CN103604592B - 发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统，包括活塞、底板、侧板、顶板、管路、高压空气瓶、高频感应加热机、运动装置、冷却装置、排气稳压装置以及包括控制器和计算机的控制装置。活塞通过活塞销与运动装置连接，活塞承受的往复惯性力由运动装置提供；活塞的顶部、侧板和顶板之间的相对密闭的空间形成高温高压气体作用腔，该腔通过管路与高压空气瓶相连，高频感应加热机对该管路进行加热，冷却装置实现对活塞的冷却。本发明通过高温高压气体作用腔模拟发动机燃烧室，其中的高温高压气体模拟发动机气缸内高温高压燃气，高压气体的充放、高频感应加热机的开关、运动装置的启停由同一控制器控制，三者实现了同步控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统，属于发动机疲劳试验领域。
背景技术
高功率密度发动机是发动机发展的必然趋势。高功率密度发动机能够大幅减小车辆动力系统的体积，增大车辆的机动性，因而在民用和国防方面都有广泛的应用前景。而活塞是发动机的核心部件，在发动机工作过程中，活塞不仅承受着很高的热负荷，还承受着很高的机械负荷，工作环境极其恶劣。特别是在高功率密度发动机中，所存在的高热负荷和高爆发压力会缩短发动机活塞的寿命，从而导致发动机使用寿命的缩短。因此，高功率密度发动机的发展必然要求解决活塞在这种高热负荷和高爆发压力环境下的寿命缩短的问题。这就需要在设计阶段即对在热-机械负荷耦合作用下的发动机活塞的疲劳寿命进行考核。
现有技术中，发动机活塞的疲劳试验通常是通过模拟活塞在热负荷或机械负荷作用下的应力状态，分析活塞的疲劳破坏过程，进而预测活塞的疲劳寿命。目前已有的发动机活塞的疲劳试验台都是只考虑了热负荷或机械负荷的作用。实际上，发动机活塞受到的是热负荷、爆发压力以及往复惯性力的综合作用，如果只单独考虑热负荷或机械负荷，将很难准确评估活塞的应力状态和预测活塞的疲劳寿命。现有技术没有针对上述几种影响的对发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统。
发明内容
本发明的目的是克服现有的发动机活塞疲劳试验台架的不足，提供一种能够同时考虑发动机活塞的热负荷和机械负荷作用，即，考虑发动机活塞热-机械负荷耦合作用以更准确地预测活塞疲劳寿命的疲劳试验系统。
本发明采用以下技术方案实现：
本发明提供一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统，包括活塞、主体、管路、高压空气瓶，高频感应加热机，运动装置、冷却装置、排气稳压装置以及包括控制器和计算机的控制装置，本发明中的管路共3条，其中：
主体包括底板、侧板和顶板；
活塞的底部、侧板和底板之间的相对密闭的空间形成冷却油腔；
第一条管路称为管路1，上面设有减压阀、减压表、电磁阀Ⅰ、压力表Ⅰ和温度表；
第二条管路称为管路2，上面设有电磁阀Ⅱ、压力表Ⅱ；
第三条管路称为管路3，上面设有电磁阀Ⅲ、压力表Ⅲ；
排气稳压装置包括排气稳压腔Ⅰ和排气稳压腔Ⅱ；
冷却装置包括冷却油箱和油泵；
运动装置包括直线电机和驱动器；
一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统的具体设计方案如下：
活塞置于主体的内部，通过活塞销与运动装置连接；
活塞的顶部、侧板和顶板之间的相对密闭的空间形成高温高压气体作用腔，高温高压气体作用腔通过管路与高压空气瓶连接，高频感应加热机靠近连接高温高压气体作用腔和高压空气瓶的管路1，高频感应加热机与控制装置中的控制器连接，高压空气瓶经由管路1上的电磁阀Ⅰ与控制装置控制器连接；
顶板和侧板、底板和侧板都可以通过螺栓连接；
高压空气瓶通过管路1与高温高压气体作用腔的进气口连接，管路1上的电磁阀Ⅰ通过线路与控制器连接；
排气稳压装置中的高温高压气体作用腔的两个出气口分别通过管路与排气稳压腔连接，具体连接方式为管路2与排气稳压腔Ⅰ连接，管路3与排气稳压腔Ⅱ连接，电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅲ分别通过线路与控制器连接；
高频感应加热机直接加热连接高温高压气体作用腔和高压空气瓶的管路的至少靠近高温高压气体作用腔的一部分；
活塞承受的往复惯性力由运动装置提供，运动装置中的直线电机通过活塞销直接连接到活塞，运动装置中的驱动器与控制装置中的控制器连接并由控制器中的运动模块程序控制，驱动器启动后驱动直线电机运行进而驱动活塞实现活塞的往复运动；
冷却装置中冷却油箱中的冷却油在油泵的驱动下经由底板上的冷却油进口喷入冷却油腔，然后从底板上的冷却油出口通过出油管输送返回到冷却油箱，实现对活塞的冷却；
高压空气瓶内的高压气体经过减压阀将压力降至爆发压力以下，经减压后的气体在管路1中输送时经过高频感应加热机加热，压力和温度升至指定值，电磁阀Ⅰ开启，经加热和升压后的高温高压气体进入高温高压气体作用腔，进而与往复运动的活塞相互作用。
本发明中的高频感应加热机的线圈直接加热连接高温高压气体作用腔和高压空气瓶的管路1的至少靠近高温高压气体作用腔的一部分，高频感应加热机的开关与控制器连接。
本发明中的控制装置可以对高压空气瓶、高频感应加热机和运动装置三者进行同步控制。
有益效果
本发明准确再现了发动机活塞同时承受热-机械负荷时的疲劳情况，对在热-机械负荷耦合作用下的发动机活塞的疲劳寿命的考核提供了合理的考核环境，从而为活塞的优化设计以及与整机的匹配提供依据，并为活塞的数值计算提供了试验数据支撑以能够快速判断数值结果的准确性。
本发明填补了国内外对发动机的活塞进行热-机械负荷耦合疲劳试验的空白，为活塞的研发提供准确的试验数据，能够显著降低活塞的研发成本并且提高活塞的研发效率，因此本发明将会得到广泛应用并将产生巨大的经济效益。
附图说明
图1为本发明的发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统的结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明的发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统组成部分包括：1.冷却油箱，2.油泵，3.冷却油进口，4.底板，5.螺栓Ⅰ，6.侧板，7.控制器，8.计算机，9.螺栓Ⅱ，10.电磁阀Ⅰ，11.顶板，12.压力表Ⅰ，13.管路2，14.压力表Ⅱ，15.电磁阀Ⅱ，16.排气稳压腔Ⅰ，17.减压表，18.减压阀，19.高压空气瓶，20.管路1，21.高频感应加热机，22.排气稳压腔Ⅱ，23.电磁阀Ⅲ，24.压力表Ⅲ，25.管路3，26.螺栓Ⅲ，27.温度表，28.高温高压气体作用腔，29.活塞，30.活塞销，31.冷却油腔，32.螺栓Ⅳ，33.冷却油出口，34.直线电机，35.驱动器。
在如图1所示的优选实施方式中，本发明的发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统包括活塞(29)、主体、高压空气瓶(19)、高频感应加热机(21)、运动装置、冷却装置、排气稳压装置以及包括控制器(7)和计算机(8)的控制装置。
主体包括底板(4)、侧板(6)和顶板(11)。活塞(29)置于主体的内部，通过活塞销(30)与运动装置连接。活塞(29)的底部、侧板(6)和底板(4)之间的相对密闭的空间形成一个冷却油腔(31)。活塞(29)的顶部、侧板(6)和顶板(11)之间的相对密闭的空间形成一个高温高压气体作用腔(28)，高温高压气体作用腔(28)在疲劳试验中模拟发动机的燃烧室。高温高压气体作用腔(28)通过管路1(20)与高压空气瓶(19)连接，高频感应加热机(21)靠近连接高温高压气体作用腔(28)和高压空气瓶(19)的该管路设置，高频感应加热机(21)可以与控制器7连接，高压空气瓶(19)可以经由电磁阀Ⅰ(10)与控制器(7)连接。
本发明中的高压空气瓶(19)通过管路1(20)与高温高压气体作用腔(28)的进气口连接，所述管路上设有减压阀(18)、减压表(17)、电磁阀Ⅰ(10)、压力表Ⅰ(12)和温度表(27)，电磁阀Ⅰ(10)通过线路与控制器(7)连接。
排气稳压装置包括排气稳压腔Ⅰ(16)和排气稳压腔Ⅱ(22)。高温高压气体作用腔(28)的两个出气口分别通过管路与排气稳压腔连接，具体连接方式为管路2(13)与排气稳压腔Ⅰ(16)连接，管路3(25)与排气稳压腔Ⅱ(22)连接，管路2(13)上设有电磁阀Ⅱ(15)、压力表Ⅱ(14)，管路3(25)上设有电磁阀Ⅲ(23)、压力表Ⅲ(24)，电磁阀Ⅱ(15)和电磁阀Ⅲ(23)分别通过线路与控制器(7)连接。
本发明中的高频感应加热机(21)的线圈直接加热连接高温高压气体作用腔(28)和高压空气瓶(19)的管路的至少靠近高温高压气体作用腔(28)的一部分。该高频感应加热机(21)的开关可以与控制器(7)连接。运动装置包括直线电机(34)和驱动器(35)，直线电机(34)通过活塞销(30)直接连接到活塞(29)，驱动器(35)与控制器(7)连接。
本发明中活塞(29)承受的往复惯性力由运动装置来提供。在疲劳试验过程中，驱动器(35)受到控制器(7)中的运动模块程序的控制而启动，直线电机(34)在驱动器(35)的驱动下运行并直接驱动活塞(29)来实现活塞(29)的往复运动。
冷却装置包括冷却油箱(1)和油泵(2)。在疲劳试验过程中，冷却油箱(1)中的冷却油在油泵(2)的作用下通过进油管输送并由底板(4)上的冷却油进口(3)喷入冷却油腔(31)，然后从底板(4)上的冷却油出口(33)通过出油管输送返回到冷却油箱(1)。通过冷却油的这种循环实现对活塞(29)的冷却。
本发明中组成主体的顶板(11)和侧板(6)、底板(4)和侧板(6)都可以通过螺栓连接，如图1中所示，顶板(11)和侧板(6)可以通过螺栓Ⅱ(9)和螺栓Ⅲ(26)连接，底板(4)和侧板(6)可以通过螺栓Ⅰ(5)和螺栓Ⅳ(32)连接。
本发明中的计算机和控制器为现有设备，在此不再详述。
本发明通过高温高压气体作用腔(28)中的高温高压气体模拟发动机气缸内的高温高压燃气。在疲劳试验中，高压空气瓶(19)内的高压气体首先经过减压阀(18)将压力降至爆发压力以下，经减压后的气体之后通过管路1输送并经过高频感应加热机(21)的线圈加热，管路1中被加热的气体的压力和温度升至指定值，此时电磁阀Ⅰ(10)开启，高温高压气体进入高温高压气体作用腔(28)，高温高压气体作用腔(28)中的高温高压气体与往复运动的活塞(29)相互作用，然后分别经由路径：管路2(13)-电磁阀Ⅱ(15)-排气稳压腔Ⅰ(16)和管路3(25)-电磁阀Ⅲ(23)-排气稳压腔Ⅱ(22)排出。
本发明中高压气体的充放、高频感应加热机的开关、运动装置的启停都由控制器(7)控制，计算机(8)可直接和控制器(7)相连，从而能够对三者进行同步控制。由此，控制装置同步控制了高压空气瓶、高频感应加热机和运动装置三者。
虽然为了使理解清楚的目的而详细描述了前面的实施方式，但本发明不限于所提供的细节。所公开的实施方式是示例性的而非限制性的。可以实现本发明的可替换方式均落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统，包括活塞、主体、3条管路、高压空气瓶、高频感应加热机、运动装置、冷却装置、排气稳压装置以及包括控制器和计算机的控制装置，其特征在于：
主体包括底板、侧板和顶板；
活塞的底部、侧板和底板之间的相对密闭的空间形成冷却油腔；
第一条管路称为管路1，上面设有减压阀、减压表、电磁阀Ⅰ、压力表Ⅰ和温度表；
第二条管路称为管路2，上面设有电磁阀Ⅱ、压力表Ⅱ；
第三条管路称为管路3，上面设有电磁阀Ⅲ、压力表Ⅲ；
排气稳压装置包括排气稳压腔Ⅰ和排气稳压腔Ⅱ；
冷却装置包括冷却油箱和油泵；
运动装置包括直线电机和驱动器；
一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统的具体设计方案如下：
活塞置于主体的内部，通过活塞销与运动装置连接；
活塞的顶部、侧板和顶板之间的相对密闭的空间形成高温高压气体作用腔，高温高压气体作用腔通过管路与高压空气瓶连接，高频感应加热机靠近连接高温高压气体作用腔和高压空气瓶的管路1，高频感应加热机与控制装置中的控制器连接，高压空气瓶经由管路1上的电磁阀Ⅰ与控制装置控制器连接；
顶板和侧板、底板和侧板都可以通过螺栓连接；
高压空气瓶通过管路1与高温高压气体作用腔的进气口连接，管路1上的电磁阀Ⅰ通过线路与控制器连接；
排气稳压装置中的高温高压气体作用腔的两个出气口分别通过管路与排气稳压腔连接，具体连接方式为管路2与排气稳压腔Ⅰ连接，管路3与排气稳压腔Ⅱ连接，电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅲ分别通过线路与控制器连接；
高频感应加热机直接加热连接高温高压气体作用腔和高压空气瓶的管路的至少靠近高温高压气体作用腔的一部分；
活塞承受的往复惯性力由运动装置提供，运动装置中的直线电机通过活塞销直接连接到活塞，运动装置中的驱动器与控制装置中的控制器连接并由控制器中的运动模块程序控制，驱动器启动后驱动直线电机运行进而驱动活塞实现活塞的往复运动；
冷却装置中冷却油箱中的冷却油在油泵的驱动下经由底板上的冷却油进口喷入冷却油腔，然后从底板上的冷却油出口通过出油管输送返回到冷却油箱，实现对活塞的冷却；
高压空气瓶内的高压气体经过减压阀将压力降至爆发压力以下，经减压后的气体在管路1中输送时经过高频感应加热机加热，压力和温度升至指定值，电磁阀Ⅰ开启，经加热和升压后的高温高压气体进入高温高压气体作用腔，进而与往复运动的活塞相互作用；
高频感应加热机的线圈直接加热连接高温高压气体作用腔和高压空气瓶的管路1的至少靠近高温高压气体作用腔的一部分，高频感应加热机的开关与控制器连接。
2.如权利要求1所述的一种发动机活塞热-机械负荷耦合疲劳试验系统，所述控制装置可以对高压空气瓶、高频感应加热机和运动装置三者进行同步控制。
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