儀改進(jìn)磨損量測(cè)量裝置如圖5所示。首先對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行改裝，將原儀器的水平臂加長(zhǎng)，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(guān)節(jié)相連，并且加上調(diào)整裝置。將氣缸固定在適當(dāng)位置，然后將改裝好的圓柱度儀的電感頭插入氣缸孔內(nèi)，首先，將電感頭放置在氣缸的未磨損部位，期間應(yīng)保持氣缸孔中心和測(cè)量頭中心重合，電感頭向下移動(dòng)，每移動(dòng)一段距離就記錄下磨損的尺寸，從而測(cè)得磨損曲線。

圖5 改進(jìn)圓柱度儀磨損量測(cè)量

3 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)中的鼓風(fēng)調(diào)速電動(dòng)機(jī)，通過變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，根據(jù)流量傳感器檢測(cè)的風(fēng)沙量的大小反饋給電磁控制閥控制進(jìn)口大小，開關(guān)裝置通過繼電器控制，缸體側(cè)安裝壓力、溫度傳感器監(jiān)測(cè)氣缸環(huán)境參數(shù)[8-9]。測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制箱中的數(shù)據(jù)采集采用NI公司USB-6281數(shù)據(jù)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(fēng)沙量的控制

試驗(yàn)機(jī)對(duì)風(fēng)沙的輸入量比較敏感，所以為具體掌握風(fēng)沙量的輸送，需要一個(gè)具體的測(cè)量方法，便于數(shù)值模擬的進(jìn)行[13]。設(shè)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，管道直徑為30 mm，風(fēng)沙的流速為

v=n×0.152×π=0.070 68nm/s

(1)

一定時(shí)間內(nèi)通入的風(fēng)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(dǎo)致輸送的風(fēng)沙并未完全輸入到柴油機(jī)中。據(jù)查閱資料，大部分的空氣濾清器過濾效果達(dá)到99.8%，所以為符合實(shí)驗(yàn)要求，在阻擋風(fēng)沙的同時(shí)要求一部分風(fēng)沙通過濾清器，于是選取過濾效果為90%的濾清器，此時(shí)被濾清器過濾后的流量為Q1，所以

Q1=Q×10%

(3)

設(shè)單缸柴油機(jī)的進(jìn)氣量為Q2，且

Q1≤Q2

(4)

可以得出，被過濾后的風(fēng)沙完全吸入到柴油機(jī)中，吸入到柴油機(jī)中的量為過濾后的風(fēng)沙量在時(shí)間上的積累，所以得出實(shí)時(shí)的風(fēng)沙輸送量

(5)

3.3 軟件工作流程

試驗(yàn)時(shí)，變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置工作，樣品沙被吹入振動(dòng)篩篩選過濾后到沙槽中，在離心鼓風(fēng)機(jī)的工作下，細(xì)沙從沙槽中被抽取，然后經(jīng)過流量控制閥，流量傳感器預(yù)置參數(shù)，決定所需要的風(fēng)沙量?？刂葡淇刂茐毫﹂_關(guān)、風(fēng)機(jī)開關(guān)以及閥門開度，風(fēng)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(xì)小的顆粒進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)沙的輸送。另外，工控機(jī)發(fā)送指令給控制箱，并將采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、壓力、轉(zhuǎn)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(tǒng)軟件主機(jī)采用LabView設(shè)計(jì)，交互性好，能夠清楚地觀察試驗(yàn)機(jī)風(fēng)沙量的變化、轉(zhuǎn)速以及溫度變化等參數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)界面如圖8所示。

4 測(cè)試分析

發(fā)動(dòng)機(jī)缸套出現(xiàn)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(yàn)臺(tái)中選用過濾效果為90%的濾清器。在試驗(yàn)機(jī)中模擬不同沙塵濃度下缸套的極限運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，在時(shí)長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中以采棉機(jī)在作業(yè)時(shí)的平均速度22 km/h為依據(jù)，通過控制箱得到數(shù)據(jù)信息，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

通過測(cè)試結(jié)果可以看出：沙塵濃度越大時(shí)缸套有效運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)大大降低。理論上大氣當(dāng)中無沙塵顆粒時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的極限運(yùn)行時(shí)間得到延長(zhǎng)，而且越接近0，內(nèi)燃機(jī)缸套極限時(shí)長(zhǎng)增加越快。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，提高空氣濾清器過濾效果，改善工作條件，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命尤為關(guān)鍵。

5 結(jié)論

(1)此試驗(yàn)機(jī)操縱方便，實(shí)現(xiàn)了對(duì)南疆風(fēng)沙環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況的良好模擬，為研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸套活塞的摩擦磨損提供了一種可控的裝置，對(duì)風(fēng)沙量的多少、風(fēng)力強(qiáng)弱提供了具體的調(diào)節(jié)條件。應(yīng)用LabVIEW圖形化編程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、顯示，利于后期研究工作的深入。

(2)該試驗(yàn)臺(tái)可拓展性強(qiáng)，可用于研究南疆風(fēng)沙環(huán)境對(duì)內(nèi)燃機(jī)磨損的規(guī)律、空濾的堵塞機(jī)制、進(jìn)氣阻力分析等試驗(yàn)，對(duì)促進(jìn)南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的優(yōu)化改進(jìn)、加快國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵核心部件的研發(fā)，提供了有效參考。