CN103471832A - 双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种带弹性元件的阀体结构在热态环境下的耐久性检测技术领域，具体涉及一种双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机，用于检测双模态消声器内部阀体结构在实际工作状态下的耐久性，其包括机架、设置于所述机架上用于对所述阀体结构加热的加热系统、设置于所述机架上用于固定所述阀体结构的夹紧装置、用于驱动所述阀体结构的阀门开闭的机械连杆传动系统、冷却系统、控制整个热疲劳试验机工作的控制系统。本发明的热疲劳试验机能够准确模拟汽车排气系统内部循环变化的排气温度以及阀体结构的频繁开启关闭动作，检测双模态消声器内部阀体结构在实际工作中多种工况下的耐久性，从而使得双模态消声器的耐久性得以保证。

Description

双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机

技术领域

本发明涉及带弹性元件的阀体结构在热态环境下的耐久性检测技术领域，特别涉及一种双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机。

背景技术

双模态消声器可以有效的降低汽车排气噪声，同时可以减小汽车排气消声器的容积以及排气背压，在汽车排气系统中具有广泛的应用前景（参见文献：庞剑. 汽车噪声与振动: 理论与应用, 北京: 北京理工大学出版社, 2006）。双模态消声器的核心部件为阀体结构，阀体结构在高温排气气流的作用下开启和关闭，改变气流通过路径以及内部消声结构从而实现排气背压的降低以及排气噪声的消减。阀体结构主要由阀壳、阀门、芯轴以及扭簧等部件组成，结构较为复杂，而阀体结构的耐久性决定了双模态消声器的耐久性，因此需要对阀体结构进行耐久性试验，保证双模态消声器的质量和品质。

目前市场上并没有针对双模态消声器阀体结构热疲劳试验的设备，相关专利也仅限于金属材料和弹簧的热疲劳试验设备。如专利CN2731439Y公布了一种弹簧热疲劳试验机，此种弹簧热疲劳试验机主要用于螺旋弹簧的热疲劳测试，其用电阻炉加热，用电磁线圈进行驱动，最高能进行200摄氏度下的热疲劳试验。但是这种试验机没法进行阀体结构的热疲劳测试，不能设定汽车所特有的工作循环工况，同时试验的最高温度不能满足阀体结构测试的要求。专利CN176970A公布了一种热疲劳试验机，此种试验机主要用于金属材料的热疲劳试验。试验机采用升降系统控制金属材料在加热系统和冷却系统中的停留时间对金属材料样件进行热疲劳测试。但是这种试验机没法进行阀体结构在冷热交替环境中的开闭疲劳实验。专利CN102507352A公布了一种扭簧疲劳试验机，此种试验机主要用于常温情况下的扭簧的疲劳测试，但没法进行冷热交变环境下的疲劳测试。

在汽车加速减速过程中，排气系统内部的温度会有200℃左右的变化，另外阀体结构也会在变化气流的作用下不断改变开启角度。另外，汽车在冷态起动过程中，排气系统会遭受较大的热冲击，系统内部的温度会从常温迅速增加到400℃~500℃。因而双模态消声器阀体结构的工作环境不仅有温度的循环变化，还有阀体结构的频繁开启关闭动作，这对阀体结构的耐久性是一个极大的考验，而现有的疲劳试验机都没法满足双模态消声器阀体结构耐久性测试的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机，包括机架、设置于所述机架上用于对所述阀体结构加热的加热系统、设置于所述机架上用于固定所述阀体结构的夹紧装置、用于驱动所述阀体结构的阀门开闭的机械连杆传动系统、冷却系统、控制整个热疲劳试验机工作的控制系统，所述机械连杆传动系统包括固定设置在所述机架上的电机、与所述电机相连并由所述电机驱动转动的飞轮、一端与所述飞轮相连并由所述飞轮带动运动的拉杆及由所述拉杆带动做往复运动的并用于推动所述阀体结构上的阀门开闭的驱动组件；

所述冷却系统包括用于冷却所述驱动组件的轴冷却组件、用于冷却所述阀体结构以模拟汽车加减速过程中排气温度的循环变化的喷雾管；

所述控制系统包括用于反馈所述阀体结构的工作温度以控制所述阀体结构疲劳试验的循环工况的热电偶、与所述电机相连用于调节所述电机转速的变频器、设置在所述机架上并用于计算所述阀门开闭的次数的传感器、工控机，所述工控机具有输入输出控制面板、电机调速控制电路、循环计数电路、温度调控电路、冷却水循环控制电路、报警电路。

所述机架包括下基座板、中基座板、连接所述下基座板和所述中基座板的多个立柱、上基座板、位于所述中基座板和所述上基座板之间的多块壳板，所述多块壳板、所述中基座板、所述下基座板共同围成一空腔。

所述机械连杆传动系统还包括固定设置在所述上基座板上的轴承座组件，所述驱动组件包括穿过所述轴承座组件且一端与所述拉杆的另一端相连的驱动轴、一端与所述驱动轴的另一端相连并用于推动所述阀门开闭的驱动件。

所述飞轮上设有用于调整所述拉杆的一端在所述飞轮上的偏心距的调整板。

所述上基座板开设有安装口，所述加热系统设置在所述空腔内并穿出所述安装口，所述加热系统包括设置在所述空腔内的内部保温罩、设置在所述内部保温罩上方的加热密封座、设置在所述内部保温罩内部并与所述内部保温罩之间形成有间隙的加热内胆、设置在所述加热内胆内的电热丝，在所述间隙内填充有保温材料，所述内部保温罩与所述加热密封座之间设置有用于安装所述内部保温罩、所述加热密封座、所述加热内胆的加热安装板。 

所述加热系统还包括用于防止热量从所述加热系统顶端散失的外部保温罩，所述外部保温罩上安装有用于观察热疲劳实验情况的石英玻璃。

所述夹紧装置设置在所述加热系统内，其包括设置在所述加热密封座上的装夹定位板、设置在所述装夹定位板的二侧并用于夹紧所述阀体结构的装夹卡钳。

所述下基座板、所述中基座板均由厚度大于3mm的厚钢板制成，所述立柱由厚度大于3mm的厚壁钢管制成。

所述喷雾管上在靠近所述阀体结构的一侧分布有均匀分布的多个孔以形成均匀喷雾。

所述加热系统和所述冷却系统设置为一体式结构。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明的热疲劳试验机，能够对带弹性元件的阀体结构进行热疲劳测试。热疲劳试验机上的机械连杆传动系统推动阀体结构上的阀门进行开启和关闭动作，加热系统和冷却系统配合工作，可形成冷热交替循环工况，准确模拟汽车加速以及启停过程中排气系统中温度变化及阀体结构上的阀门开启角度的变化，从而以接近实际工况的冷热及阀门开闭循环去测试阀体结构的热疲劳耐久性。

（2）本发明的热疲劳试验机的控制系统采用了可编程智能控制系统，在输入输出控制面板上输入参数，试验机就能自动完成具有复杂循环工况的阀体结构热疲劳测试。同时，还配有报警电路，如果试验机工作异常，则会自动断电，并通过报警来提示测试人员接触故障。

附图说明

图1为本发明热疲劳试验机的结构示意图；

图2为本发明热疲劳试验机中机架的结构示意图；

图3为本发明热疲劳试验机中加热系统、冷却系统、夹紧装置的结构示意图；

图4为图3中A-A向剖视图；

图5为本发明热疲劳试验机中机械连杆传动系统的结构示意图；

图6为本发明热疲劳试验机中控制系统的结构示意图；

图7为本发明热疲劳试验机中控制系统功能模块示意图；

图中：1、机架；11、下基座板；12、立柱；13、中基座板；14、壳板；15、上基座板；16、安装口；2、加热系统；21、内部保温罩；22、加热安装板；23、加热密封座；24、外部保温罩；25、电热丝；26、加热内胆；27、保温材料；28、石英玻璃；3、控制系统；31、霍尔传感器；32、变频器；33、热电偶；34、工控机；4、夹紧装置；41、装夹定位板；42、装夹卡钳；5、冷却系统；51、喷雾管；52、轴冷却组件；6、机械连杆传动系统；61、电机支架；62、电机；63、驱动轴；64、轴承座组件；65、拉杆；66、飞轮；67、调整板；68、驱动件。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

如附图1~6所示，本发明的双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机包括机架1、设置于机架1上用于对阀体结构迅速加热的加热系统2、设置于机架1上用于固定阀体结构的夹紧装置4、用于驱动阀体结构的阀门开闭的机械连杆传动系统6、冷却系统5、控制整个热疲劳试验机工作的控制系统3。

如附图2所示，本发明热疲劳试验机中机架1的结构示意图。机架1包括下基座板11、中基座板13、连接下基座板11和中基座板13的多个立柱12、上基座板15、位于中基座板13和上基座板15之间的多块壳板14，多块壳板14、中基座板13、下基座板11共同围成一空腔。其中下基座板11、中基座板13均由厚度大于3mm的厚钢板制成，而立柱12由六根厚度大于3mm的厚壁钢管组成，均匀分布在下基座板11、中基座板13之间，由厚钢板制成的下基座板11和中基座板13以及由厚钢管组成的立柱12增加了机架1底座的重量和刚度，减小了由于机械连杆传动系统6的工作而产生的震动。本例中，壳板14设有4块，4块壳板14、上基座板15及中基座板13共同围成一个空腔，用于安装加热系统2和冷却系统5，一方面起骨架支撑作用，另一方面将加热系统2与外界环境隔离，防止对操作者造成伤害。

如附图3~4所示，为本发明热疲劳试验机中加热系统2、冷却系统5、夹紧装置4的结构示意图。上基座板15开设有安装口16，加热系统2设置在空腔内并穿出安装口16，加热系统2包括设置在空腔内的内部保温罩21、设置在内部保温罩21上方的加热密封座23、设置在内部保温罩21内部并与内部保温罩21之间形成有间隙的加热内胆26及设置在加热内胆26内的电热丝25，在间隙内填充有保温材料27，内部保温罩21与加热密封座23之间设置有用于安装内部保温罩21、加热密封座23、加热内胆26的加热安装板22，加热系统2还包括用于防止热量从加热系统2顶端散失的外部保温罩24，外部保温罩24上安装有用于观察热疲劳实验情况的石英玻璃28。

冷却系统5和加热系统2设置为一体式结构，其包括用于冷却驱动组件的轴冷却组件52、用于冷却阀体结构以模拟汽车加减速过程中排气温度的循环变化的喷雾管51。其中，轴冷却组件52主要由冷却水管、水槽1、出水管等部件组成，目的是通过流动的冷水冷却驱动轴组件，防止热量通过驱动组件传递到轴承座组件64和拉杆65，损坏机械连杆传动系统6；喷雾管51上在靠近阀体结构的一侧分布由均匀分布的多个孔以形成均匀喷雾，从而迅速降低阀体结构的温度，该孔为细孔。

夹紧装置4设置在加热系统2内，其包括设置在加热密封座23上的装夹定位板41、设置在装夹定位板41的二侧并用于夹紧阀体结构的装夹卡钳42。其中，装夹定位板41用于定位阀体结构，同时装夹定位板41设有水槽2和回水管路，便于喷雾管51喷出的多余的水回流，装夹定位板41为可拆卸结构，可用于不同的阀体结构；装夹卡钳42为可拆卸结构，可通过加减垫片调整高度，从而适用于装夹不同的阀体结构。

如附图5所示，为本发明热疲劳试验机中机械连杆传动系统6的结构示意图。机械连杆传动系统6包括固定设置在机架1的下基座板11上的电机62、与电机62相连并由电机62驱动转动的飞轮66、一端与飞轮66相连并由飞轮66带动运动的拉杆65、由拉杆65带动做往复运动的并用于驱动阀体结构上的阀门开闭的驱动组件、固定设置在上基座板15的轴承座组件64，电机62通过电机支架61固定设置在下基座板11上，驱动组件包括穿过轴承座组件64且一端与拉杆65的另一端相连的驱动轴63、一端与驱动轴63的另一端相连并用于推动阀门开闭的驱动件68。本例中，驱动轴63为曲轴结构，驱动件68为弯钩状结构，当驱动轴63往复运动时，弯钩状的驱动件68的另一端可以推动阀门开闭。

在飞轮66上设有用于调整拉杆65的一端在飞轮66上的偏心距的调整板67，飞轮66通过调整板67带动拉杆65摆动，而拉杆65在垂直方向的摆动带动驱动轴63往复运动，进而带动驱动件68推动阀门开闭。当通过调整调整板67而改变拉杆65的一端在飞轮66上的偏心距时，会改变拉杆65在垂直方向摆动的距离，继而改变驱动轴63往复运动的角度，从而改变驱动件68推动阀门开启的角度。

如附图6所示，为本发明热疲劳试验机中控制系统3的结构示意图。控制系统3为可编程智能控制系统，其包括用于反馈阀体结构的工作温度以便于控制阀体结构疲劳试验的循环工况的热电偶33、与电机62相连用于调节电机62转速的变频器32、设置在机架1上并用于计算阀门开闭的次数的传感器31、工控机34，其中，热电偶33固定设置在壳板14上，并穿过加热密封座23，位于阀体结构的正下方，用于测量阀体结构的温度；变频器32固定在电机62的末端，主要用于控制电机62的转速，从而控制阀门开闭的频率；传感器31采用霍尔传感器，并固定设置在壳板14接近拉杆65的位置，当拉杆65在竖直方向摆动时，拉杆65与霍尔传感器31的距离会产生交替变化，从而使霍尔传感器31产生周期性的电压脉动，对周期性的电压脉动进行处理，即可得到阀门开闭的频率；工控机34固定设置在与拉杆65不同侧的壳板14上，具有输入输出控制面板、电机调速控制电路、循环计数电路、温度调控电路、冷却水循环控制电路、报警电路，具体实施时，工控机34设有电子控制单元、交流接触器、水流控制阀门、晶闸管调压器等元器件，工控机34的机箱壁上安装有触摸屏、起停开关、报警灯等元器件，工控机34用于输入试验循环参数、显示试验进行参数、报警、采集霍尔传感器31和热电偶33数据、控制电机62转速、控制电热丝25发热功率以及控制水流控制阀门等。工控机34是整个试验机的控制核心，实现阀体结构热疲劳试验的自动化和智能化。

如附图7所示，为本发明热疲劳试验机控制系统3的功能模块示意图。疲劳试验机的控制系统3的电路按功能可分为上层控制电路和下层执行电路。上层控制电路为弱电电路，下层执行电路为强电电路，上层控制电路和下层执行电路之间采用光电隔离控制，从而消除弱电电路和强电电路之间的影响。

上层控制电路的核心为电子控制单元（ECU），主要完成传感器信号的接收、信号的处理和计算、控制信号的输出三大功能，并能与触摸屏进行信息交互，接收试验设定参数及发送当前试验状态信息。

下层执行电路主要由交流接触器、变频器32、晶闸管调压器及水流控制阀门组成。交流变触器接收ECU发出的控制信号，断开或接通各用电器的交流电；变频器32接收ECU发出的控制信号，改变电机62的转速；晶闸管调压器接收ECU发出的控制信号，改变电热丝25的功率，从而改变加热温度；水流控制阀门接收ECU发出的控制信号，接通或阻断水流通过，控制喷雾管51喷雾的时间的长短，从而改变阀体结构温度循环变化的工况。

整个控制系统3为闭环控制，能够精确阀体结构试验的温度以及开闭的频率，保证疲劳试验的准确性。

下面结合附图1~7详细说明本发明热疲劳试验机的工作原理：

首先确定被测阀体结构的类型，选定相应的装夹定位板41和装夹卡钳42。将被测的阀体结构安装到夹紧装置4上，然后盖上外部保温罩24，手动调节调整板67，转动飞轮66，使得测试阀门最大开启角度满足试验要求。

将热疲劳试验机接上交流电源和水源，按下位于工控机34上的启动按钮给热疲劳试验机通电。通过工控机34上的触摸屏设定试验参数，主要设定的参数有变化温度循环模式、阀门开闭频率及阀门开闭次数。变化温度循环模式主要设定各个温度工况下的工作时长及相应工况下的温度目标值，并按一定的输入范式输入触摸屏中。当参数输入完毕后，在触摸屏上进行确认，并开启热疲劳试验机。然后触摸屏上自动显示当下的阀体结构温度、阀门开闭频率及阀门累积开闭次数等信息。

当通过触摸屏开启疲劳试验以后，工控机34中的ECU会发出信号控制交流接触器动作，接通电机62及电热丝25的交流电源。同时ECU发出信号控制变频器32使电机62以设定的转速旋转，控制晶闸管调压器根据设定的温度与当下热电偶33测量的实际阀体温度的差值调整电热丝25的发热功率，使得阀体结构温度上升。电机62启动后，带动飞轮66旋转，通过调整板67带动拉杆65摆动，然后拉杆65带动驱动组件往复摆动，并推动阀门产生开闭动作。另外，ECU同步采集霍尔传感器31的信号，用于计算阀门开闭频率以及累积开闭次数；同步采集热电偶33的信号，用于阀体结构温度的闭环控制。处理完的信号显示在触摸屏上。

当阀体结构温度达到设定温度时，ECU中的时钟开始计时。当此温度下的工作时长达到设定值时，如果下一个工作循环的温度设定值低于当下温度，ECU会发出信号控制晶闸管调压器，使电热丝25停止工作，同时也发出信号控制水流控制阀门打开，使得冷却水经由喷雾管51喷出，降低阀体结构的温度。当阀体结构的温度降至设定的温度值时，ECU控制水流控制阀门关闭，控制晶闸管调压器使电热丝25重新启动，并根据热电偶33反馈的温度值闭环控制阀体结构的温度，直至下一设定温度变化开始。如果下一个工作循环的温度设定值高于当下温度时，ECU会发出信号控制晶闸管调压器加大电热丝25的功率，让温度迅速升至设定值，然后通过热电偶33闭环控制阀体结构的温度，直至下一设定温度变化开始。该试验机按照这样的工作模式，根据设定的冷热工作循环来模拟实际行车工况下循环变化的排气温度，从而有效的测试出阀体的热疲劳性能。

在此温度变化期间，电机62一直工作推动阀门开闭，同时ECU一直采集霍尔传感器31的电位变化，进行阀门开闭次数的累加。当阀门开闭次数累积到设定值时，ECU发出信号自动切断电源停止试验，保证测试的精确，同时也减少试验机的能耗。

在该试验机工作期间，如果发生异常，如温度过高、电机62停止运转或电热丝25损坏无法升温，则控制系统3会根据霍尔传感器31和热电偶33反馈的信息进行判断，然后切断电源，并发出警报。

综上所述，本发明相比现有技术的热疲劳试验机具有如下优势：

（1）本发明的热疲劳试验机能够对弹性元件的阀体结构进行热疲劳测试。热疲劳试验机中的机械连杆传动系统推动阀体结构进行开启和关闭动作，加热系统和冷却系统配合工作，可形成冷热交替循环工况，准确模拟汽车加减速及起停过程中排气系统中温度变化及阀体结构上的阀门开启角度的变化，从而以接近实际工况的冷热及阀门开闭循环去测试阀体结构的热疲劳耐久性。

（2）本发明的热疲劳试验机的机械连杆传动系统中，通过简单调整拉杆的一端在飞轮上的偏心距，改变驱动轴的往复运动角度，从而改变阀门的开启角度；另外夹紧定位板为可拆卸结构，可更换安装各种不同形式的阀体结构。这个两个机构相互配合，可有效的实现不同阀体结构或者同一阀体不同开启角度下的热疲劳测试。

（3）本发明的热疲劳试验机的加热系统和冷却系统采用一体式结构形式，可以有效减小热疲劳试验机的体积。隔热保温材料、加热密封座、内部保温罩和外部保温罩的联合使用，可以使阀体结构温度迅速上升，最高能达到500℃。冷却系统采用喷雾管来冷却阀体结构，通过喷雾管的使用使得阀体结构的温度迅速降低，从而形成冷热循环。

（4）本发明的热疲劳试验机的控制系统采用了可编程智能控制系统，在控制面板上输入参数，热疲劳试验机就能自动完成具有复杂循环工况的阀体结构的热疲劳测试。同时，还配有报警电路，如果试验机工作异常，则会自动断电，并通过报警来提示测试人员接触故障。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.双模态消声器阀体结构的热疲劳试验机，包括机架、设置于所述机架上用于对所述阀体结构加热的加热系统、设置于所述机架上用于固定所述阀体结构的夹紧装置、用于驱动所述阀体结构的阀门开闭的机械连杆传动系统、冷却系统、控制整个热疲劳试验机工作的控制系统，其特征在于：

所述机械连杆传动系统包括固定设置在所述机架上的电机、与所述电机相连并由所述电机驱动转动的飞轮、一端与所述飞轮相连并由所述飞轮带动运动的拉杆及由所述拉杆带动做往复运动的并用于推动所述阀体结构上的阀门开闭的驱动组件；

所述冷却系统包括用于冷却所述驱动组件的轴冷却组件、用于冷却所述阀体结构以模拟汽车加减速过程中排气温度的循环变化的喷雾管；

所述控制系统包括用于反馈所述阀体结构的工作温度以控制所述阀体结构疲劳试验的循环工况的热电偶、与所述电机相连用于调节所述电机转速的变频器、设置在所述机架上并用于计算所述阀门开闭的次数的传感器、工控机，所述工控机具有输入输出控制面板、电机调速控制电路、循环计数电路、温度调控电路、冷却水循环控制电路、报警电路。

2.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述机架包括下基座板、中基座板、连接所述下基座板和所述中基座板的多个立柱、上基座板、位于所述中基座板和所述上基座板之间的多块壳板，所述多块壳板、所述中基座板、所述下基座板共同围成一空腔。

3.根据权利要求2所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述机械连杆传动系统还包括固定设置在所述上基座板上的轴承座组件，所述驱动组件包括穿过所述轴承座组件且一端与所述拉杆的另一端相连的驱动轴、一端与所述驱动轴的另一端相连并用于推动所述阀门开闭的驱动件。

4.根据权利要求3所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述飞轮上设有用于调整所述拉杆的一端在所述飞轮上的偏心距的调整板。

5.根据权利要求2所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述上基座板开设有安装口，所述加热系统设置在所述空腔内并穿出所述安装口，所述加热系统包括设置在所述空腔内的内部保温罩、设置在所述内部保温罩上方的加热密封座、设置在所述内部保温罩内部并与所述内部保温罩之间形成有间隙的加热内胆、设置在所述加热内胆内的电热丝，在所述间隙内填充有保温材料，所述内部保温罩与所述加热密封座之间设置有用于安装所述内部保温罩、所述加热密封座、所述加热内胆的加热安装板。 

6.根据权利要求5所述的疲劳试验机，其特征在于：所述加热系统还包括用于防止热量从所述加热系统顶端散失的外部保温罩，所述外部保温罩上安装有用于观察热疲劳实验情况的石英玻璃。

7.根据权利要求5所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述夹紧装置设置在所述加热系统内，其包括设置在所述加热密封座上的装夹定位板、设置在所述装夹定位板的二侧并用于夹紧所述阀体结构的装夹卡钳。

8.根据权利要求2所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述下基座板、所述中基座板均由厚度大于3mm的厚钢板制成，所述立柱由厚度大于3mm的厚壁钢管制成。

9.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述喷雾管上在靠近所述阀体结构的一侧分布有均匀分布的多个孔以形成均匀喷雾。

10.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：所述加热系统和所述冷却系统设置为一体式结构。

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