CN102866007B - 一种气缸盖疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气缸盖疲劳试验装置，包括加热装置、加载部件和机械力高频加载源，所述加载部件设有加载面以及对应于气缸盖加载位置的加载柱，所述机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷作用于所述加载部件的加载面，并通过所述加载柱作用于所述气缸盖的加载位置。该装置利用等效变形对气缸盖进行疲劳试验，使气缸盖的复杂受力状态可以得到简单有效的模拟，从而实现对气缸盖疲劳寿命的全面有效考核。本发明还公开了一种气缸盖疲劳试验方法。
Description
技术领域
本发明涉及发动机生产设备技术领域，特别是用于对发动机气缸盖的疲劳寿命进行考核的试验装置。本发明还涉及气缸盖疲劳试验方法。
背景技术
气缸盖是发动机的关键部件之一，为结构复杂的箱型零件，与缸套、活塞顶等构成燃烧室，疲劳失效是气缸盖的主要失效模式，通常以出现裂纹或者微裂纹扩展导致断裂为准，因此疲劳寿命是一项重要的试验考核内容。
发动机工作时，燃气燃烧使燃气瞬间迅速膨胀，产生极大的爆发压力，该爆发压力同时作用在气缸盖、气缸套及活塞顶部，使气缸盖及气缸套产生变形，使活塞沿气缸套直线运动从而转化为曲轴的旋转运动。
气缸盖工作时受力复杂，受到诸如螺栓预紧力、燃烧爆发压力以及高温燃气与冷却水（风）的热负荷等联合作用，因此其疲劳寿命的考核需要全面考虑其所受的各种载荷。由于气缸盖受热面（火力面）的温度高达300~500℃，高温燃气对气缸盖的爆发压力高达14~20MPa，爆发频率高达15~20Hz，在如此苛刻的环境下，同时实现对高温热应力、螺栓预紧力及燃气爆发冲击力的模拟极其困难。
目前发动机气缸盖疲劳试验采取的主要方法有火焰加热法、电阻加热法、感应加热法、激光加热法等热疲劳试验方法和惰性气体加压、液力加压等机械疲劳方法，在产品方面，还没有任何能够实现热-机械耦合的疲劳试验产品，在技术和方法方面，申请公布号为CN101793606A的发明专利申请公开了一种技术方案，“通过高压气体模拟发动机缸内爆发压力的作用，高压气瓶内的高压气体减压至爆发压力，经过管道和电磁阀进入缸盖下面的高压气体作用腔，模拟发动机燃烧室，然后由连接管道和电磁阀经排气稳压腔排出”。
该专利申请虽然可以实现热-机械耦合疲劳考核，但由于其机械加载方式采用高压气体的冲放，气体加压方法的最大问题是响应太慢，加载频率较低，不能真实模拟气缸盖的受载频率，而且频率太低将导致考核时间的急剧延长；同时高压气体加载对密封的要求极高，成本相对也较大，考核一个气缸盖需要消耗大量的高压气体。
因此，如何简便可行的实现对气缸盖的热-机械耦合疲劳试验考核，是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种气缸盖疲劳试验装置。该装置利用等效变形对气缸盖进行疲劳试验，使气缸盖的复杂受力状态可以得到简单有效的模拟，从而实现对气缸盖疲劳寿命的全面有效考核。
本发明的第二目的是提供一种气缸盖疲劳试验方法。
为了实现上述第一目的，本发明提供一种气缸盖疲劳试验装置，包括加热装置、加载部件和机械力高频加载源，所述加载部件设有加载面以及对应于气缸盖加载位置的加载柱，所述机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷作用于所述加载部件的加载面，并通过所述加载柱作用于所述气缸盖的加载位置。
优选地，所述加载柱的位置和数量对应于气缸盖的气门，并垂直于所述加载部件的加载面，所述机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷的方向平行于所述加载柱。
优选地，进一步包括螺栓预紧装置，所述螺栓预紧装置包括基座以及用于将气缸盖固定于所述基座的螺栓。
优选地，进一步包括用于冷却气缸盖的冷却装置。
优选地，所述冷却装置为水冷装置或风冷装置。
优选地，所述机械力高频加载源具体为作动器或其他能够产生脉动冲击的设备。
优选地，所述加热装置为电磁感应加热装置。
为实现上述第二目的，本发明提供一种气缸盖疲劳试验方法，利用上述任一项所述的气缸盖疲劳试验装置进行疲劳试验，包括以下步骤：
步骤1：根据气缸盖的结构，通过计算获得气缸盖疲劳试验等效变形所需的外加载荷的加载位置、加载大小及方向，并根据气缸盖的工况以及试验需要确定加载频率；
步骤2：在气缸盖上安装所述气缸盖疲劳试验装置，使其加载柱支撑于在步骤（1）中确定的加载位置；
步骤3：启动所述气缸盖疲劳试验装置的机械力高频加载源，其输出的等效变形集中载荷作用于所述加载部件的加载面，并通过所述加载柱按照步骤（1）确定的方向作用于所述气缸盖的加载位置，实现对气缸盖的机械力加载，从而引起气缸盖产生机械变形；
步骤4：控制所述等效变形集中载荷的大小和频率，使气缸盖加载位置的受载效果与实际工况相一致；
步骤5：在执行步骤（4）的同时，启动加热装置对气缸盖进行加热，实现对气缸盖的热-机械耦合疲劳试验。
优选地，所述气缸盖的加载位置为气门的位置。
优选地，在所述步骤（2）至步骤（5）中，所述气缸盖疲劳试验装置的加载柱始终与气缸盖的加载位置保持接触。
本发明所提供的气缸盖疲劳试验装置和实验方法，利用等效变形原理对发动机气缸盖的受力变形进行疲劳试验，将复杂的燃气爆发产生的对气缸盖的均布载荷（冲击力）转换为外加机械力作用在气缸盖上的几个集中载荷（冲击力），简化了机械加载过程，避免了气体（液体）加压的难密封、成本高及气体无法实现高频加载等问题。
由于采用直接外加的集中载荷，避免了采用气体或液体时加载介质与加热装置的干涉，可以很方便的实现加热与机械加载的同步进行，从而真正简便可行的实现对气缸盖的热-机械耦合疲劳试验考核。
在一种优选方案中，进一步包括螺栓预紧装置和冷却装置。如此，通过螺栓紧固的方式可模拟螺栓预紧力；通过等效变形的机械冲击法可模拟燃烧爆发压力；采用加热和通冷却水（风）的方法模拟热负荷，从而实现对气缸盖疲劳寿命的全面有效考核。
附图说明
图1为气缸盖的加载位置示意图；
图2为本发明所提供气缸盖疲劳试验装置对图1所示气缸盖进行疲劳试验时的结构示意图；
图3为本发明所利用的等效变形原理图，其中（a）为工件未承受载荷时的示意图，（b）为工件承受均匀载荷F时的示意图，（c）为工件承受集中载荷F＇时的示意图。
图中：
1.加热装置 2.加载部件 2-1.加载柱 3.气缸盖 3-1.气门 4.基座 5.螺栓 6.鼻梁区
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1、图2，图1为气缸盖的加载位置示意图；图2为本发明所提供气缸盖疲劳试验装置对图1所示气缸盖进行疲劳试验时的结构示意图。
在一种具体实施方式中，本发明所提供的气缸盖疲劳试验装置，主要由加热装置1、加载部件2和机械力高频加载源（图中未示出）等部分组成，用于对WP12.336E30柴油机气缸盖3进行疲劳试验。
加热装置1为电磁感应加热装置，也可以采用激光加热器等其他加热装置，机械力高频加载源可采用作动器或其他能够产生脉动冲击的设备，对此，本发明不做绝对的限定。
加载部件2的主体部分呈正方形，其顶部为加载面，底部设有四根对应于气缸盖加载位置的加载柱2-1，工作时，机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷作用于加载部件2的加载面，并通过加载柱2-1作用于气缸盖3的加载位置。
加载柱2-1的位置和数量对应于气缸盖3的四个气门3-1，并垂直于加载部件2的加载面，机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷的方向平行于加载柱2-1。
本发明针对发动机气缸盖在高温高压及高频作用下，其爆压所产生的机械力极难模拟的问题，将发动机气缸盖在热-机械耦合作用时，其疲劳失效的主要机理确定为热应力与机械变形应力的耦合，而机械变形可以采用等效变形实现，即保持气缸盖的变形相同，而将气体爆压所产生的均匀载荷F用外加集中载荷F＇代替，由于外加集中载荷可以采用作动器等高频加载源，从而有效避免了气体加载方法加载频率太低及气体浪费的问题，等效变形的原理如图3所示。
本发明提供的气缸盖疲劳试验装置，利用等效变形原理对发动机气缸盖的受力变形进行疲劳试验，将复杂的燃气爆发产生的对气缸盖的均布载荷（冲击力）转换为外加机械力作用在气缸盖上的几个集中载荷（冲击力），简化了机械加载过程，避免了气体（液体）加压的难密封、成本高及气体无法实现高频加载等问题。
由于采用直接外加的集中载荷，避免了采用气体或液体时加载介质与加热装置的干涉，可以很方便的实现加热与机械加载的同步进行，从而真正简便可行的实现对气缸盖的热-机械耦合疲劳试验。
进一步地，可增设螺栓预紧装置和用于冷却气缸盖的冷却装置，其中螺栓预紧装置包括基座4以及用于将气缸盖3固定于基座的螺栓5，冷却装置为水冷装置或风冷装置。
这样，通过螺栓紧固的方式可模拟螺栓预紧力；通过等效变形的机械冲击法可模拟燃烧爆发压力；采用加热和通冷却水（风）的方法模拟热负荷，从而实现对气缸盖疲劳寿命的全面有效考核。
当然，上述气缸盖疲劳试验装置仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，加载部件2的形状和尺寸可根据需要设计成其他样式，加载位置也不仅仅局限于四个气门3-1的位置，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。
除了上述气缸盖疲劳试验装置，本发明还提供一种利用上文所述的气缸盖疲劳试验装置进行疲劳试的方法。
由于气缸盖是一种具有发杂型腔的箱体结构零部件，而且其疲劳裂纹往往发生在鼻梁区6，因此气缸盖的变形等效必须要进行合理的计算（如CAE仿真），确定合适的加载位置、加载力大小及方向，从而保证气缸盖的关键部位变形能够与真实变形一致。
此外，不同的发动机型号，其气缸盖的结构和尺寸不同，因此变形等效处理的结果也不同，这里仍以WP12.336E30柴油机气缸盖为例进行说明，具体试验方法包括以下步骤：
步骤1：根据气缸盖3的结构，通过计算获得气缸盖疲劳试验等效变形所需的外加载荷的加载位置、加载大小及方向，并根据气缸盖3的工况以及试验需要确定加载频率；
步骤2：将气缸盖3通过螺栓5固定在基座4上，采用具有四根加载柱2-1的加载部件2实现对气缸盖3的机械力加载，外加集中载荷作用在加载部件2的方形加载面上，并通过四根加载柱2-1作用在气缸盖3的四个气门3-1头部，从而使气缸盖3产生机械变形；
步骤4：控制外加集中载荷的大小和频率，使气缸盖3关键考核部位的受载效果与实际状态一致
步骤5：在执行步骤（4）的同时，启动加热装置1对气缸盖3进行加热，实现对气缸盖3的热-机械耦合疲劳试验。
考虑到燃气爆压产生的冲击属于柔性冲击，为避免等效集中载荷产生刚性冲击，等效载荷应该始终与气缸盖3保持接触。
以上对本发明所提供的气缸盖疲劳试验装置及试验方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种气缸盖疲劳试验装置，其特征在于，包括加热装置、加载部件和机械力高频加载源，所述加载部件设有加载面以及对应于气缸盖加载位置的加载柱，所述机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷作用于所述加载部件的加载面，并通过所述加载柱作用于所述气缸盖的加载位置；
所述加载柱的位置和数量对应于气缸盖的气门，并垂直于所述加载部件的加载面，所述机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷的方向平行于所述加载柱；
进一步包括螺栓预紧装置，所述螺栓预紧装置包括基座以及用于将气缸盖固定于所述基座的螺栓。
2.根据权利要求1所述的气缸盖疲劳试验装置，其特征在于，进一步包括用于冷却气缸盖的冷却装置。
3.根据权利要求2所述的气缸盖疲劳试验装置，其特征在于，所述冷却装置为水冷装置或风冷装置。
4.根据权利要求1至3任一项所述的气缸盖疲劳试验装置，其特征在于，所述机械力高频加载源具体为作动器。
5.根据权利要求1至3任一项所述的气缸盖疲劳试验装置，其特征在于，所述加热装置为电磁感应加热装置。
6.一种气缸盖疲劳试验方法，其特征在于，利用上述权利要求1至5任一项所述的气缸盖疲劳试验装置进行疲劳试验，包括以下步骤：
步骤1：根据气缸盖的结构，通过计算获得气缸盖疲劳试验等效变形所需的外加载荷的加载位置、加载大小及方向，并根据气缸盖的工况以及试验需要确定加载频率；
步骤2：在气缸盖上安装所述气缸盖疲劳试验装置，使其加载柱支撑于在步骤(1)中确定的加载位置；
步骤3：启动所述气缸盖疲劳试验装置的机械力高频加载源，其输出的等效变形集中载荷作用于所述加载部件的加载面，并通过所述加载柱按照步骤(1)确定的方向作用于所述气缸盖的加载位置，实现对气缸盖的机械力加载，从而引起气缸盖产生机械变形；
步骤4：控制所述等效变形集中载荷的大小和频率，使气缸盖加载位置的受载效果与实际工况相一致；
步骤5：在执行步骤(4)的同时，启动加热装置对气缸盖进行加热，实现对气缸盖的热-机械耦合疲劳试验。
7.根据权利要求6所述的气缸盖疲劳试验方法，其特征在于，所述气缸盖的加载位置为气门的位置。
8.根据权利要求6或7所述的气缸盖疲劳试验方法，其特征在于，在所述步骤(2)至步骤(5)中，所述气缸盖疲劳试验装置的加载柱始终与气缸盖的加载位置保持接触。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| S1100型柴油机气缸盖热负荷及动态特性的测试分析;孙平等;《内燃机工程》;19911231;第12卷(第01期);第68-73页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102866007A (zh) | 2013-01-09 |
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