CN100565178C - 一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以激光为热源的活塞热疲劳实验装置及方法，该装置包括：支架、控制装置、加热装置、测温装置、监视装置和冷却装置；加热装置由一激光器和一光束整形器组成，激光器发出的激光通过光束整形器后照射垂直照射到活塞表面，光束整形器将激光器发出的一束激光变换成为一束具有多个同心环形光斑的激光。该方法包括：时间控制模式和温度控制模式。两种控制模式均可实现活塞高周或低周热疲劳模拟。本发明具有能够模拟实际工况下活塞表面的温度场分布、实验周期短、可控性好的优点。

Description

一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种热疲劳实验装置，特别是涉及一种以激光为热源的活塞热疲劳的实验装置及实验方法。

背景技术

目前，对于活塞热疲劳的测试装置的已知技术，如浙江大学等许多研究机构，已经相继建立起以电磁感应线圈、石英灯、电阻加热器或燃气火焰喷射器等为加热方式的热疲劳模拟实验平台。一般来说，这类测试装置的不足在于：实验周期比较长，加热区域不可控。

已知的技术中，有采用激光进行材料试样的热疲劳试验装置，如文献1，M.Kutsuna，S.Fujita，Y.Sugita，et al.Thermal fatigue test for turbine housing by a pulseYAG laser[C].SPIE，1999，3888，该文献中公开了采用1.2kW的脉冲式YAG激光器作为加热源的热疲劳测试装置，实验平台为一紫铜热沉，其下通以冷水，作为测试装置的冷却装置，待测试件放于紫铜上，采用热电偶监测试件的温度。文献2，Schaus，Mand Pohl，M.Nd-YAG-laser simulated thermal shock and thermal fatigue behavior ofrailroad steel.Metall，1998，52(7-8)，该文献中公开了采用脉冲式YAG激光器作为加热源、压缩空气或冷水作为冷却介质、红外测温仪作为测温手段的热疲劳测试系统。但是它们共有的缺点在于：不能对活塞整体进行激光诱发热疲劳测试。

因此，现有技术的不足就需要提供一种改进的活塞热疲劳实验装置。

激光光束具有光束能量集中、可进行空间分布变换等优点，将其用于热疲劳模拟实验平台，可大大提高系统的整体性能。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的实验周期长、加热区域不可控的缺点，从而提供一种实验周期短、加热区域可控、对活塞整体测试的激光诱发活塞热疲劳实验装置。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，如图1所示，包括：

一支架(图中未示出)，待测的活塞100通过一个夹具或其它固定装置被固定在支架上；

一个控制装置1，安置在所述支架上或设置在所述支架附近，用于对整个实验装置的工作过程和状态的控制。

一个加热装置2与所述控制装置1连接，固定在所述支架上面位于所述活塞100的上方，用于对活塞100加热；

一个测温装置3与所述控制装置1连接，固定在所述支架上，位于所述活塞100受热表面的斜上方；

一个监视装置4，固定在所述支架上，位于所述活塞100受热表面的斜上方，用于监视活塞100上表面的变化。

进一步地说，在上述技术方案中，所述加热装置2由一激光器21和一光束整形器22组成，所述控制装置1控制所述激光器21的开启和关闭，所述激光器21发出的激光通过所述光束整形器22后照射垂直照射到所述活塞100表面；所述光束整形器22将所述激光器21发出的一束激光变换成为一束具有多个同心环形光斑的激光，圆环的径向宽度和个数取决于光束整形器的选择，针对不同试验要求应选用不同参数的光束整形器。

在上述技术方案中，还包括一个冷却装置5与所述控制装置1连接，固定在所述支架上位于所述活塞100附近，用于对活塞100冷却；所述冷却装置5采用风冷或水冷或者两者结合的方式；所述冷却装置5由空气压缩机51通过一个管道53和一个喷头52连接组成，喷头52将冷却气体喷到所述活塞100的上表面；或者，所述冷却装置5结构设置为：将活塞100放置在铺设好管路的一个水箱上，活塞100的底部有空洞，管路过来的冷水从活塞100底部通入，喷射到活塞100内表面，从活塞100内表面流下的水落入活塞100下面回水收集槽内，并顺着回水出口流走。

在上述技术方案中，所述测温装置3由热电偶组成，为避免激光直接作用于其上，在活塞底部打一个靠近活塞上表面的小孔，将热电偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并将测得的温度数据输入到所述控制装置1；或所述测温装置3由至少一个红外测温仪组成，设置在所述活塞100上表面的斜上方来测量活塞100表面的温度并将温度数据输入到所述控制装置1；最好是，所述测温装置3采用两个红外测温仪组成，对称地分布在所述活塞100上表面斜上方的两侧。

在上述技术方案中，所述监视装置4由至少一个摄像头组成，将所得活塞100上表面的图像输入到所述控制装置1进行处理，来判断活塞100的疲劳状态；最好是，所述监视装置4由三个CCD(Charge Coupled Device，简称CCD)摄像头组成，并等间距设置在所述活塞100上方的一个圆上。

在上述技术方案中，所述控制装置1由至少一台PC机，一图像采集卡，一输入输出(IO)卡和一现场总线卡组成，上述PC机和各个功能卡采用已知技术进行连接。

在上述技术方案中，所述现场总线卡是PROFIBUS现场总线卡。

一种利用上述装置的激光诱发活塞热疲劳的实验方法，如图3所示，包括时间控制模式和温度控制模式，对于时间控制模式，包括如下步骤：

1)通过控制装置1设定加热时间与冷却时间，以及循环次数；

2)设定激光的输出波形，如矩形波(波峰持续时间为加热时间，波谷持续时间为冷却时间)，当加热及冷却周期较短、激光输出波形的波峰和波谷功率差值较小时，系统模拟的是高周疲劳；反之，当加热及冷却周期较长、激光输出波形的波峰和波谷功率差值较大时，系统模拟的是低周疲劳；

3)控制激光器21出光，照射到活塞100的上表面上；

4)判断出光时间，当大于等于设定的加热时间时，关闭激光器21，然后对活塞100进行冷却；

5)判断冷却时间，当大于等于设定的冷却时间时，关闭冷却系统；

6)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束实验；如果否，则返回步骤3)；

对于温度控制模式，包括如下步骤：

a)设定活塞100上某一观测点为控制参考点，并设定该点的温度变化范围的上限温度与下限温度，设定循环次数；当设定的上限温度与下限温度间隔较小时，系统模拟的是高周疲劳；而当设定的上限温度与下限温度间隔较大时，系统模拟的是低周疲劳；

b)控制装置1控制激光器21出光；

c)判断控制参考点的温度；当从测温装置3中观测到参考点温度低于下限温度时，关闭冷却装置5，激光器21光闸打开，激光束作用于活塞100上，活塞100表面温度上升；当该点温度高于上限温度时，激光器21光闸关闭，冷却装置5打开，活塞100表面温度下降；

d)判断是否达到设定的循环次数；如果是，实验完毕，停止装置各部分；如果否，返回步骤b)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)充分利用了激光能量集中，便于参数设定的优点，借助光束整形器，模拟了实际工况下活塞表面的温度场分布；

2)实验周期短、可控性好；

3)为活塞的热疲劳研究提供了有效、可靠的实验条件。

附图说明

图1表示本发明激光诱发活塞热疲劳实验装置的装置示意图；

图2(a)(b)表示本发明激光诱发活塞热疲劳实验装置的部分连接示意图；

图3表示激光诱发活塞热疲劳实验方法的流程图；

图4表示一实施例的温度控制模式低周热疲劳典型实验结果；

图5表示一实施例的时间控制模式高周热疲劳典型实验结果；

图6表示一实施例中在活塞表面的激光光斑示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，制作本发明的激光诱发活塞热疲劳实验装置。

其中，控制装置1，包括一块图像采集卡，一块IO卡，一块PROFIBUS现场总线卡和两台PC机。

加热装置2，主要包括激光器21和光束整形器22。本实施例采用德国HAAS公司的HL 3006D工业用Nd-YAG连续激光器，最大功率为3000W。自带的Winlas软件可通过网线对激光器21进行操控，同时也支持基于Profibus-DP协议的控制软件的开发。由控制装置1来控制激光器21的出光时间和强度等。本实施例选用的激光器21支持Profibus-DP，本发明采用单主站的线型网络拓朴结构，将嵌入在PC机中的现场总线卡设置为主站，激光器21设置为从站，通过Profibus就能实现上位机对激光器21的控制。

为了使模拟实验所得数据更贴近于实际，实验系统需要按照活塞100的实际工况设计温度场分布。在实际工作环境中，实验测得活塞100顶部的温度分布近似为环状分布，根据该实验数据，设计了一种多圆环光束整形器22，激光经过该整形器后，在活塞100表面投射成三个同心圆环，使得活塞100顶部温度分布接近实际工况。光束整形器22采用市场所售的常规产品或由本领域技术人员熟知的方法做成具有该功能的光束整形器；在测试不同的活塞时，应选择不同的光束整形器，以使得激光经过光束整形器后产生的同心圆环的数目和宽度，满足活塞顶部温度分布接近实际工况。

冷却装置5，在本实施例中，采用风冷装置，将空气压缩机51送出来的气流，经过管道53的引导，从架设在活塞100斜上方的喷头52吹出，喷出的气流作用于活塞100的上表面。当然，也可以采用水冷装置，其设计可为：利用活塞的结构特点，将活塞放置在铺设好管路的水箱上，活塞的底部有空洞，管路过来的冷水从活塞底部通入，喷射到活塞内表面，从活塞内表面流下的水落入活塞下面回水收集槽内，并顺着回水出口流走。从上述对冷却装置5的描述，本领域技术人员不难发现，冷却装置5还可以采用其他的冷却方式如风冷和水冷结合方式等，甚至在本发明中可以采用自然冷却的方法等等，总之此处介绍的冷却方法不能理解为对本发明的限制；其他本领域技术人员可以采取的实现该冷却功能的方法均应包含在本发明的范围中。

监视装置4，包括三个CCD摄像头。为了能及时发现实验过程中产生的热疲劳裂纹，本实施例在活塞100上方布置三个CCD摄像头，CCD摄像头相对活塞100成均匀分布，相互间夹角成120°。三个CCD摄像头各负责一片区域，合起来覆盖整个活塞100上表面。三个CCD摄像头与嵌入在PC机内的图像采集卡相连，将采集到的图像传到PC机，PC机上的裂纹分辨程序对传来的图像进行处理，自行分辨是否出现裂纹，一旦发现裂纹长度超过设定的阈值，程序立即发出报警信号。

测温装置3，本实施例采用的是英国LAND公司的System 4型红外测温仪，该仪器的监测波长2.4μm的电磁波，测温范围为150～550℃，将其与PC机的串口相连，把红外测温仪上的测温数据上传到PC机。

如图2(a)、(b)所示，CCD摄像头、激光器21与PC机的连接情况，冷却装置5、红外测温仪与另一个PC机的连接情况；本实施中采用了两台PC机，实际上，为了简约起见，也可以只采用一台PC机实现控制功能。

本实施例是通过多个同心环形的激光斑对活塞100表面加热，红外测温仪为检测试件表面温度，用CCD摄像头监视表面热疲劳裂纹，PC机根据传来的监视信号，控制加热装置2和冷却装置5的工作。

本实施例提供的装置可提供两种实验方案：时间控制模式和温度控制模式。两种控制模式均可实现活塞100高周或低周热疲劳模拟。

在时间控制模式中，设定合适的实验的加热时间与冷却时间，就能够将活塞100的升降温幅度控制在一个稳定的范围内。在激光器21控制程序上设定激光的输出波形，如矩形波(波峰持续时间为加热时间，波谷持续时间为冷却时间)，当加热及冷却周期较短、激光输出波形的波峰和波谷功率差值较小时，系统模拟的是高周疲劳；反之，当加热及冷却周期较长、激光输出波形的波峰和波谷功率差值较大时，系统模拟的是低周疲劳。

在温度控制模式中，设定活塞100上某一观测点为控制参考点，保证该点的温度变化范围在设定的上限温度与下限温度之间。当从红外测温仪或热电偶中观测到该点温度低于下限温度时，水阀、气阀关闭，激光器21光闸打开，激光束作用于活塞100上，活塞100表面温度上升；当该点温度高于上限温度时，激光器21光闸关闭，水阀、气阀打开，活塞100表面温度下降。如此动作不断循环，直到达到设定的循环次数。当设定的上限温度与下限温度间隔较小时，系统模拟的是高周疲劳；而当设定的上限温度与下限温度间隔较大时，系统模拟的是低周疲劳。

整个实验过程，都是由PC机完成，包括实验参数的设定，实验过程的动态监测及各硬件装置的动作控制，并同时在PC上记录下实验数据。

本实施例采用的活塞直径为150mm，高140mm。激光光束经过光束整形器后在活塞表面的光场分布如图6所示，带有斜线的阴影区域表示激光光照区域，其中r₁＝5mm，r₂＝40mm，r₃＝50mm，r₄＝60mm，r₅＝67.5mm。

利用上述装置的一种激光诱发活塞热疲劳实验方法，如图3所示，包括时间控制模式和温度控制模式，对于时间控制模式，包括如下步骤：

1)通过控制装置1设定加热时间为2s与冷却时间为3s，以及循环次数为100次，如图5所示；

2)设定激光的输出波形，如矩形波(波峰持续时间为加热时间，波谷持续时间为冷却时间)；由于加热时间2s、冷却时间3s，波形为矩形波，本实验为高周疲劳测试；

3)控制激光器21出光，照射到活塞100的上表面上；

4)判断出光时间，当大于等于设定的加热时间时，关闭激光器21，然后对活塞100进行冷却；

5)判断冷却时间，当大于等于设定的冷却时间时，关闭冷却系统；

6)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束实验；如果否，则返回步骤3)。

对于温度控制模式，包括如下步骤：

a)设定活塞100上距离中心65mm的一点作为控制参考点，并设定该点的温度变化范围的上限温度320℃与下限温度260℃，设定循环次数50，如图4所示；由于上限温度和下限温度之间间隔较大，故本实验完成低周热疲劳实验；

b)控制装置1控制激光器21出光；

c)判断控制参考点的温度；当从测温装置3中观测到参考点温度低于下限温度时，关闭冷却装置5，激光器21光闸打开，激光束作用于活塞100上，活塞100表面温度上升；当该点温度高于上限温度时，激光器21光闸关闭，冷却装置5打开，活塞100表面温度下降。

d)判断是否达到设定的循环次数；如果是，实验完毕，停止装置各部分；如果否，返回步骤b)。

Claims (6)

1、一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括：

一支架，待测的活塞(100)通过一个夹具或其它固定装置被固定在所述支架上；

一个控制装置(1)，安置在所述支架上或设置在所述支架附近，用于对整个实验装置的工作过程和状态进行控制；

其特征在于，还包括：

一个用于对活塞(100)加热的加热装置(2)与所述控制装置(1)连接，并将所述的加热装置(2)固定在所述支架上面位于所述活塞(100)的上方；

所述的加热装置(2)由一激光器(21)和一光束整形器(22)组成，所述控制装置(1)控制所述激光器(21)的开启和关闭，所述激光器(21)发出的激光通过所述光束整形器(22)后垂直照射到所述活塞(100)上表面；所述光束整形器(22)将所述激光器(21)发出的一束激光变换成为一束具有多个同心环形光斑的激光；

一个用于测量活塞(100)受热区域的温度的测温装置(3)与所述控制装置(1)连接；

一个用于监视活塞(100)上表面变化的监视装置(4)，所述监视装置(4)由三个CCD摄像头组成，并等间距设置在所述活塞(100)受热表面的斜上方；其中所述监视装置(4)将所得活塞(100)上表面的图像输入到所述控制装置(1)进行处理，来判断活塞(100)的疲劳状态；

一个用于对活塞(100)冷却的冷却装置(5)与所述控制装置(1)连接，并将所述的冷却装置(5)固定在所述支架上位于所述活塞(100)附近；

所述控制装置(1)由2台PC机，一图像采集卡，一输入输出卡和一PROFIBUS现场总线卡组成；其中所述的监视装置(4)中CCD摄像头、所述的激光器(21)与一台PC机连接；其中所述的冷却装置(5)、所述测温装置(3)与另一个PC机连接。

2、根据权利要求1所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述冷却装置(5)采用风冷或水冷或者两者结合的方式。

3、根据权利要求2所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述冷却装置(5)由空气压缩机(51)通过一个管道(53)和一个喷头(52)连接组成，喷头(52)将冷却气体喷到所述活塞(100)的上表面；或者所述冷却装置(5)结构设置为：将活塞(100)放置在铺设好管路的一个水箱上，活塞(100)的底部有一空洞，管路过来的冷水从活塞(100)底部通入，喷射到活塞(100)内表面，从活塞(100)内表面流下的水落入活塞(100)下面一回水收集槽内，并顺着一回水出口流走。

4、根据权利要求1所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述测温装置(3)由热电偶组成，将热电偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并将测得的温度数据输入到所述控制装置(1)；或者所述测温装置(3)由至少一个红外测温仪组成，设置在所述活塞(100)上表面的斜上方来测量活塞(100)表面的温度并将温度数据输入到所述控制装置(1)。

5、根据权利要求4所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述测温装置(3)采用两个红外测温仪组成，对称地分布在所述活塞(100)上表面斜上方的两侧。

6、一种应用权利要求1所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置进行活塞热疲劳实验的方法，包括时间控制模式或温度控制模式，对于时间控制模式，包括如下步骤：

1)通过控制装置(1)设定加热时间与冷却时间，以及循环次数；

2)设定激光的输出波形，其中激光的输出波形为矩形波形；

3)控制激光器(21)出光，照射到活塞(100)的上表面上；

4)判断出光时间，当大于等于设定的加热时间时，关闭激光器(21)，然后对活塞(100)进行冷却；

5)判断冷却时间，当大于等于设定的冷却时间时，关闭冷却系统；

6)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束实验；如果否，则返回步骤3)；

对于温度控制模式，包括如下步骤：

a)设定活塞(100)上某一观测点为控制参考点，并设定该点的温度变化范围的上限温度与下限温度，设定循环次数；其中上限温度为320℃、下限温度为260℃，设定循环次数50；

b)控制装置(1)控制激光器(21)出光时间和强度；

c)判断控制参考点的温度；当从测温装置(3)中观测到参考点温度低于下限温度时，关闭冷却装置(5)，激光器(21)光闸打开，激光束作用于活塞(100)上，活塞(100)表面温度上升；当该点温度高于上限温度时，激光器(21)光闸关闭，冷却装置(5)打开，活塞(100)表面温度下降；

d)判断是否达到设定的循环次数；如果是，实验完毕，停止装置各部分；如果否，返回步骤b)。

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