CN103528808B - 基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统及试验方法，涉及一种气缸套疲劳试验系统及方法，气缸套疲劳试验系统由气缸套装配系统和实时监测系统组成，气缸套装配系统包括试验机测试台和气缸套夹具装置，气缸套夹具装置包括上夹具和下夹具，上、下夹具将带有一个气缸套的试验装配体固定在试验机测试台上进行疲劳试验，试验过程中通过试验机向试验装配体施加载荷，实时监测系统监测气缸套的振动频率和应变以获取气缸套的寿命。本发明借助试验的方法模拟内燃机工作过程中，气缸套在螺栓预紧力和气体爆发压力作用条件下的疲劳寿命，试验周期短且保证了试验数据的准确性。

Description

基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及一种气缸套疲劳试验系统及方法，具体为基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统及试验方法。

背景技术

气缸套是内燃机的重要零部件之一，随着内燃机向着轻量化、高转速、高功率的方向发展，气缸套的结构和材料需要改变，最典型的如扩缸，扩缸后其可靠性和耐久性能否满足要求引起了人们的广泛关注。气缸套疲劳失效的影响因素主要包括两个方面：1、热负荷作用：主要由于气缸套内外壁存在较大温差，导致气缸套内外壁受周期性、不均匀的热应力；2、机械负荷作用：主要来自安装预紧力、燃气压力、活塞侧推力等。

目前，研究气缸套的疲劳寿命研究主要有两种。一是主要采用有限元模拟计算的方法，但由于各种条件所限，其计算结果的准确性不高有待试验验证。气缸套疲劳寿命考核的另外一种方法是将其安装在发动机上，进行耐久试验，这种方法周期长、成本高，而且只能在样机开发的后期进行。目前还缺少对气缸套进行快速疲劳寿命试验的方法。

目前已有很多机械零件在高频疲劳试验机上进行疲劳试验，这大大缩短了试验周期，加快这些零件的开发进程，但由于缸套所受载荷大且安装条件特殊，在高频疲劳试验机上的夹具设计难度大，目前还没有关于运用高频疲劳试验机对气缸套进行疲劳试验的方法的报道。在气缸套的疲劳失效中，有相当大的比例出现在缸套纵向支撑的台阶面，这一部位的失效受交变的机械负荷影响较大，因此提出一种基于高频疲劳试验机的进行缸盖-气缸套-机体的组合体疲劳试验系统及试验方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统及试验方法，可以使气缸套安装在高频疲劳试验机上进行气缸套受机械负荷作用的疲劳寿命试验，并且可以缩短测试气缸套受机械负荷作用的疲劳寿命的时间。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统，由气缸套装配系统和实时监测系统组成，气缸套装配系统包括试验机测试台和气缸套夹具装置，气缸套夹具装置包括上夹具和下夹具，上夹具包括一个上联结板，上联结板的中心通过双头螺柱与试验机测试台上的上端柱头连接，上联结板的四周通过螺栓Ⅰ与带有一个气缸套的试验装配体上端的气缸盖连接，下夹具包括一个下联结板，下联结板的中心通过螺栓Ⅱ与试验机测试台上的下端柱头连接，下联结板的两侧与试验装配体下端的轴承盖螺栓连接，试验机通过上端柱头向试验装配体施加试验载荷，所述实时监测系统包括设置在气缸套上的加速度传感器和应变片，所述加速度传感器和应变片分别依次与放大器、数据采集仪、数据采集卡和计算机连接，计算机监测气缸套的振动频率和应变。

基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统的气缸套疲劳寿命试验方法，包括如下步骤：

（1）、根据要试验的气缸套的最高气体爆发压力、气缸套的尺寸参数以及固定气缸盖的螺栓Ⅰ的尺寸参数，计算出所需的气缸盖螺栓Ⅰ的预紧力；根据计算的预紧力，将试验装配体用气缸套夹具装置安装在高频疲劳试验机的测试台上；

（2）、根据要试验的气缸套的最高气体爆发压力和气缸套的尺寸参数设定试验时气缸套所受平均载荷、交变载荷和载荷的循环次数；

（3）、试验过程：高频疲劳试验机按照输入的平均载荷、交变载荷和循环次数参数数值进行试验，计算机实时监测试验过程中气缸套的振动频率和应变，当气缸套的振动频率或应变的变化超过设定值时，试验结束，此时的循环次数即为气缸套的寿命。

有益效果：本发明的气缸套的疲劳试验系统可以使气缸套安装在高频疲劳试验机上，并借助试验的方法模拟内燃机工作过程中，气缸套在螺栓预紧力和气体爆发压力作用条件下的疲劳寿命，缩短了气缸套疲劳寿命试验时间。计算机实时监测系统可以准确判断气缸套的疲劳破坏时刻，保证了试验数据的准确性。本发明的气缸套的夹具装置使得气缸套试验装配体容易地安装在试验机上进行疲劳试验，载荷易于控制、试验周期短，试验成本低。

附图说明

图1为本发明气缸套疲劳试验系统的结构示意图。

图2为气缸套疲劳试验系统中夹具装置的上联结板的结构示意图。

图中标记为：1、上夹具，2、下夹具，3、试验装配体，4、上联结板，5、双头螺柱，6、上端柱头，7、下联结板，8、螺栓Ⅱ，9、下端柱头，10、螺栓Ⅰ，11、气缸盖，12、气缸套，13、加速度传感器，14、放大器，15、数据采集仪，16、数据采集卡，17、计算机，18、试验机测试台，19、螺纹孔，20、螺栓孔，21、内联结螺帽Ⅰ，22、上端柱头外压紧螺帽，23、内联结螺帽Ⅱ，24、下端柱头外压紧螺帽，25、垫片，26、气缸垫，27、应变片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统，由气缸套装配系统和实时监测系统组成，气缸套装配系统包括试验机测试台18和气缸套夹具装置，气缸套夹具装置包括上夹具1和下夹具2，上夹具1包括一个上联结板4，上联结板4的中心通过双头螺柱5与试验机测试台18上的上端柱头6连接，双头螺柱5的一端设置于上联结板4中心的螺纹孔19内，双头螺柱5的另一端连接在上端柱头6的内联结螺帽Ⅰ21内，上端柱头6的外部设有上端柱头外压紧螺帽22，上端柱头外压紧螺帽22内设有内联结螺帽Ⅰ21，上联结板4的四周通过螺栓Ⅰ10与带有一个气缸套的试验装配体3上端的气缸盖11连接，上联结板4的一组对边上分别设有两个螺栓，另一组对边上分别设有一个螺栓，下夹具2包括一个下联结板7，下联结板7的中心通过螺栓Ⅱ8与试验机测试台18上的下端柱头9连接，螺栓Ⅱ8穿过下联结板7中心的螺栓孔连接在下端柱头9的内联结螺帽Ⅱ23内，下端柱头9的的外部设有下端柱头外压紧螺帽24，下端柱头外压紧螺帽24内设有内联结螺帽Ⅱ23，下联结板7的两侧与试验装配体3下端的轴承盖螺栓连接，试验机通过上端柱头6向试验装配体3施加试验载荷，所述实时监测系统包括设置在气缸套12上的加速度传感器13和应变片27，所述加速度传感器13和应变片27分别依次与放大器14、数据采集仪15、数据采集卡16和计算机17连接，计算机17监测气缸套12的振动频率和应变。加速度传感器13和应变片27将试验过程中测得的气缸套12的瞬时加速度和应变传递给计算机17，计算机17安装有预先编制的控制程序，该程序通过监测气缸套12加速度和应变随时间变化的曲线，实现计算机17对气缸套12振动频率和应变的实时监测。

所述的试验装配体3即为待测试的缸盖-气缸套-机体组合体，包括待气缸盖、气缸垫、气缸套、机体等，以某车型搭载的六缸内燃机为例，为了便于装卡，需对其做一定的加工，其加工过程主要包括三部分：1、线切割装配体，以内燃机的前端为基准，并以过第二气缸中心轴线垂直于曲轴方向的平面为线切割平面，对气缸盖、气缸垫和内燃机机体进行线切割，保留内燃机的前端为试验体。2、以气缸盖下表面为基准，把其上表面精铣20mm。3、以曲轴轴承端盖的上表面为基准，把其下部铣平。

基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统的气缸套疲劳寿命试验方法，包括如下步骤：

（1）、根据要试验的气缸套的最高气体爆发压力、气缸套的尺寸参数以及固定气缸盖的螺栓Ⅰ的尺寸参数，计算出所需的气缸盖螺栓Ⅰ的预紧力；根据计算的预紧力，将试验装配体用气缸套夹具装置安装在高频疲劳试验机的测试台上；

以上述六缸柴油机为例，其螺栓预紧力采用扭矩法，计算方法如下：a、气缸盖螺栓预紧力下限设计

该柴油机燃气最高爆发压强P_max取15MPa，气缸直径D为114mm，则其气缸盖底面上单缸的最大燃气压力为：F_max=P_max·π·D²／4=15×3．14×114²／4=153KN。在发动机设计时，为了保证气缸盖的密封性，一般要求单缸螺栓轴向力与燃气最大压力之比n大于3，取n值为3.5时，单个螺栓拧紧后最小轴向力F=nF_max／6=89.2kN，可保证气缸盖可靠密封。

b、气缸盖螺栓预紧力上限设计

该气缸盖螺栓强度等级为12.9级，设计要求屈服强度σ_0．2≥1080MPa，螺栓承受应力的最小直径D=12.58mm，则拉伸屈服载荷F_s1≥134.2kN。螺栓在拧紧时受到的是拉一扭复合应力，当此复合应力所产生的等效应力σ_v超过屈服强度σ_0．2时，螺栓即会发生屈服。该螺栓拧紧时扭矩系数为0.2，拉扭复合状态下的屈服载荷F_s2≥134.2kN×0.8=107.4kN，即气缸盖螺栓装配时屈服轴向力F_s2≥107.4kN。螺栓拧紧后刚刚进入屈服区时，螺栓的轴向力最均匀可靠，并能保证螺栓不拉断，气缸盖螺栓拧紧后轴向力要求范围为90~110KN。

c、计算扭矩螺栓所受的扭矩

根据公式

式中：M为扭矩；f为螺母与垫圈端面之间的摩擦系数f=0.15；D₀为螺母与垫圈接触部分的最大外径D₀=1.5d；d₀为垫圈孔的内径d₀=1.1d；d₂为螺纹中径d₂=0.9d；φ_v为螺纹副当量摩擦角φ_v=arctan1.155f；ψ为螺纹升角。扭矩F_1算=90~110KN，螺纹M14×2，计算可得扭矩M=226~277N·m。综上，可取扭矩值为260N·m。

试验装配体3安装固定在高频疲劳试验机的测试台上，其安装过程分三步完成。第一步，试验装配体下部装卡固定，升高高频疲劳试验机的上端柱头6到一定的高度（根据试验装配体的高度确定），放置高频疲劳试验机下端柱头内联结螺帽Ⅱ23于下端柱头外压紧螺帽24内，将下端柱头外压紧螺帽24拧紧在下端柱头9上，螺栓Ⅱ8穿过下联结板7中心的螺栓孔，并用螺栓帽施加一定的预紧力拧紧，再把用于连接试验装配体3下端轴承盖的四个螺栓先穿过下联结板7的两侧，然后手动拧紧螺栓Ⅱ8于下端柱头内联结螺帽Ⅱ23内，放置试验装配体3于下联结板7上，注意对齐螺栓孔，施加一定的预紧力通过下联结板7两侧的四个螺栓将试验装配体3的下端固定在下夹具上；

第二步，试验装配体上部装卡固定，放置高频疲劳试验机的上端内联结螺帽Ⅰ21于上端柱头外压紧螺帽22内，手动拧紧上端柱头外压紧螺帽22于高频疲劳试验机的上端柱头6上，施加一定的预紧力拧紧双头螺柱5于上端内联结螺帽Ⅰ21内，把六个螺栓分别穿过上联结板4四周的六个螺栓孔20，施加一定的预紧力把垫片25、上联结板4拧紧在双头螺柱5上；

第三步，试验装配体中部装卡固定，稍转动试验装配体3，把穿过上联结板4四周的六个螺栓对齐试验装配体3上端气缸盖11上的螺栓孔，放置并对齐气缸垫26于内燃机机体上，降低高频疲劳试验机上端柱头6，直到高频疲劳试验机监测软件上的平均负荷为负值时停止。用预紧力扳手按照预紧力施加工艺把上联结板4四周的六个螺栓拧紧在气缸盖11上，最后，再用专用扳手施加一定的预紧力将高频疲劳试验机下端柱头外压紧螺帽24和高频疲劳试验机上端柱头外压紧螺帽22依次拧紧，即完成试验装配体3的装卡过程，装卡过程中保证上联结板4的中心螺纹孔轴线、试验装配体3内部的气缸套中心轴线和下联结板7中心的螺栓孔轴线三线重合。

（2）、根据要试验的气缸套的最高气体爆发压力和气缸套的尺寸参数设定试验时气缸套所受平均载荷、交变载荷和载荷的循环次数；

根据本实施例设定的该柴油机气缸套受P=15MPa的最高气体爆发压力的情况，气缸套的直径D=114mm，可计算出作用在双头螺柱5上的最大载荷F_max=P·π·D²/4=153KN，所以作用在双头螺柱5上载荷的变化范围为0~153KN，本实施例采GPS200系列高频疲劳试验机，由于其最大交变负荷为100KN的限制，所以选取平均载荷为100KN，交变载荷为53KN，循环次数为10⁷次（一般认为：零部件的循环次数超过10⁷次，该零部件为无限寿命。）。

（3）、试验过程：高频疲劳试验机按照输入的平均载荷、交变载荷和循环次数参数数值进行试验，计算机实时监测试验过程中气缸套的振动频率和应变，当气缸套的振动频率或应变的变化超过设定值时，试验结束，此时的循环次数即为气缸套的寿命。

本实施例为循环10⁷次后，疲劳试验机自动停止振动，可以得出气缸套为无限寿命。

Claims (2)

1.基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统，其特征在于：由气缸套装配系统和实时监测系统组成，气缸套装配系统包括试验机测试台（18）和气缸套夹具装置，气缸套夹具装置包括上夹具（1）和下夹具（2），上夹具（1）包括一个上联结板（4），上联结板（4）的中心通过双头螺柱（5）与试验机测试台（18）上的上端柱头（6）连接，上联结板（4）的四周通过螺栓Ⅰ（10）与带有一个气缸套的试验装配体（3）上端的气缸盖（11）连接，下夹具（2）包括一个下联结板（7），下联结板（7）的中心通过螺栓Ⅱ（8）与试验机测试台（18）上的下端柱头（9）连接，下联结板（7）的两侧与试验装配体（3）下端的轴承盖螺栓连接，试验机通过上端柱头（6）向试验装配体（3）施加试验载荷，所述试验装配体（3）为缸盖-气缸套-机体组合体，所述机体为内燃机，所述实时监测系统包括设置在气缸套（12）上的加速度传感器（13）和应变片（27），所述加速度传感器（13）和应变片（27）分别依次与放大器（14）、数据采集仪（15）、数据采集卡（16）和计算机（17）连接，计算机（17）监测气缸套（12）的振动频率和应变。

2.利用权利要求1所述的基于高频疲劳试验机的气缸套疲劳试验系统进行气缸套疲劳寿命试验的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、根据要试验的气缸套的最高气体爆发压力、气缸套的尺寸参数以及固定气缸盖的螺栓Ⅰ的尺寸参数，计算出所需的气缸盖螺栓Ⅰ的预紧力；根据计算的预紧力，将试验装配体用气缸套夹具装置安装在高频疲劳试验机的测试台上；

（2）、根据要试验的气缸套的最高气体爆发压力和气缸套的尺寸参数设定试验时气缸套所受平均载荷、交变载荷和载荷的循环次数；

（3）、试验过程：高频疲劳试验机按照输入的平均载荷、交变载荷和循环次数参数数值进行试验，计算机实时监测试验过程中气缸套的振动频率和应变，当气缸套的振动频率或应变的变化超过设定值时，试验结束，此时的循环次数即为气缸套的寿命。