[发明专利]一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种缸套活塞环摩擦测试系统，特别是一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统。

背景技术

缸套活塞环是发动机、内燃机等设备中最重要、最关键的运动副，也是运行在高温、高速等恶劣环境下的一种比较典型的运动副。缸套活塞环的摩擦特性对发动机、内燃机的可靠、持久运行具有重要的意义。

现有的缸套活塞环摩擦测试系统采用间接传动的方式，由旋转电机、曲轴连构、缸套、活塞环、活塞杆、上位机组成。旋转电机通过曲轴连杆与活塞杆连接。在测试系统工作时，旋转电机驱动曲轴连杆，将电机旋转运动转变为直线往复运动，从而间接驱动活塞杆带动活塞环在缸套中进行直线往复运动。上位机采集活塞环运动过程中与缸套间的摩擦力信号，采用简单的拟合算法等对活塞环的摩擦系数进行辨识。由于在这种采用间接传动方式的缸套活塞环摩擦测试系统中存在中间传动装置引起的传动误差，所以其传动精度不高，在进行高频往复运动时的测量误差尤为明显。在对实验数据的处理上，由于只是采用简单的拟合算法等对活塞环的摩擦系数进行辨识，故辨识精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，解决现有的采用间接传动方式的缸套活塞环摩擦测试系统存在的间隙、低带宽以及摩擦系数辨识精度低的问题。

一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座、缸套、活塞环、活塞杆、上位机，还包括：摩擦系数辨识模块、导轨、直线电机、驱动器、连接件、滑块、力传感器A、力传感器B、力传感器C、力传感器D、力传感器支架A、力传感器支架B、数据采集卡；其中，摩擦系数辨识模块驻留在上位机内，摩擦系数辨识模块的功能为实现对活塞环摩擦系数的参数辨识。底座垂直放置在地面上；直线电机、导轨竖直置于底座前方并均与底座螺钉连接，直线电机的运动方向与导轨平行；连接件与直线电机的动子螺钉连接；滑块置于导轨上，所述滑块与连接件螺钉连接；活塞杆与滑块固定连接且所述活塞杆与导轨平行；活塞环置于活塞杆下部并与活塞杆套接；力传感器支架A位于滑块的下端并与导轨螺钉连接；力传感器支架B置于导轨下端并与导轨螺钉连接；力传感器A、力传感器B的上端与力传感器支架A螺钉连接；缸套竖直放置在两个力传感器支架之间，缸套上端分别与力传感器A、力传感器B的下端螺钉连接，缸套下端分别与力传感器C、力传感器D的上端螺钉连接；力传感器C的下端、力传感器D的下端均与力传感器支架B螺钉连接；活塞杆套有活塞环的一端伸入缸套内；上位机的串口与驱动器的控制信号输入端导线连接；驱动器的驱动电源输出端与直线电机的电源输入端导线连接；上位机与数据采集卡由PCI卡槽连接；数据采集卡的模拟信号输入端与力传感器A、力传感器B、力传感器C、力传感器D的模拟信号输出端导线连接；数据采集卡的数字信号输入端与直线电机光电编码器的输出端导线连接。

本测试系统处于工作状态时，通过上位机将运动指令发送给驱动器，驱动器根据运动指令输出相应的驱动电源信号给直线电机，直线电机进行相应的运动，通过连接件直接驱动滑块在导轨上滑动，固定在滑块上的活塞杆带动活塞环在缸套中运动，固定在缸套两端的力传感器测量活塞环与缸套间的摩擦力信号，数据采集卡同步采集直线电机光电编码器输出的速度脉冲信号以及四个力传感器测量到的摩擦力信号并送入上位机，控制直线电机进行不同频率不同运动模式的运动，将采集到的各组速度及对应的摩擦力数据送入上位机并保存，驻留在上位机中的摩擦系数辨识模块通过这些数据对活塞环的摩擦系数进行辨识。

为了对活塞环的摩擦系数进行精确的辨识，摩擦系数辨识模块采用基于Lugre模型和粒子群优化算法，对采集到的活塞环的速度、摩擦力信号进行计算处理，实现了活塞环摩擦系数的参数估计。LuGre模型的数学描述如下：

其中，t是时间，是摩擦力， 是预滑动阶段摩擦副表面平均变形，是摩擦副运动速度，捕获了粘性摩擦和Stribeck效应，六个待辨识参数分别如下：是库仑摩擦力，是静摩擦力，是Stribeck速度，是预滑动阶段摩擦副表面刚度系数，是预滑动阶段摩擦副表面阻尼系数，是滑动阶段粘性摩擦系数。