CN109612701B - 活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，包括试验机座、活塞支座、调整缸套、试验缸体、载荷放大器和低压腔体，所述低压腔体的内孔与低压触动头的顶面之间形成低压输入腔A，所述高压触动头的底面、试验活塞的顶面、调整缸套构成高爆压作用腔B，所述试验机座、调整缸套、试验活塞的底部形成惯性力作用腔C，所述低压输入腔A、高爆压作用腔B和惯性力作用腔C分别通过各自的油道连接电液伺服系统。本发明采用三通道输入三油腔控制的试验方法，三个压力腔分别由电液伺服系统三路通道进行油量补充、载荷施加或压力监控。实现了设备低压力输出，试件头部高载荷施加，试件底部裙部异步承载的工作目标。

Description

活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置

技术领域

本发明属于活塞试验装置技术领域，尤其是涉及一种活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置。

背景技术

活塞作为发动机燃烧室的组成零件，工作中承受着高温、高压的周期性作用，其结构强度及疲劳可靠性至关重要。特别是活塞顶部及活塞销孔承载部位由于超载、超速非正常工作状况以及发动机强化后爆压与转速提升导致活塞承受负荷加大，活塞环岸、凹坑、活塞销孔口等位置出现开裂故障。另外，在新产品的开发阶段及时发现活塞结构疲劳强度的薄弱环节，验证方案的可行性，往往会在计算仿真的基础上进行部件疲劳试验加以验证。

活塞部件疲劳试验考核有两个途径，一是整机搭载疲劳试验，一种机械部件疲劳试验。前者试验过程繁琐、费用高、风险大、效率低。但是，活塞工作环境真实，载荷综合作用明显，可信度高等。后者试验采用专用的试验装置使活塞部件放置于模拟的曲轴箱缸套环境当中，利用压力油模拟燃气压力与惯性力分别作用于活塞顶部与底部裙部。优点是试验过程简单，装配方便，成本低，试验样本数量、方案等变化灵活，载荷控制方便，工况模拟范围大等。不足之处是试验频率低，缺失热力影响，载荷作用单一。另外，活塞疲劳试验装置与电液伺服系统简单连接，模拟压力受设备能力影响大，制约高爆压下高安全系数试验压力的施加，高承载活塞疲劳强度的验证与考核能力不足。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，以提高试验装置的高承载活塞疲劳强度的验证与考核能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，包括试验机座、活塞支座、调整缸套、试验缸体、载荷放大器和低压腔体，所述试验缸体的底部固定连接试验机座，顶部固定连接低压腔体，所述调整缸套为圆筒状结构，其外圆与试验缸体内圆间隙配合；所述试验机座的上表面与活塞支座固定连接，所述活塞支座上部通过活塞销与试验活塞连接，所述活塞支座与试验活塞组合后成偏心结构；所述载荷放大器包括上下设置且固定连接在一起的低压触动头和高压触动头，所述低压腔体的内孔与低压触动头密封配合，所述高压触动头与所述调整缸套的内孔密封配合；所述低压腔体的内孔与低压触动头的顶面之间形成低压输入腔A，所述高压触动头的底面、试验活塞的顶面、调整缸套构成高爆压作用腔B，所述试验机座、调整缸套、试验活塞的底部形成惯性力作用腔C，所述低压输入腔A、高爆压作用腔B和惯性力作用腔C分别通过各自的油道连接各自的电液伺服系统。

进一步的，所述低压腔体上设有连通低压输入腔A的液压油输入孔E2和压力监测通道M2；所述低压腔体的顶部固定连接液压接头，液压接头依次通过过渡油管、载荷放大器内的高压油道连通高爆压作用腔B，液压接头上设有进油通道E1和压力监测通道M1；所述试验机座上设有连通惯性力作用腔C的进油通孔E3和压力监测通孔M3。

进一步的，所述低压触动头和高压触动头的相应位置开设一道与高爆压作用腔B连通的高压油道，其两侧低压触动头和高压触动头之间均设置密封圈；所述低压触动头顶部的高压油道位置设置过渡沉孔，过渡沉孔与过渡油管密封连接，过渡油管与液压接头相连；所述过渡油管为两端外径开设密封槽，内径为通孔的承压油管，与载荷放大器、低压腔体为插孔式配合；液压接头侧壁开设横向通孔，形成压力监测通道M1。

进一步的，所述活塞支座呈梯形结构，其上部开设活塞座孔、定位止口、连接螺栓孔，通过活塞销与试验活塞形成铰链连接结构。

进一步的，所述调整缸套为薄壁筒状结构，其底部设有承压的凸沿，凸沿上设有拆卸螺孔，调整缸套底部设有与凸沿配合的沉孔，拆卸螺孔与试验缸体的缸孔相匹配，利用拆卸螺孔拆装；调整缸套的上端面对低压触动头进行限位。

进一步的，所述试验缸体为法兰式结构，通过上部的法兰结合高强度螺栓连接低压腔体，通过底部法兰结合高强度螺栓连接试验机座。

进一步的，所述低压触动头和高压触动头的周向分别开设两道密封槽，配合密封圈实现高爆压作用腔B、低压输入腔A的油压密封。

进一步的，所述低压触动头顶部开设蓄油槽。

进一步的，所述试验机座与活塞支座采用圆柱销定位，螺栓固定连接；试验机座上表面的止口与调整缸套的内径间隙配合，端面接触；试验机座上分别设置径向和端面两道密封结构，利用氟橡胶密封圈密封。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明采用三通道输入三油腔控制的试验方法，三个压力腔分别由电液伺服系统三路通道进行油量补充、载荷施加或压力监控。利用液体压力放大器将低压油有效转换为燃烧室所需高压试验油，形成高压载荷从而作用于活塞试件。实现了设备低压力输出，试件头部高载荷施加，试件底部裙部异步承载的工作目标。其设备工作强度低、试验频率高、消耗费用低；试验载荷高、试验能力强、试验研究范围广。

(2)活塞疲劳试验装置采用三通道输入三油腔控制的试验方法，形成低压载荷施加，高压载荷输出，独立监控，协调作用，有效降低了伺服系统工作强度，提高了试验频率高，降低了试验周期，减少了能源消耗与试验成本，延长了设备使用寿命。

(3)载荷放大器为高、低压触动头组合设计，可以与调整缸套一起根据试验活塞规格不同进行尺寸调整而保持整个装置整体组成不变，提高了活塞试验装置的重复利用率，保证了其通用性，有效降低的了前期经济投入。

(4)该装置载荷放大倍数可因需调整，高爆压载荷施加便利，辅助以180度相位差的惯性力，分别作用于活塞头部与底部裙部，双向高载荷液力作用，活塞整体受力合理，活塞受力模拟相似度高。试验载荷余度大、试验能力强、能够满足高强度活塞疲劳强度等极限性试验方案研究。

(5)载荷放大器、活塞支座、过渡油管等构件设置多级橡胶圈密封措施，有效保证载荷放大器低压腔体、高压腔体、底部裙部腔体的可靠密封。缸内爆发压力与活塞底部惯性力得到有效建立，保证了试验过程的稳定与压力变化。

(6)调整缸套限位结构设计，使放大器触动头上下微动灵活、限位准确，可以有效保证试验活塞的试验安全，而不发生撞击损伤。

(7)本发明整个装置结构紧凑，占用空间小；压力转化调整灵活，试验载荷比精确；高强度螺栓组合，结构调整方便。

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活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置的正面剖视图；

图2为本发明实施例所述活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置的侧面剖视图；

图3为本发明实施例所述活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置水平剖面图。

附图标记说明：

试验机座1、活塞支座2、调整缸套3、试验缸体4、载荷放大器5、低压腔体6、过渡油管7、液压接头8、高强度螺栓9、试验活塞10。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，如图1至3所示，包括试验机座1、活塞支座2、调整缸套3、试验缸体4、载荷放大器5和低压腔体6，

所述试验缸体4的底部固定连接试验机座1，顶部固定连接低压腔体6，所述调整缸套3为圆筒状结构，其外圆与试验缸体4内圆间隙配合，内部构成整个空腔；

所述试验机座1的上表面与活塞支座2固定连接，所述活塞支座2上部通过活塞销与试验活塞10形成铰链连接结构，所述活塞支座2与试验活塞10组合后成偏心结构；

所述载荷放大器5包括上下设置且固定连接在一起的低压触动头和高压触动头，所述低压腔体6的内孔与低压触动头密封配合，所述高压触动头与所述调整缸套3的内孔密封配合，调整缸套3的上端面对低压触动头进行限位；

所述低压腔体6的内孔与低压触动头的顶面之间形成低压输入腔A，低压腔体6上设有连通低压输入腔A的液压油输入孔E2；

所述高压触动头的底面、试验活塞10的顶面、调整缸套3构成高爆压作用腔B，所述低压腔体6的顶部固定连接液压接头8，液压接头8依次通过过渡油管7、载荷放大器5内的液压油通道连通高爆压作用腔B，液压接头8上设有进油通道E1和压力监测通道M1。

所述试验机座1、调整缸套3、试验活塞10的底部形成惯性力作用腔C，所述试验机座1上设有进油通孔E3和压力监测通孔M3，进油通孔E3通过通道连通惯性力作用腔C。

所述低压输入腔A、高爆压作用腔B和惯性力作用腔C三个压力腔体各自连接电液伺服系统的独立通道，载荷施加与监测由专门的通道与压力监测孔内安装的传感器完成。

所述试验机座1是活塞部件疲劳试验基础结构，其具有支撑其他构件、构建惯性力作用腔C，以及液压油供给和压力监控等功能。试验机座1直接连接的构件包括活塞支座2、调整缸套3、试验缸体4等结构。试验机座1与活塞支座2采用圆柱销定位，螺栓连接。试验机座1与调整缸套3内径小间隙配合，止口定位，端面接触。试验机座1分别设置径向和端面两道密封结构，利用氟橡胶密封圈密封。试验机座1与试验缸体4高强度螺栓连接，有效将试验机座1、调整缸套3、试验缸体4组合一体，并保证了密封部位的持续受力且密封安全。调整缸套3和试验缸体4间隙配合，提高缸孔刚度的前提下便于更换，有利于试验件的调整。试验机座1开设进油通孔E3和压力监测通孔M3。两通道向内都通向惯性力作用腔C。

所述活塞支座2通过活塞销与试验活塞10形成铰链连接结构真实模拟活塞安装状态。整体呈梯形结构，开设活塞座孔、定位止口以及连接螺栓孔。另外，活塞支座2与试验活塞10组合后成偏心结构，保证试验活塞受力处于偏离上止点位置，而与实际状态相符。

所述调整缸套3为薄壁筒状零件；其底部设计有承压的凸沿，凸沿上设有拆卸螺孔；内孔两侧设计导向倒角，便于密封结构装配。调整缸套3整体高度凸出试验缸体4，其上端面起到载荷放大器5限位的作用；调整缸套3壁厚可以根据试验活塞10的直径大小进行更换，从而适应各种规格活塞试验要求。调整缸套3外圆与试验缸体4缸孔相匹配，利用拆卸螺孔拆装。

所述试验缸体4为法兰式结构，其作用是支撑调整缸套3，连接试验机座1和低压腔体6，形成完整的外部承压结构。试验缸体4两端凸沿上沿圆周方向分别均布设置螺纹孔和光孔，利用高强度螺栓9紧固，保证试验装置的局部连接，便于试验装置的灵活调整。试验缸体4内孔底部设置沉孔与调整缸套3的凸沿贴合，在高强度螺栓9的紧固下，使试验机座1、调整缸套3和试验缸体4可靠连接与惯性力作用腔C下部密封结构得到有效密封。

所述载荷放大器5包括上下设置的低压触动头和高压触动头，利用止口定位，螺栓连接组合而成。高、低压触动头分别开设两道密封槽，配合相应的密封圈达到高爆压作用腔B、低压输入腔A的油压密封。高压触动头开设一道高压油道、两个螺栓通孔及螺栓头沉孔。低压触动头相应开设高压油道和螺纹孔与其相配套，并设置密封圈防止高压腔液压泄漏。低压触动头顶部，高压油道位置设置过渡沉孔，与过渡油管7相配合。另外，低压触动头顶部开设蓄油槽，保证低压输入腔A具有最小的空间。高、低触动头的面积比就是载荷放大器的放大比。通过改变触动头的直径，更换触动头，达到载荷放大一定比例的目的。从而也便于适应不同规格活塞的疲劳试验。载荷放大器5、试验活塞10和调整缸套3组合形成高爆压作用腔B。

所述低压腔体6内孔与载荷放大器5的低压触动头配合，并通过高强度螺栓9和试验缸体4连接形成低压输入腔A。活塞疲劳试验时高爆压作用腔B所产生的高强度交变载荷则由低压输入腔A内的压力变化所触发。低压腔体6顶部开设进油孔E2和压力监测孔M2。另外，低压腔体6设置压力油过渡孔与过渡油管7密封连接。过渡孔外侧与液压接头8相连，就此，高爆压作用腔B通过载荷放大器5、过渡油管7、低压腔体6与液压接头8等构件形成与低压输入腔A相隔离的液压通道。

所述过渡油管7为两端外径开设密封槽，内径为通孔的承压油管。工作中其与载荷放大器5、低压腔体6为插孔式配合。液压接头8为内部通孔六方结构，一侧连接伺服系统进油管，另一侧固定于低压腔体6顶部。液压接头8侧壁开设横向通孔。其结构形成低压输入腔A的进油通道E1和压力监测通道M1。

活塞疲劳试验装置的密封主要采用橡胶密封圈密封，主要设置在试验机座1与调整缸套3、调整缸套3与载荷放大器5、载荷放大器5与低压腔体6、过渡油管7与载荷放大器5及低压腔体6等构件之间。密封形式为径向密封或端面密封，其中在关键位置都设置了双重密封结构。模拟燃烧室的高爆压作用腔B密封主要以试验活塞10上的多道特制专用密封圈来完成。进油孔、压力监测孔密封依靠铜垫来实现。

本发明活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置的工作原理如下：

本发明整个试验装置分为低压输入腔A、高爆压作用腔B和惯性力作用腔C三个压力腔体，对该三个压力腔分别设置液压油输入孔E2、E1、E3和压力监测孔M2、M1、M3。

低压输入腔A的交变液体压力通过载荷放大器5使高爆压作用腔B产生高压液体交变压力作用于试验活塞10的顶部，从而模拟活塞在高爆压状态下的受力状况。而惯性力作用腔C则通过单独的液压通道以与高爆压作用腔B相位差180度的方式施加载荷于试验活塞10的底部裙部。在这种情况下，试验活塞10的顶部、底部裙部在高载交变液压的周期作用下达到部件疲劳考核的目的。

试验活塞10在工作当中主要承受爆发压力和惯性力作用，为此活塞在进行部件疲劳试验时在其顶部营造液压油模拟燃气压力的高压油腔，在其下部建立惯性力作用的低压油腔。高爆压作用腔B由载荷放大器5和试验活塞10及调整缸套3组成。高爆压作用腔B压力油由电液伺服系统单独通道供给，其先后通过液压接头8，过渡油管7，载荷放大器5进入作用腔B。而高爆压作用腔B的交变高液压载荷则由低压输入腔A的交变载荷通过载荷放大器5施加。高爆压作用腔B的压力由液压接头8开设的测试孔由传感器监控。

低压输入腔A和惯性力作用腔C各自连接电液伺服系统的独立通道，载荷施加与监测由专门的通道与传感器完成。

低压输入腔A、高爆压作用腔B与惯性力作用腔C的压力-时间变化均呈正弦波形式，低压输入腔A与高爆压作用腔B压力相位一致，而与惯性力作用腔C压力作用相位差为180度。电液伺服系统产生脉动载荷不断触动高、低压油腔压力变化，使试验活塞10承受周期性交变载荷作用，进而实现对活塞疲劳试验可靠性考核。

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 (8)

1.活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：包括试验机座、活塞支座、调整缸套、试验缸体、载荷放大器和低压腔体，

所述试验缸体的底部固定连接试验机座，顶部固定连接低压腔体，所述调整缸套为圆筒状结构，其外圆与试验缸体内圆间隙配合；

所述试验机座的上表面与活塞支座固定连接，所述活塞支座上部通过活塞销与试验活塞连接，所述活塞支座与试验活塞组合后成偏心结构；

所述载荷放大器包括上下设置且固定连接在一起的低压触动头和高压触动头，所述低压腔体的内孔与低压触动头密封配合，所述高压触动头与所述调整缸套的内孔密封配合；

所述低压腔体的内孔与低压触动头的顶面之间形成低压输入腔A，所述高压触动头的底面、试验活塞的顶面、调整缸套构成高爆压作用腔B，所述试验机座、调整缸套、试验活塞的底部形成惯性力作用腔C，所述低压输入腔A、高爆压作用腔B和惯性力作用腔C分别通过各自的油道连接电液伺服系统；

所述低压腔体上设有连通低压输入腔A的液压油输入孔E2和压力监测通道M2；所述低压腔体的顶部固定连接液压接头，液压接头依次通过过渡油管、载荷放大器内的高压油道连通高爆压作用腔B，液压接头上设有进油通道E1和压力监测通道M1；所述试验机座上设有连通惯性力作用腔C的进油通孔E3和压力监测通孔M3。

2.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述低压触动头和高压触动头的相应位置开设一道与高爆压作用腔B连通的高压油道，其两侧低压触动头和高压触动头之间均设置密封圈；所述低压触动头顶部的高压油道位置设置过渡沉孔，过渡沉孔与过渡油管密封连接，过渡油管与液压接头相连；所述过渡油管为两端外径开设密封槽，内径为通孔的承压油管，与载荷放大器、低压腔体为插孔式配合；液压接头侧壁开设横向通孔，形成压力监测通道M1。

3.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述活塞支座呈梯形结构，其上部开设活塞座孔、定位止口、连接螺栓孔，通过活塞销与试验活塞形成铰链连接结构。

4.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述调整缸套为薄壁筒状结构，其底部设有承压的凸沿，凸沿上设有拆卸螺孔，调整缸套底部设有与凸沿配合的沉孔，拆卸螺孔与试验缸体的缸孔相匹配，利用拆卸螺孔拆装；调整缸套的上端面对低压触动头进行限位。

5.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述试验缸体为法兰式结构，通过上部的法兰结合高强度螺栓连接低压腔体，通过底部法兰结合高强度螺栓连接试验机座。

6.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述低压触动头和高压触动头的周向分别开设两道密封槽，配合密封圈实现高爆压作用腔B、低压输入腔A的油压密封。

7.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述低压触动头顶部开设蓄油槽。

8.根据权利要求1所述的活塞部件疲劳试验高爆压模拟装置，其特征在于：所述试验机座与活塞支座采用圆柱销定位，螺栓固定连接；试验机座上表面的止口与调整缸套的内径间隙配合，端面接触；试验机座上分别设置径向和端面两道密封结构，利用氟橡胶密封圈密封。

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