CN106383022A - 一种多功能热负荷疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能热负荷疲劳试验系统，包括试件安装平台、燃气加热系统、冷却系统、排气系统和控制系统，所述燃气加热系统安装在试件安装平台上，冷却系统安装在燃气加热系统上，所述排气系统设置在试件安装平台上部，所述控制系统信号连接燃气加热系统、冷却系统和排气系统；所述冷却系统包括空气冷却系统和高低温冷却循环系统，所述高低温冷却循环系统包括高温冷却水循环系统和低温冷却水循环系统。本发明具有以下优势：能够实现受热件与周围介质之间的热传导，试验件热疲劳试验用内腔冷却水流量分布控制，并可实现高低温冷却水循环；通过预紧螺栓调节块，实现缸盖等效预紧力下的热负荷试验。

Description

一种多功能热负荷疲劳试验系统

技术领域

本发明属于热负荷疲劳试验装置技术领域，尤其是涉及一种多功能热负荷疲劳试验系统。

背景技术

随着发动机升功率及单位体积功率的不断增加会导致由热负荷引起的故障越来越多，严重制约着发动机可靠性的提高。在由热负荷引起的发动机故障中，缸盖、活塞是问题最为突出的部件，在交变温度及热应力作用下，缸盖、活塞材料高温蠕变与松弛、高温疲劳等问题越发突出。为准确评估缸盖、活塞的受热状态和疲劳强度，必须进行热负荷疲劳试验评估。

传统的热负荷试验台均是单独对受热件进行加热，而很少考虑到受热件与周边零部件及冷却介质间的热传递作用，以及受热件的初始预紧状态，致使被试件承载情况与实际状态存在很大的差异。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种多功能热负荷疲劳试验系统，更加真实的模拟试验件的工作状态。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多功能热负荷疲劳试验系统，包括试件安装平台、燃气加热系统、冷却系统、排气系统和控制系统，所述燃气加热系统安装在试件安装平台上，冷却系统安装在燃气加热系统上，所述排气系统设置在试件安装平台上部，所述控制系统信号连接燃气加热系统、冷却系统和排气系统；所述冷却系统包括空气冷却系统和高低温冷却循环系统，所述高低温冷却循环系统包括高温冷却水循环系统和低温冷却水循环系统。

进一步的，所述试件安装平台包括主体框架、试验件支撑结构和假机体，所述试验件支撑结构活动连接在主体框架上表面，通过翻转驱动机构驱动试验件支撑结构在主体框架上进行翻转运动，所述翻转驱动机构与控制系统控制连接；所述燃气加热系统安装在主体框架上位于试验件支撑结构底部的位置，所述燃气加热系统和试验件支撑结构之间设置假机体。

进一步的，所述试验件支撑结构包括支撑框架、试验件非标连接板、预紧螺栓调节块和连接块，所述支撑框架采用框架结构，所述试验件非标连接板通过若干连接块固定安装在支撑框架的中部，所述连接块固定安装在支撑框架的底部；所述预紧螺栓调节块和预紧螺栓用于将试验件固定在试验件非标连接板上，通过预紧螺栓连接块进行安装高度及刚度调节。

进一步的，所述试验件支撑结构的两端分别固定连接一三角支架，两个所述三角支架分别与主体框架上表面两侧安装的轴承座连接，其中一个所述轴承座上的输出轴的另一端通过固定的旋转支撑与主体框架上安装的翻转驱动机构连接。

进一步的，所述燃气加热系统包括火焰加热器、混合器、燃气泄漏报警装置、燃气供给装置和氧气供给装置；所述燃气供给装置和氧气供给装置的输出口连通混合器，所述混合器的输出口连通火焰加热器。

进一步的，所述燃气供给装置依次通过燃气截止阀、燃气比例阀连接混合器，所述氧气供给装置依次通过氧气截止阀、氧气比例阀连接混合器；所述燃气供给装置包括多个燃气瓶，多个燃气瓶通过汇流排连接在一起；所述氧气供给装置包括多个氧气瓶，多个氧气瓶通过汇流排连接在一起。

进一步的，所述空气冷却系统包括空气压缩机，所述空气压缩机依次通过空气控制阀、空气分流排连接所述燃气加热系统。

进一步的，所述高温冷却水循环系统和低温冷却水循环系统的一端通过三通电磁阀连接所述燃气加热系统。

进一步的，还包括摄像系统，所述摄像系统包括摄像装置、滑轨、滑轨驱动电机，所述滑轨安装在主体框架上试验件支撑结构的一侧，所述滑轨由滑轨驱动电机驱动，摄像装置通过行走装置设置在滑轨上，所述摄像装置与控制系统控制连接。

进一步的，所述控制系统包括工控计算机和控制器。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明能够实现受热件与周围介质之间的热传导，试验件热疲劳试验用内腔冷却水流量分布控制，并可实现高低温冷却水循环；

(2)本发明可实现不同受热件的热疲劳试验，可通过变换支撑框架中部的的试验件非标连接板，实现缸盖、活塞等其它受热件的支撑，不同的被试件采用不同的试验件非标连接板，以实现不同的缸径、不同大小被试件的试验需求；

(3)通过预紧螺栓调节块，实现缸盖等效预紧力下的热负荷试验；

(4)通过翻转驱动机构可实现试验样件的自动化翻转；

(5)试验系统配有影像拍摄装置及导轨，可实现试样图像的自动留存，便于观察试验件考核状态，便于自动裂纹识别功能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述多功能热负荷疲劳试验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述多功能热负荷疲劳试验系统的的逻辑图；

图3为本发明实施例所述试验件支撑结构的结构示意图；

图4为本发明实施例所述试验件支撑结构的另一结构示意图；

图5为本发明实施例所述多功能热负荷疲劳试验系统的原理图；

图6为本发明实施例所述多功能热负荷疲劳试验系统的试验过程图；

图7为本发明实施例所述试件安装平台的试验状态图；

图8为本发明实施例所述试件安装平台的翻转状态图；

图9为本发明实施例所述翻转驱动机构的结构示意图；

图10为本发明实施例所述试验件支撑结构的另一结构示意图。

附图标记说明：

1-排气系统，2-试验件，3-支撑框架，4-摄像装置，5-燃气加热系统，6-主体框架，7-旋转支撑，8-冷却系统，9-滑轨，10-滑轨驱动电机，11-燃气泄漏报警装置，12-低温冷却水循环系统，13-翻转驱动机构，14-氧气瓶，15-氧气截止阀，16-氧气比例阀，17-燃气瓶，18-燃气截止阀，19-燃气比例阀，20-混合器，21-空气压缩机，22-空气控制阀，23-空气分流排，24-工控计算机，25-控制器，26-高温冷却水循环系统，27-三通电磁阀，28-假机体，29-试验件非标连接板，30-预紧螺栓调节块，31-连接块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种多功能热负荷疲劳试验系统，如图1、2所示，包括试件安装平台、燃气加热系统5、冷却系统8、排气系统1和控制系统，所述燃气加热系统5安装在试件安装平台上，冷却系统8安装在燃气加热系统5上，所述排气系统1设置在试件安装平台上部，所述控制系统信号连接燃气加热系统5、冷却系统8和排气系统1；所述冷却系统8包括空气冷却系统和高低温冷却循环系统，所述高低温冷却循环系统包括高温冷却水循环系统26和低温冷却水循环系统12；实现加热过程中燃气加热系统5与高温冷却水循环系统26配合工作，冷却过程中空气冷却系统和低温冷却水循环系统12配合工作。

所述试件安装平台包括主体框架6、试验件支撑结构和假机体28，所述试验件支撑结构活动连接在主体框架6上表面，通过翻转驱动机构13驱动试验件支撑结构在主体框架6上进行翻转运动，所述翻转驱动机构13与控制系统控制连接；所述燃气加热系统5安装在主体框架6上位于试验件支撑结构底部的位置，所述燃气加热系统5和试验件支撑结构之间设置假机体28。

如图3、4所示，所述试验件支撑结构包括支撑框架3、试验件非标连接板29、预紧螺栓调节块30和连接块31，所述支撑框架3采用铝合金框架结构，用于固定试验件2的试验件非标连接板29通过若干连接块31固定安装在支撑框架3的中部，所述连接块31固定安装在支撑框架3的底部，以减轻重量、非标尺寸、设计便捷性；试验件2通过预紧螺栓调节块30和预紧螺栓固定在试验件非标连接板29上，通过预紧螺栓连接块31进行安装高度及刚度调节；通过支撑框架3连接不同型式的试验件非标连接板29，实现不同活塞或气缸盖试验条件的相互转换。

如图7至9所述试验件支撑结构的两端分别固定连接一三角支架，两个所述三角支架分别与主体框架6上表面两侧安装的轴承座连接，其中一个所述轴承座上的输出轴的另一端通过固定的旋转支撑7与主体框架6上安装的翻转驱动机构13连接，本实施的翻转驱动结构选择液压缸，实现所述试验件支撑结构在主体框架6上的翻转运动。

所述燃气加热系统5包括火焰加热器、混合器20、燃气泄漏报警装置11、燃气供给装置和氧气供给装置；所述燃气供给装置和氧气供给装置的输出口连通混合器20，所述混合器20的输出口连通火焰加热器；具体的，所述燃气供给装置依次通过燃气截止阀18、燃气比例阀19连接混合器20，所述氧气供给装置依次通过氧气截止阀15、氧气比例阀16连接混合器20；所述燃气供给装置包括多个燃气瓶17，多个燃气瓶17通过汇流排连接在一起；所述氧气供给装置包括多个氧气瓶14，多个氧气瓶14通过汇流排连接在一起。

所述空气冷却系统包括空气压缩机21、空气控制阀22和空气分流排23，所述空气压缩机21依次通过空气控制阀22、空气分流排23连接所述燃气加热系统5；

所述高温冷却水循环系统26和低温冷却水循环系统12的一端通过三通电磁阀27连接所述燃气加热系统5。

所述控制系统包括工控计算机24和控制器25，所述控制系统实现对试验过程的控制、对火焰加热器的控制、数据采集、燃气泄漏报警控制、急停控制等。

本发明还包括摄像系统，所述摄像系统包括摄像装置4、滑轨9、滑轨驱动电机10，所述滑轨9安装在主体框架6上试验件支撑结构的一侧，所述滑轨9由滑轨驱动电机10驱动，摄像装置4通过行走装置设置在滑轨9上，所述摄像装置4与控制系统控制连接。

如图5所示，为本发明的原理图，通过火焰加热器对试验件进行加热，燃气供给装置和氧气供给装置分别提供燃气和氧气，空气冷却系统提供压缩空气，高温冷却水循环系统26和低温冷却水循环系统12分别提供高温冷却液和低温冷却液；所述控制系统对整个试验过程进行过程控制、数据采集(温度采集、燃气泄漏检测数据采集等)、对火焰加热器的火焰控制、火警控制和急停控制。

本发明所述试件安装平台具备进行多个工位的活塞或缸盖的热负荷试验研究能力，利用燃气加热系统5实现对试验件(主要是缸盖、活塞)的热疲劳部件考核，实现如图6所示的，冷却、加热交替的循环过程。

试验过程中试验件2采用高低温冷却循环系统，加热过程实现火焰加热和高温冷却液通过水腔，冷却过程实现空气冷却系统和低温冷却液通过水腔，试验前进行冷却流场仿真，保证冷却能力与实际工况相当。

实验过程中试验件缸盖在处于预紧螺栓的预紧约束条件下，被试缸盖安装预紧螺栓采用原机螺栓，试验连接时通过预紧螺栓连接块31进行安装高度及刚度调节，保证缸盖在试验过程中与实际预紧受力状态一致。

当试验进行到一定循环次数时，可利用翻转机构进行试验件的翻转，并利用摄影装置记录和观察被试件的工作状态，及时发现损伤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：包括试件安装平台、燃气加热系统、冷却系统、排气系统和控制系统，所述燃气加热系统安装在试件安装平台上，冷却系统安装在燃气加热系统上，所述排气系统设置在试件安装平台上部，所述控制系统信号连接燃气加热系统、冷却系统和排气系统；

所述冷却系统包括空气冷却系统和高低温冷却循环系统，所述高低温冷却循环系统包括高温冷却水循环系统和低温冷却水循环系统。

2.根据权利要求1所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述试件安装平台包括主体框架、试验件支撑结构和假机体，所述试验件支撑结构活动连接在主体框架上表面，通过翻转驱动机构驱动试验件支撑结构在主体框架上进行翻转运动，所述翻转驱动机构与控制系统控制连接；所述燃气加热系统安装在主体框架上位于试验件支撑结构底部的位置，所述燃气加热系统和试验件支撑结构之间设置假机体。

3.根据权利要求2所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述试验件支撑结构包括支撑框架、试验件非标连接板、预紧螺栓调节块和连接块，所述支撑框架采用框架结构，所述试验件非标连接板通过若干连接块固定安装在支撑框架的中部，所述连接块固定安装在支撑框架的底部；所述预紧螺栓调节块和预紧螺栓用于将试验件固定在试验件非标连接板上，通过预紧螺栓连接块进行安装高度及刚度调节。

4.根据权利要求2所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述试验件支撑结构的两端分别固定连接一三角支架，两个所述三角支架分别与主体框架上表面两侧安装的轴承座连接，其中一个所述轴承座上的输出轴的另一端通过固定的旋转支撑与主体框架上安装的翻转驱动机构连接。

5.根据权利要求1所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述燃气加热系统包括火焰加热器、混合器、燃气泄漏报警装置、燃气供给装置和氧气供给装置；所述燃气供给装置和氧气供给装置的输出口连通混合器，所述混合器的输出口连通火焰加热器。

6.根据权利要求5所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述燃气供给装置依次通过燃气截止阀、燃气比例阀连接混合器，所述氧气供给装置依次通过氧气截止阀、氧气比例阀连接混合器；所述燃气供给装置包括多个燃气瓶，多个燃气瓶通过汇流排连接在一起；所述氧气供给装置包括多个氧气瓶，多个氧气瓶通过汇流排连接在一起。

7.根据权利要求1所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述空气冷却系统包括空气压缩机，所述空气压缩机依次通过空气控制阀、空气分流排连接所述燃气加热系统。

8.根据权利要求1所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述高温冷却水循环系统和低温冷却水循环系统的一端通过三通电磁阀连接所述燃气加热系统。

9.根据权利要求2所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：还包括摄像系统，所述摄像系统包括摄像装置、滑轨、滑轨驱动电机，所述滑轨安装在主体框架上试验件支撑结构的一侧，所述滑轨由滑轨驱动电机驱动，摄像装置通过行走装置设置在滑轨上，所述摄像装置与控制系统控制连接。

10.根据权利要求1所述的多功能热负荷疲劳试验系统，其特征在于：所述控制系统包括工控计算机和控制器。