CN101929935A - 活塞热负荷试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以激光为热源的活塞热负荷试验装置及方法，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，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并垂直照射到活塞表面。该方法包括：根据活塞在实际工况下温度场的分布，优化活塞表面各区域的激光能量分配比例，然后根据能量分配比例设计光学转换片，将入射光束转换为满足各区域激光能量分配比例的圆环光束，将此光束加载在活塞上，来模拟活塞在实际工作中温度场分布规律。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、可靠性高、可控性好的优点。

Description

活塞热负荷试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种热疲劳实验装置，特别是涉及一种根据活塞实际工况下温度场特征设计光学转换片，以激光为热源的活塞热疲劳实验装置。

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 fatiguetest for turbine housing by a pulse YAG 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 shockand thermal fatigue behavior of railroadsteel.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，只能进行局部的疲劳测试，并且温度场控制不精确。

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。

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、温度控制不精确的缺点，从而提供一种实验周期短、加热区域可控、控制温度更精确、对活塞整体测试的激光诱发活塞热疲劳实验装置。

为此，本发明提供了一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括：支架，用于支撑待测活塞(100)；

加热装置(2)，用于对活塞(100)的不同区域分别进行加热，以模拟活塞真实工况下的受热状况；冷却装置(5)，用于对活塞(100)进行冷却；测温装置(3)，用于测量活塞(100)受热区域的温度；

监视装置(4)，用于监视活塞(100)表面的变化；以及控制装置，该控制装置分别与所述加热装置(2)、冷却装置(5)、测温装置(3)和监视装置(4)相连，用于分别执行加热控制、冷却控制、测量的读数采集和采集活塞表面变化图像。

本发明还提供了一种利用如上所述激光诱发活塞热疲劳的实验装置来执行激光诱发活塞热疲劳实验的方法，包括时间控制模式和/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)预设加热装置(2)的加热时间与冷却装置(5)冷却时间，以及循环次数；

2)设定加热装置(2)的激光器(21)输出激光的波形；

3)控制激光器(21)出光，以多个同心环形激光斑的形式照射到活塞(100)的上表面上，以模拟活塞真实工况条件下的受热情况；

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，关闭冷却装置；

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)上某一观测点或某些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；

b)控制装置(1)控制加热装置(2)的激光器(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，则结束操作；如果否，返回步骤b)。

与现有技术相比，本发明通过对激光束的空间变换能够实现对活塞整体进行疲劳测试。利用激光光源使得试验周期短，而且可以使活塞表面预热到给定温度分布，温度控制更准确，可选择加热区域，可控性好。实验过程中全部采用数字化装置进行控制、采集、参数设定、记录等工作。

附图说明

图1为本发明激光诱发活塞热疲劳实验装置示意图；

图2为活塞表面各区域温度分布；

图3a、图3b为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4为实施例中在活塞表面的激光光斑示意图；

图5为激光诱发活塞热疲劳实验方法的流程图；

图6为实施例的时间控制模式高周热疲劳典型实验结果；

图7为实施例的时间控制模式随机疲劳典型实验结果；

图8为实施例的温度控制模式低周热疲劳典型实验结果。

具体实施方式

下面结合附图，以具体实施方式对本发明作进一步详细描述。应该理解的是，这些实施例仅仅是用于说明本发明的基本原理，而不是对本发明进行限制。

首先，参考图2，图2示例性地示出了了活塞剖面示意图示出了真实工况下不同区域的温度分布。如背景技术中所示，由于在真实工作条件下，活塞内部的温度并不一致，因此，为了建立起能够模拟真实工作条件下的实验系统，本发明试图通过构建一套试验系统，能够对活塞的整体进行热负荷试验。在本发明的一个实施例中，首先通过实验测量实际工况下活塞内部温度分布规律。例如，可以通过热电偶法测量活塞内部某些点上的温度值，这些点尽量均匀而且尽可能能够代表整个活塞的温度场特征。根据测量的温度数据制作光学转光片。制作光学转换片(或光束整形器)例如可以由专门制作光学镜片的公司来制作。另外，由于该过程不属于本发明构思的内容，省略其说明。由于激光光束具有光束能量集中、可进行空间分布变换等优点，因此，使用激光光学转光片可以使活塞表面预热到给定的温度分布，可以模拟活塞在不同工况下的热负荷(高周疲劳、低周疲劳、随机热疲劳)。将这些技术因用于热疲劳模拟实验平台，可大大提高系统的整体性能。因而，为了模拟真实工况下活塞内部温度规律，期望的是，通过光束转换器能够产生如图4中所示出的激光发射区。应该理解的是，图4中仅仅示例示出了3个圆环照射区，但是4个、5个或多个照射区均是可能的。

如图1所示，本发明提供了一种制作本发明的激光诱发活塞热疲劳实验装置。

激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括：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；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；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；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；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。

其中，控制装置1，可以为PC机，微控制器，工控机以及其他具有数据处理功能的设备。

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或CMOS摄像头，用于采集活塞表面的图像。应该理解的是，只设置一个摄像头也能实现本发明的功能，但是由于活塞表面有突起和凹陷的部分，因此使用一个摄像头有可能只能拍摄到一部分区域，为了能够使得摄像头的拍摄区域覆盖所有的区域，优选地设置多个摄像头，例如为三个。摄像头的布置位置并无严格限制，但是为了不被激光器发出的激光照射到，同时为了便于布置以方便拍摄，可以布置在活塞的斜上方。在一个实施例中，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。例如，用户可以直接对采集上的图像进行观察，以判断是否存在裂纹。在另一个实施例中，可以编写程序，以实现计算机的自动处理，例如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。应该理解的是，其他测温装置，例如热电偶也是可以使用。

如图3a、图3b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。

利用本发明的装置，能够对活塞整体进行加热、冷却，并根据需要执行各种疲劳试验。

另外，根据本发明的一个实施例还提供了提供两种实验方法：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、低周或随机热疲劳模拟。

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；当在激光控制程序上设定激光输出随机波形时，系统模拟的是随机热疲劳。

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；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，而当设定的上限温度与下限温度间隔是某一范围内随机时，系统模拟的是随机模式。

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4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5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6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；如果激光加载波形为30个正弦波、15个梯形波、10个三角波、5个矩形波、10个正弦波和5个梯形波的组合。则模拟的为随机疲劳测试，如图7所示，实验过程中温度波动在不断的随着波形的变化而变化，活塞的热负荷状态也随之不断改变。

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8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)。

应该理解的是，上面仅仅是以示例的方式对本发明进行了说明，本发明不局限于这里所公开的内容，本领域的技术人员很容易可以想到各种常见的结构或实现方式来对本发明的结构进行替换或修改，但是这应当认为涵盖在本发明的精神中。

Claims (10)

1.一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括：

支架，用于支撑待测活塞(100)；加热装置(2)，用于对活塞(100)的不同区域分别进行加热，以模拟活塞真实工况下的受热状况；

冷却装置(5)，用于对活塞(100)进行冷却；

测温装置(3)，用于测量活塞(100)受热区域的温度；

监视装置(4)，用于监视活塞(100)表面的变化；以及

控制装置，该控制装置分别与所述加热装置(2)、冷却装置(5)、测温装置(3)和监视装置(4)相连，用于分别执行加热控制、冷却控制、测量的读数采集和采集活塞表面变化图像。

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，所述加热装置(2)主要包括激光器(21)和光束整形器(22)，所述激光器(21)的开启和关闭受所述控制装置(1)控制，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)上表面；所述光束整形器(22)适于将所述激光器(21)发出的激光变换成为具有多个同心环形光斑的激光，以对所述活塞(100)的不同表面位置进行加热。

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)采用风冷或水冷，或者以两者结合的方式进行冷却。

4.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)主要包括空气压缩机(51)和通过管道(53)与其相连的喷头(52)，该喷头(52)用于将空气压缩机中的冷却气体喷到所述活塞(100)的表面；或者所述冷却装置(5)结构被布置为：将活塞(100)放置在预铺设管路的水箱上，在活塞(100)的底部设有开口，从预铺设管路流进的冷水从活塞(100)底部的开口通入，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)下设置的回水收集槽内，并顺着设置在回水收集槽的回水出口流走。

5.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)包括多个热电偶，将热电偶埋于有激光作用的活塞之内且使每个同心环激光照射区设置至少一个热电偶，用于测量活塞的各个激光照射区的表面温度；或者所述测温装置(3)包括多个红外测温仪，将其设置在用于照射活塞表面的每个同心环激光光路上，用于测量活塞(100)的各个激光照射区的表面温度。

6.根据权利要求5所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述热电偶或所述红外测温仪在活塞表面的每个激光照射区设置至少两个，以其测量均值作为该区域的测量结果。

7.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，所述监视装置(4)包括摄像装置，用于采集反映所述活塞(100)疲劳状态的图像。

8.根据权利要求7所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述监视装置(4)包括空间等间距布置的多个CCD或CMOS摄像头，以覆盖所述活塞(100)的整个检测表面，且所述控制装置(1)中进一步包括与所述CCD或CMOS摄像头配合使用的图像采集卡。

9.根据权利要求7所述的激光诱发活塞热疲劳的实验装置，其特征在于，所述控制装置为PC机，所述加热装置(2)、冷却装置(5)、测温装置(3)和监视装置(4)通过现场总线与所述PC机相连，且进一步包括与所述CCD或CMOS摄像头适配的图像采集卡，输入输出卡和现场总线卡。

10.一种利用如权利要求1-9中任一项激光诱发活塞热疲劳的实验装置来执行激光诱发活塞热疲劳实验的方法，包括时间控制模式和/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)预设加热装置(2)的加热时间与冷却装置(5)冷却时间，以及循环次数；

2)设定加热装置(2)的激光器(21)输出激光的波形；

3)控制激光器(21)出光，以多个同心环形激光斑的形式照射到活塞(100)的上表面上，以模拟活塞真实工况条件下的受热情况；

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，关闭冷却装置；

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)上某一观测点或某些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；

b)控制装置(1)控制加热装置(2)的激光器(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，则结束操作；如果否，返回步骤b)。

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