配气机构动力学性能测试装置及其试验方法与流程

本发明属于发动机试验与测试，涉及液压挺柱配气机构的测试，尤其涉及配气机构动力学性能测试装置及其试验方法。

背景技术：

1、配气机构作为发动机核心子系统之一，控制发动机整个换气过程，对整机动力性、经济性、振动与噪声具有极其重要的影响。液压挺柱适应不同工况条件通过调整自身长度使配气机构实时工作在无间隙状态，其可以简单理解为一个由比例环节与二阶振荡环节组成的串联系统，具有典型二阶振荡系统特性，即稳态工作时精确传递运动，完美消除间隙，瞬态工作时过滤高频冲击，消耗振动能量。由于发动机高转速时，响应过慢会致使系统功能失效，二阶振荡系统设计为欠阻尼系统时，可使系统响应更快，进而降低气门落座冲击，减缓零件磨损，实现配气机构全寿命周期内的免维护，这一特性对于高强化发动机配气机构系统尤为重要。

2、现有技术无法满足高强化发动机液压挺柱配气机构对高精度、非接触、全工况、多参量同步测量及系统级耦合特性分析的需求。精确获得液压挺柱配气机构的气门升程、速度、加速度，对于此类新型配气机构的设计与开发至关重要。因此，有必要开展液压挺柱配气机构动力学性能测试技术研究，可为液压挺柱样件研制、配气机构部件试验以及整机台架考核与后续装车应用提供技术支撑。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术中存在的上述问题，提出配气机构动力学性能测试装置及其试验方法，针对背景技术中存在的技术问题，模拟高功率密度柴油机在恒定最高转速下的运转状态，通过长时间高速高负荷运行，观察液压挺柱可靠性、磨损等性能是否满足产品要求与设计要求，为液压挺柱优化设计提供依据。

2、液压挺柱配气机构动力学性能测试装置，采用驱动系统拖动配气机构模拟发动机运转状况，包括双层台架主体,作为安装载体，上下分区安装被测配气机构与动力组件；

3、还包括第一激光位移传感器和至少一个第二激光位移传感器，第一激光位移传感器通过柔性支架固定于缸盖上，对准被测气门座圈，第二激光位移传感器设置于双层台架主体的基板和/或被测缸盖支撑体上，用于提供与第一激光位移传感测量信号进行差分补偿的参考振动信号，以抑制双层台架主体背景振动对第一激光位移传感测量结果的影响，获得气门真实升程；

4、驱动组件，通过传动组件与被试凸轮轴连接，驱动系统的输出轴外安装扭矩传感器和编码器，测量被试凸轮轴扭矩和角位移；液压组件，用于给被测缸盖的润滑系统提供稳定的液压压力源，液压系统各支路均设有电磁阀和压力传感器，用于润滑的主油路上设有监测用流量传感器，设置的泄压阀用于控制润滑油压力；

5、恒温组件，控制压力油的温度；控制组件，用于监测配气机构动力学性能测试装置的工作状况并发布指令，测量驱动组件对配气机构的输入扭矩，检测液压系统工作状态，接收传感器数据、控制电磁阀开闭动作。进一步的，双层台架主体包括上层安装区和下层安装区，上层安装区设有集油槽，集油槽用于安装被试缸盖总成，被试缸盖总成包括缸盖、液压挺柱、气门、摇臂总成和凸轮轴；

6、集油槽底部设有回油口，回油口经回油过滤器和回油泵连通液压组件；集油槽顶部设有可移除透明罩盖。进一步的，下层安装区预留有多个工装安装位，以通过更换工装适配上置凸轮轴配气机构和下置凸轮轴配气机构；

7、下层安装区的顶板上吊装有液压油轨，液压组件作为压力油源提供动力，液压组件内的泵或供油装置产生压力油，压力油经高压过滤器过滤后，通过高压防爆油管进入液压油轨，液压油轨用于将压力油稳定地分配到各金属液压管路，进行稳压、蓄能、分配和过渡连接，金属液压管路与其他油道连接，从而把压力油与主油道连通。进一步的，液压油轨上设有高速电磁阀、蓄能器和油轨压力传感器，通过产生周期性或随机油压波动，模拟发动机实际工况下的油压脉动特性；同时在液压挺柱进油孔处增设微型高频压力传感器，实时监测液压挺柱内部油压波动，结合气门运动曲线，分析液压挺柱在欠阻尼状态下的动态响应机理；

8、还包括多个独立加热元件，分别布置于被试缸盖的进气道侧、排气道侧以及进排气摇臂液压挺柱安装孔处，数据采集与控制系统根据温度传感器的信号对各独立加热元件分别进行pid控制，对缸盖的多个区域进行差异化温度控制，以构建非均匀分布的缸盖温度场，从而匹配真实发动机的缸盖温度场分布。

9、进一步的，高速电磁阀作为脉动激发源，通过高频启闭油路产生压力突变，模拟实际工况下的油压脉动，其响应时间≤3ms，工作频率覆盖0~150hz，额定压力达1.5mpa，额定流量为5~30l/min；

10、蓄能器作为波形塑造与缓冲元件，吸收液压冲击并调节系统等效液压刚度，将压力突变整形为接近真实的平滑脉动波形，其公称容积为0.1~1.0l，额定压力2.0~5.0mpa，预充压力设定在0.1~0.8mpa；

11、油轨压力传感器作为反馈监测器，实时高频捕捉油轨动态压力，为数据分析与闭环控制提供精准信号，其测量量程为0~1.6mpa，响应时间≤0.5ms，固有频率≥2khz，综合精度≤±0.5%fs；

12、高速电磁阀、蓄能器和油轨压力传感器匹配，共同实现对液压系统动态特性的高保真模拟。进一步的，控制驱动组件包括伺服电机、主动轮、从动轮、同步带、张紧机构和飞轮；以伺服电机作为主驱动件，伺服电机通过电机座固定安装在双层台架主体上，伺服电机的动力输出端依次通过第三弹性联轴器、扭矩传感器和第二弹性联轴器与主动轮同轴连接，以驱动主动轮旋转，并通过扭矩传感器实时监测传动扭矩；

13、主动轮通过同步带与从动轮传动连接，从而驱动从动轮旋转，从动轮固定在双层台架主体的侧面基板上，在同步带旁侧设有张紧机构，用于调节同步带的松紧度，从动轮的输出端同轴设有编码器以采集转速信号，并通过第一弹性联轴器与配气机构连接，进而驱动配气机构旋转，以模拟发动机的实际运转状况。使用配气机构动力学性能测试装置进行刚度静态标定测试方法，包括以下步骤：s1、将贴好应变片的摇臂总成与气门装到缸盖上，将被试缸盖总成安装于集油槽内，并将应变片接入桥路；s2、旋转凸轮轴，使气门与气门座分离设定距离，2~3mm；s3、将第一激光位移传感器通过柔性支架固定，并使测量点对准摇臂总成的气门侧顶部；s4、将加载机构安装至集油槽底部或缸盖底部，并使施力推杆对准气门中心；

14、s5、开启液压组件和恒温组件，向缸盖主油道输送额定压力温度的润滑油；

15、s6、通过加载机构对气门端施加载荷，并同步记录载荷值、应变值和第一激光位移传感器测得的位移值，重复多次以上步骤，并记录多组数据；

16、s7、观察载荷值，直到达到目标值后卸去载荷；

17、s8、根据载荷值、应变值和位移值，获得静态刚度标定数据，保存记录数据，将采集的载荷和应变值，通过最小二乘法分别得出配气机构进、排气系统的刚度和载荷关系图。使用配气机构动力学性能测试装置进行动力学性能测试的测试方法，包括以下步骤：

18、s1、将被试缸盖总成安装于集油槽内，将第一激光位移传感器测头光斑聚焦在气门底面，将第二激光位移传感器设置于基板和/或缸盖支撑体上，将微型高频压力传感器设置于液压挺柱的进油孔处或进油孔附近的油道中；

19、s2、开启配气机构动力学性能测试装置，开启液压组件和恒温组件，依次按所需试验工况要求设定发动机转速和机油压力，开启驱动组件中的伺服电机，调整凸轮轴转速，以使得驱动组件的运行正常，调整供油压力至0.1mpa以上，温度升至80℃~90℃并稳定，以使得液压挺柱高压腔形成稳定油膜；

20、s3、待转速稳定后，同步采集凸轮轴扭矩、角位移、气门升程、液压挺柱内部油压、油温、油压数据，采集时间1分钟，其中气门升程为真实升程，通过对第一激光位移信号和第二激光位移信号进行差分处理获得；

21、s4、从采集的气门升程数据中截取10个稳定循环，数据处理取平均值，获得该工况下气门升程、速度及加速度的变化趋势图；

22、s5、结合静态刚度曲线与动态响应数据，利用最小二乘法反演液压挺柱在不同转速、不同油压工况下的实际阻尼比与动态刚度，实现“液压挺柱-配气机构-油路”耦合动力学的量化分析；

23、s6、实时计算气门落座能量，当落座能量异常时预警，并通过高速电磁阀调节油压。

24、进一步的，根据气门真实升程计算气门速度、气门加速度和气门落座能量；将静态刚度标定数据与动态响应数据进行系统辨识，获得液压挺柱动态阻尼比和动态刚度；动态响应数据包括气门真实升程、气门速度、气门加速度和液压挺柱内部油压中的至少一种。进一步的，设定油压脉动包括周期性油压脉动或随机油压脉动；系统辨识包括将液压挺柱等效为包含比例环节和二阶振荡环节的串联系统；

25、油压闭环控制包括：当连续预设数量循环的气门落座能量超过预设阈值时输出预警；当气门落座能量高于预设上限时，控制高速电磁阀降低液压油轨的油压；当气门落座能量低于预设下限时，控制高速电磁阀提高液压油轨的油压。

26、相对于现有技术，本技术所述的配气机构动力学性能测试装置及其试验方法具有以下有益效果：

27、（1）本技术在流体动力学模拟与监测方面，通过在液压油轨上集成高速电磁阀与蓄能器，产生周期性或随机油压波动，高保真模拟实际工况下的油压脉动特性；同时在液压挺柱进油孔处增设微型高频压力传感器，实时精准监测挺柱内部油压波动，结合气门运动曲线，分析液压挺柱在欠阻尼状态下的动态响应机理；其次，在动力学参数量化识别方面，本发明结合静态刚度标定曲线与动态加速度响应数据，利用最小二乘法建立系统辨识模型，精准反演出液压挺柱在不同转速和油压工况下的实际阻尼比与动态刚度，实现了“液压挺柱-配气机构-油路”多物理场耦合动力学的量化分析；最后，在热力学边界还原方面，通过在缸盖的进气道侧、排气道侧以及进排气摇臂液压挺柱安装孔处布置多个独立控制的加热元件与温度传感器，实现了缸盖温度场的非均匀分布模拟，有效解决了传统测试中缸盖等温假设与真实发动机温度场差异巨大的问题，为配气机构动力学性能评估提供了高度真实的综合测试环境。（2）本技术采用双层台架布局，实现被测配气机构与动力液压系统的功能分区，隔离设置，有利于降低台架重心，减少油液飞溅、液压脉动和驱动振动对测量区域的干扰，便于激光位移传感器、温度场模拟单元和液压挺柱内部压力监测单元的安装与调整；提高激光测量、压力监测和温度控制的稳定性，并便于油液回收、部件维护和多机型工装更换，提高了测试稳定性、结构通用性和可维护性。

28、（3）本技术第一激光位移传感器经柔性支架固定于被测缸盖，实现了气门升程的非接触、无附加质量全量程测量，避免了附加质量对动力学特性的干扰；同时，在台架基板和/或缸盖支撑体上增设第二激光位移传感器采集台架背景振动信号，通过差分算法对两路信号进行实时处理，有效剔除台架背景振动噪声。该结构解决了现有技术中背景振动与测量信号耦合干扰的问题，大幅提升了测量精度，获取了高精度的气门真实升程数据。

29、（4）本技术控制组件采用ni测控设备，通过测控设备实时计算气门落座瞬时速度与冲击能量，并与预设阈值比对，在能量异常时自动预警，为配气机构早期磨损故障诊断提供量化依据。同时，将落座能量作为反馈信号，通过高速电磁阀动态调节液压油轨压力，使落座能量始终维持在最优区间。该结构实现了气门落座过程的主动优化与闭环自适应控制，有效避免了气门异常冲击，显著提升了配气机构的运行可靠性与使用寿命。