CN107941516A - 激光加热活塞热疲劳试验系统和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种激光加热活塞热疲劳试验系统和试验方法，包括激光加热系统、强制冷却系统、控制系统和测量系统，激光加热系统安装在试件台的正上方，冷却系统由风冷、水冷两部分组成，用于在指定的时间内冷却试验对象，控制系统包含激光器自带PLC控制模块，用以控制加热过程，假缸体活塞工装用于对试件施加不同的约束方式，以模拟真实受力情况。本发明通过模拟活塞的热疲劳现象，为研究活塞热疲劳机理提供有效的方法与手段。

Description

激光加热活塞热疲劳试验系统和试验方法

技术领域

本发明涉及发动机的活塞，特别是一种激光加热活塞热疲劳试验系统和试验方法。

背景技术

活塞在实际工作中，主要承受爆发压力所产生的交变载荷以及燃烧火焰产生的热载荷。因此，在活塞设计时应保证其具有足够的机械强度和热强度。而在实际工作过程中，活塞的失效一般以热损伤为主，即活塞顶部的烧蚀损伤。因此在活塞的疲劳失效分析中，以其热疲劳失效机理分析和热强度的提升为主。为准确评估活塞的热状态和疲劳强度，必须对活塞进行热疲劳的可靠性试验。

现阶段的活塞热疲劳试验台，采用的加热方式大致可分为：

1)、电磁加热：该种加热方式虽然具有相应速度快的优点，但具有惯性大、干扰强、非线性的缺点，且只能对铸铁类零件加热，对铝合金类零件不适用；

2)、火焰加热：该种加热方式以气态燃料(如液化气、天然气等)为燃烧介质，设备简单，但存在因气体泄漏而引起的安全隐患、热量分配控制难、燃料更换周期短等缺点。

通过透镜聚焦激光，可将能量集中到一定面积上，产生巨大的热量，可以作为很好的热源。同时激光具有高可控性，通过系统自带的软件可以方便的设置激光脉冲的周期、占空和波形，从而准确的控制活塞表面的温度。

发明内容

本发明为了解决上述活塞热疲劳损伤导致活塞失效的问题，提出一种激光加热活塞热疲劳试验系统和试验方法，该系统采用激光器进行活塞的热负荷模拟，可以更为真实地模拟活塞的热疲劳现象，为研究活塞热疲劳机理提供了有效的方法与手段。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种激光加热活塞热疲劳试验系统，包括激光加热系统、强制冷却系统、控制系统和测量系统，其特点在于：

所述的测量系统，包括试件台，在该试件台的正上方为安装台，装有红外测温仪、CCD相机，所述的红外测温仪、CCD相机的输出端经信号线与显示电脑相连，在所述的试件台上放置活塞试件；

所述的激光加热系统包括激光器，位于活塞试件正上方；所述的激光器由控制电脑控制运行；

所述的控制系统包括控制电脑、单片机和激光器自带PLC控制模块；

所述的强制冷却系统包括水冷系统与风冷系统；所述的水冷系统包括水池、水泵、水管、冷却水回路电磁阀、溢流阀、水箱、固定及活动装置构成水冷系统，通过水泵从水池抽水至所述的水箱，所述的水箱经由冷却水回路、冷却水回路电磁阀调节水压，冷却水经水管进入所述的活塞试件内腔，所述的单片机触发冷却水回路电磁阀将冷却水喷至活塞试件的内腔顶面进行冷却；

所述的风冷系统包括空气压缩机、压缩空气管路电磁阀、气管、固定及活动装置构成风冷系统，所述的压缩空气管路电磁阀由单片机控制通断，所述的空气压缩机输出的压缩空气由气管输送到活塞试件的顶面进行冷却。

所述的活塞试件包括安装活塞的假缸体活塞工装，用于对试件施加不同的约束方式，以模拟真实受力情况。

采用上述激光加热活塞热疲劳试验系统对活塞的试验方法，包括下列步骤：

1)加热：根据柴油机启动前缸套水温设定启动时活塞整体温度为T_1,min，根据活塞顶面最高温度设定为加热过程结束温度为T_1,max，由加热过程所施加的激光功率计算得到加热时间t1；

2)保温：根据加热时间t1设置保温时间t2＝t1，以保持活塞温度场稳定状态，在保温过程中，根据加热、冷却系统所能达到的功率叠加一定频率的高周热疲劳，并设定温度波动幅值为T_h，min～T_h，max；

3)冷却：通过风冷系统、水冷系统快速冷却活塞，以模拟活塞从稳态工况至停机的过程，通过调整冷却效果来控制冷却时间t3的大小；

4)返回步骤1)，重复加热-保温-冷却循环过程，总循环周期达到3000次自动停机，循环过程中，实时检测活塞试件表面裂纹情况，检测到长度大于10mm，宽度大于0.3mm裂纹时自动停机，并保存数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、试验系统采用激光加热方式，能准确的控制活塞表面热负荷，可控性高。

2、试验系统采用强制风冷和强制水冷两种冷却方式，能更为准确地模拟活塞加热过程，迅速冷却活塞，从而缩短冷却时间。

3、试验系统包括假缸体活塞工装，采用与实际缸体一致结构材料、材料，假缸体内也留有冷却水通道，确保活塞的热疲劳试验结果更加接近真实工作状况。

附图说明

图1是本发明系统平面示意图。

图中：水池(1-1)；空气压缩机(1-2)；压缩空气管路电磁阀(1-3)；冷却水回路电磁阀(1-4)；单片机(1-5)；红外测温仪(1-6)；激光器(1-7)；CCD相机(1-8)；控制电脑(1-9)；显示电脑(1-10)；安装台(1-11)；试件台(1-12)；溢流阀(1-13)；水箱(1-14)；活塞试件(1-15)。

图2是基于本发明提出的热疲劳试验规范。

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例中的特征可以相互组合。本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

结合图1、图2对本发明活塞热疲劳试验系统说明如下：

本发明整个系统可分为试件安装平台、激光加热系统、强制冷却系统、控制系统和测量系统。

所述的激光加热系统包括：激光器1-7，作为系统的核心设备，提供高可控性、高功率的热源以加热活塞试件1-15，并采用DOE衍射光学元件使其产生目标瞬态温度场，在活塞上再现高低周温度波动；配套冷却水机组，用来冷却激光器；配备五轴框架机器人，用于激光头的定位及移动。

所述的强制冷却系统包括风冷系统和水冷系统，所述的风冷系统主要包括空气压缩机1-2、压缩空气管路电磁阀1-3、气管、固定及活动装置，水冷系统主要包括水池1-1、水泵、水管、冷却水回路电磁阀1-4、溢流阀1-13、水箱1-14、固定及活动装置。

风冷系统采用空气压缩机1-2将空气压缩至一定压力，储存在储气罐中，气路由钢管、软管和三通管组成，钢管气路分为两段，前后段用压缩空气管路电磁阀1-3隔开，通过控制电磁碟阀的开闭完成压缩空气的定时流出，三个三通管将钢管气路分为四个支路，由软管连接至出口管并固定于可滑动、旋转的角板上，出口管间距和角度可调整。当需要空气强制冷却时，打开压缩空气管路电磁阀1-3，在压差作用下，压缩空气快速流向活塞顶面，以模拟燃烧室进气过程中压缩空气对活塞顶的冷却效果。

水冷系统采用离心水泵将水从水池1-1中抽入水箱1-14，通过溢流阀1-13调节水箱1-14的压力，由冷却水回路电磁阀1-4控制出水管，当需要强制水冷时，控制冷却水回路电磁阀1-4开启，水管将高压水输送至活塞的内腔中，冷却水喷至活塞内腔顶面进行冷却。

控制系统中，激光器自带PLC控制模块，由上位机通过PLC控制加热过程，气路、水路由单片机控制，通过控制电脑1-9与单片机1-5的通信实现激光器和冷却系统的协同工作。

测量系统包含红外测温仪1-6、热电偶、CCD相机1-8和流量计等，红外测温仪1-6和热电偶用于测量试件温度，CCD相机1-8用于采集试件表面图像，流量计用于测量水路冷却水流量。

图2所示一个基本的热负荷循环，以船用二冲程柴油机活塞热疲劳试验对活塞热疲劳试验系统的试验方法进行说明：

1)加热过程t1：根据柴油机启动前缸套水温设定，启动时活塞整体温度T_1,min，根据活塞顶面最高温度设定为加热过程结束温度T_1,max，由加热过程所施加的激光功率计算得到加热时间t1；

2)保温过程t2：根据加热时间t1设置保温时间t2＝t1，以保持活塞温度场稳定状态，在保温过程中根据加热、冷却系统所能达到的功率叠加一定频率的高周热疲劳，并设定温度波动幅值T_h，min～T_h，max；

3)冷却过程t3：通过风冷、水冷系统快速冷却活塞，以模拟活塞从稳态工况至停机的过程，可以通过调整冷却效果来控制冷却时间t3的大小；

4)重复加热-保温-冷却循环过程，总循环周期达到3000次自动停机；循环过程中实时检测活塞试件表面裂纹情况，检测到长度大于10mm，宽度方向大于0.3mm裂纹时自动停机，并保存数据。

上述仅为本发明的优选实施例，必须指出的是，所属领域的技术人员凡依本发明内容所作的各种等效修改、变化与修正，都应成为本发明专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种激光加热活塞热疲劳试验系统，包括激光加热系统、强制冷却系统、控制系统和测量系统，其特征在于：

所述的测量系统，包括试件台(1-12)，在该试件台(1-12)的正上方为安装台(1-11)，装有红外测温仪(1-6)、CCD相机(1-8)，所述的红外测温仪(1-6)、CCD相机(1-8)的输出端经信号线与显示电脑(1-10)相连，在所述的试件台(1-12)上放置活塞试件(1-15)；

所述的激光加热系统包括激光器(1-7)，位于活塞试件(1-15)正上方；所述的激光器(1-7)由控制电脑(1-9)控制运行；

所述的控制系统包括控制电脑(1-9)、单片机(1-5)和激光器自带PLC控制模块；

所述的强制冷却系统包括水冷系统与风冷系统；所述的水冷系统包括水池(1-1)、水泵、水管、冷却水回路电磁阀(1-4)、溢流阀(1-13)、水箱(1-14)、固定及活动装置构成水冷系统，通过水泵从水池(1-1)抽水至所述的水箱(1-14)，所述的水箱(1-14)经由冷却水回路、冷却水回路电磁阀(1-4)调节水压，冷却水经水管进入所述的活塞试件(1-15)内腔，有单片机(1-5)触发冷却水回路电磁阀(1-4)将冷却水喷至活塞试件(1-15)的内腔顶面进行冷却；

所述的风冷系统包括空气压缩机(1-2)、压缩空气管路电磁阀(1-3)、气管、固定及活动装置构成风冷系统，所述的压缩空气管路电磁阀(1-3)由单片机(1-5)控制通断，所述的空气压缩机(1-2)输出的压缩空气由气管输送到活塞试件(1-15)的顶面进行冷却。

2.根据强烈要求1所述的激光加热活塞热疲劳试验系统，其特征在于所述的活塞试件(1-15)包括安装活塞的假缸体活塞工装，用于对试件施加不同的约束方式，以模拟真实受力情况。

3.采用权利要求1所述的激光加热活塞热疲劳试验系统对活塞的试验方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)加热：根据柴油机启动前缸套水温设定启动时活塞整体温度为T_1,min，根据活塞顶面最高温度设定为加热过程结束温度为T_1,max，由加热过程所施加的激光功率计算得到加热时间t1；

2)保温：根据加热时间t1设置保温时间t2＝t1，以保持活塞温度场稳定状态，在保温过程中，根据加热、冷却系统所能达到的功率叠加一定频率的高周热疲劳，并设定温度波动幅值为T_h，min～T_h，max；

3)冷却：通过风冷系统、水冷系统快速冷却活塞，以模拟活塞从稳态工况至停机的过程，通过调整冷却效果来控制冷却时间t3的大小；

4)返回步骤1)，重复加热-保温-冷却循环过程，总循环周期达到3000次自动停机，循环过程中，实时检测活塞试件表面裂纹情况，检测到长度大于10mm，宽度大于0.3mm裂纹时自动停机，并保存数据。