CN103698117A - 一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置和试验方法，所述试验装置包括气缸盖1、气缸盖螺栓2、气缸垫3、机械压力放大器4、假机体5、软铜垫6、密封圈7、底板8、底板紧固螺栓9和液压油密封圈10，其特征在于：由底板8、机械压力放大器4和假机体5共同组成液压油腔11，液压油腔入口12与外部液压系统相连接。本发明实现了一种能够满足当前更高压力需求、解决更高压力密封问题以及考虑温度影响的试验装置和试验方法，能够实现更高压力、考虑温度影响效应的发动机气缸盖考核。

Description

一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置和试验方法

技术领域

本发明属于发动机零部件性能试验技术领域，具体涉及一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置和试验方法。

背景技术

气缸盖是构成发动机燃烧室的关键构件之一，承受机械载荷和热载荷的共同作用。随着发动机功率密度的不断提高，气缸盖机械负荷和热负荷问题日益突出，已经成为制约发动机进一步强化的主要技术瓶颈。由气体力作用为主导引起的高周疲劳失效和由大幅度温度循环波动为主导引起的低周热疲劳失效是气缸盖典型的疲劳失效模式。

现有的气缸盖高周机械疲劳试验装置和方法基本上以液压伺服疲劳试验系统为主，气缸盖试验件通过螺栓紧固在假机体上，气缸盖、气门、气缸垫和假机体共同构成一个密闭容积空间，该容积与液压伺服系统油路相连，通过液压油压力的改变来模拟气体力对缸盖的作用力。通过合理匹配螺栓、缸盖、气缸垫、假机体之间的刚度，这种试验方法能够准确地模拟气体力作用带来的机械疲劳作用，同时由于该方法简单易行，因而被业界普遍采用。一般来说，发动机气缸盖设计需要满足1.6倍左右的强化系数，即气缸盖机械疲劳试验时通常考虑一定的加载系数。随着近年来发动机功率强化程度的提高，气体爆发压力越来越高，部分柴油机爆发压力高达20多兆帕，因此，这给气缸盖部件机械疲劳试验装置带来了新的难题。

当前气缸盖高周机械疲劳试验装置面临的问题主要有：(1)高压油的密封问题。为真实模拟缸盖的受力状况，通常采用与整机状态一致气缸垫及其密封方式，在较高的试验加载系数下，气缸垫处漏油问题很难解决，同时，气门与缸盖之间采用强力胶粘结在一起或胶圈密封，承受的机械载荷有限，因此试验加载系数受到了限制，无法考核高强化系数下气缸盖部件的疲劳强度。(2)随着发动机爆发压力越来越高，要求试验装置油腔压力也越来越高，然而当前普遍使用液压系统提供的油压受限，无法满足部分气缸盖试验的要求，尽管少数公司已开发了更高油压的液压系统，但由于成本较高且仍然需要考虑高压油带来密封问题的影响，也不能在现有装置上直接使用。(3)对于气缸盖高周疲劳问题来说，不仅仅要考虑螺栓约束作用下气体力带来的影响，还要考虑温度对气缸盖疲劳强度的影响。在现有装置上，采用不同加热装置以实现气缸盖温度场的模拟非常困难，而且很难达到预期目的，主要原因在于温度对气缸盖部件高周疲劳强度的影响不在于局部温度的高低，而在于部件整体的热膨胀量。

因此，设计一种能够满足当前更高压力需求、解决更高压力带来的密封问题以及考虑温度影响的试验装置和试验方法是当前考核气缸盖机械疲劳的急需。

发明内容

本发明的主要技术目标是提供一种发动机气缸盖高周机械疲劳的试验装置，能够满足更高压力要求、更好地解决高压油密封问题的疲劳试验装置，同时，还提供一种利用等效变形考虑温度对试验结果影响的试验方法。

本发明提出的试验装置主要由气缸盖1、气缸盖螺栓2、气缸垫3、机械压力放大器4、假机体5、软铜垫6、密封圈7、底板8、底板紧固螺栓9和液压油密封圈10组成，其特征在于：由机械压力放大器4、假机体5和底板8共同组成液压油腔11，液压油腔入口12与外部液压系统相连接。

所述机械压力放大器4大头位于下部，小头与软铜垫6接触，在液压油压力的作用下，力通过压力放大器传递至气缸盖，由于大小头面积不同，从而实现了力的放大作用和气体力的模拟。

所述机械压力放大器4小头端面具有圈状微条纹，在工作过程中可避免与软铜垫6发生大幅度滑移。

本发明的有益效果是：本发明实现了一种能够满足当前更高压力需求、解决更高压力密封问题以及考虑温度影响的试验装置和试验方法，能够实现更高压力、考虑温度影响效应的发动机气缸盖考核。

附图说明

图1是试验台结构示意图；

1-气缸盖；2-气缸盖螺栓；3-气缸垫；4-假机体；5-压力放大器；6-软铜垫；7-密封圈；8-底板；9-底板紧固螺栓；10-液压密封圈；11-液压油腔；12-液压油腔入口

图2是机械压力放大器示意图；

具体实施方式

一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验方法，其特征在于：

第一步，试验台气缸盖紧固规范的确定：首先，基于整机真实状态按照螺栓拧紧规范测量螺栓和气缸盖的特征部位的应变值，然后，基于试验装置测量在拧紧规范下的气缸盖和螺栓特征部位的应变值，通过螺栓预紧力调整使模拟条件下气缸盖发生的应变量与整机状态一致，由此得到的应变值和拧紧规范即为试验台气缸盖的紧固规范；

第二步，温度对试验结果影响的模拟：在试验台气缸盖紧固的基础上，继续拧紧使缸盖在发生一定的压缩应变，该压缩应变量与缸盖在整机状态下热膨胀产生的应变量相同，从而实现温度对试验结果的影响；

第三步，通过液压系统，采用正弦波形加载液压压力，实现气体力的模拟，通过升降法即可确定气缸盖的机械疲劳安全系数。

优选在第二步中，缸盖在整机状态下热膨胀产生的应变量在整机状态下通过测量获取，先在发动机冷机下应变清零，然后测量最危险工况热平衡状态下的应变值，即为由于热膨胀产生的应变量。

优选在第二步中，缸盖在整机状态下热膨胀产生的应变量通过有限元方法获得，首先仿真分析模型，仿真模型应尽可能模拟整机真实工作状态，模型包括气缸盖、气缸垫、气缸盖螺栓和机体部件，各部件材料属性基于材料试验确定，固支机体底部，各部件之间均采用接触属性模拟；其次，计算螺栓预紧力下气缸盖的变形及应力应变情况，获得螺栓预紧力作用下气缸盖和螺栓的应变值；然后，计算缸盖温度场并加载于仿真模型，获得在温度作用下气缸盖及螺栓的变形和应力应变值；计算所得的应变量即可用于气缸盖部件机械疲劳试验中的紧固规范。

所述发动机气缸盖的高周机械疲劳试验方法具有一定的适用范围，若气缸盖底面不平整、存在复杂形状时，机械压力放大器、软铜垫和气缸盖之间无法充分接触，力的传递受到影响，因此，该方法仅适用于气缸盖底面相对比较平整的气缸盖疲劳试验。

Claims (6)

1.一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置，包括气缸盖1、气缸盖螺栓2、气缸垫3、机械压力放大器4、假机体5、软铜垫6、密封圈7、底板8、底板紧固螺栓9和液压油密封圈10，其特征在于：由底板8、机械压力放大器4和假机体5共同组成液压油腔11，液压油腔入口12与外部液压系统相连接。

2.根据权利要求1所述的发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置，其特征在于：所述机械压力放大器4大头位于下部，小头与软铜垫6接触，在液压油压力的作用下，力通过机械压力放大器4传递至气缸盖1，由于大小头面积不一致，从而实现了力的放大作用和气体力的模拟。

3.根据权利要求1所述的发动机气缸盖高周机械疲劳试验装置，其特征在于：所述机械压力放大器4小头的端面具有圈状微条纹。

4.一种发动机气缸盖高周机械疲劳试验方法，其特征在于：

第一步，试验台气缸盖紧固规范的确定：首先，基于整机真实状态按照螺栓拧紧规范测量螺栓和气缸盖的特征部位的应变值，然后，基于试验装置测量在拧紧规范下的气缸盖和螺栓特征部位的应变值，通过螺栓预紧力调整使模拟条件下气缸盖发生的应变量与整机状态一致，由此得到的应变值和拧紧规范即为试验台气缸盖的紧固规范；

第二步，温度对试验结果影响的模拟：在试验台气缸盖紧固的基础上，继续拧紧使缸盖在发生一定的压缩应变，该压缩应变量与缸盖在整机状态下热膨胀产生的应变量相同，从而实现温度对试验结果的影响；

第三步，通过液压系统，采用正弦波形加载液压压力，实现气体力的模拟，通过升降法即可确定气缸盖的机械疲劳安全系数。

5.根据权利要求4所述的发动机气缸盖高周机械疲劳试验方法，其特征在于：在第二步中，缸盖在整机状态下热膨胀产生的应变量在整机状态下通过测量获取，先在发动机冷机下应变清零，然后测量最危险工况热平衡状态下的应变值，即为由于热膨胀产生的应变量。

6.根据权利要求4所述的发动机气缸盖高周机械疲劳试验方法，其特征在于：在第二步中，缸盖在整机状态下热膨胀产生的应变量通过有限元方法获得，首先仿真分析模型，仿真模型应尽可能模拟整机真实工作状态，模型包括气缸盖、气缸垫、气缸盖螺栓和机体部件，各部件材料属性基于材料试验确定，固支机体底部，各部件之间均采用接触属性模拟；其次，计算螺栓预紧力下气缸盖的变形及应力应变情况，获得螺栓预紧力作用下气缸盖和螺栓的应变值；然后，计算缸盖温度场并加载于仿真模型，获得在温度作用下气缸盖及螺栓的变形和应力应变值；计算所得的应变量即可用于气缸盖部件机械疲劳试验中的紧固规范。

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