CN110736617A - 一种发动机活塞热疲劳试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热疲劳试验技术领域，尤其涉及一种发动机活塞热疲劳试验装置及其方法。本发明所设计的发动机活塞热疲劳试验装置，包括发动机活塞、试验台、冷却系统和加热系统，发动机活塞包括燃烧室喉口、活塞气门坑和活塞燃烧室，加热系统为火焰加热系统，火焰加热系统包括液化气灶和覆盖在液化气灶燃烧口上的火盖，火盖呈圆盘形状，火盖上与燃烧室喉口对应的圆周上均匀布置有第一燃烧孔；火盖上与活塞气门坑底部对应的圆周上开有第二燃烧孔；火盖上与活塞气门坑顶部对应的圆周上开有第三燃烧孔；火盖上与活塞燃烧室底部的圆周上均匀开有第四燃烧孔。本发明的发动机活塞热疲劳试验装置通过设计火盖上燃烧孔的大小数量和疏密，能够准确地模拟活塞的温度场。

Description

一种发动机活塞热疲劳试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及热疲劳试验技术领域，尤其涉及一种发动机活塞热疲劳试验装置及其方法。

背景技术

当前，发动机活塞负荷急剧加大，其热疲劳特性受到广泛关注，考核发动机活塞热疲劳特性的传统方法是发动机热冲击台架试验，热冲击台架试验属于可靠性试验，是对发动机整机性能进行判定，但是热冲击台架试验无法测量发动机单个零件(如发动机活塞)的极限性能。

对于单个零件，如缸盖、活塞、气门挺杆等，目前一般采用加速热疲劳试验，加速热疲劳试验可对比判定发动机受热件的热疲劳性能极限和可靠性，是一种可靠、快速、节能的发动机受热件单品试验方法，加速热疲劳试验是通过模拟受热件的热状态并强化试验条件，在短时间内完成的热疲劳试验，但是目前的加速热疲劳试验的温度场普遍存在温度模拟不准确的缺陷，尤其对于发动机活塞，发动机活塞工作时，整个顶部都处于高温状态，并由于高温交变燃气的作用，各部位的温度并不相同，形成了如图1所示的温度场，其温度梯度使活塞内部产生热应力和热变形，是活塞产生热疲劳失效的主要原因，所以，能否准确的模拟活塞的温度场，是衡量热疲劳试验结果是否准确的关键。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种发动机活塞热疲劳试验装置及其方法，能够准确地模拟活塞的温度场。

为实现上述目的，本发明所设计的发动机活塞热疲劳试验装置，包括发动机活塞、试验台、冷却系统和加热系统，所述发动机活塞包括燃烧室喉口、活塞气门坑和活塞燃烧室，其特征在于，所述加热系统为火焰加热系统，所述火焰加热系统包括液化气灶和覆盖在液化气灶燃烧口上的火盖，所述火盖呈圆盘形状，所述火盖上与燃烧室喉口对应的圆周上均匀布置有9～12个第一燃烧孔，每个第一燃烧孔的直径为4～5mm；所述火盖上与活塞气门坑底部对应的圆周上开有15～18个第二燃烧孔，每个第二燃烧孔的直径为1～2mm，且与活塞气门坑正对的第二燃烧孔的数量占第二燃烧孔总数量的2/3；所述火盖上与活塞气门坑顶部对应的圆周上开有8～10个第三燃烧孔，每个第三燃烧孔的直径为2～3mm，且与活塞气门坑正对的第三燃烧孔的数量占第三燃烧孔总数量的2/3；所述火盖上与活塞燃烧室底部的圆周上均匀开有4～6个第四燃烧孔，每个第四燃烧孔的直径为2～3mm。

作为优选方案，所述发动机活塞的活塞燃烧室中心设有一个测温孔，所述燃烧室喉口分别设有四个测温孔，所述活塞气门坑底部分别设有四个测温孔，所述活塞顶面上设有四个测温孔，每一个测温孔中均对应安装有一个热电偶。

作为优选方案，所述燃烧室喉口设有的四个测温孔分别为第一测温孔、第二测温孔、第三测温孔和第四测温孔，所述第一测温孔、所述第二测温孔、所述第三测温孔和所述第四测温孔均匀分布在发动机活塞的侧壁上，且第一测温孔、所述第二测温孔、所述第三测温孔和所述第四测温孔分别从发动机活塞的侧壁沿水平方向向燃烧室喉口部位延伸，孔径均为1～2mm，且靠近燃烧室喉口的孔端面与燃烧室喉口的距离为3～5mm。

作为优选方案，它还包括摆动装置，所述摆动装置包括气缸、托架和托料板，所述托架的一端与所述气缸的伸缩杆活动连接，所述气缸的固定端与所述试验台铰接，所述托架的中部通过支撑轴与所述试验台转动连接，所述托架的另一端固定有用于搁置发动机活塞的托料板，所述托料板上开有供发动机活塞的顶面伸出的通孔。

作为优选方案，所述托料板设有两块，分别为第一托料板和第二托料板，所述第一托料板和所述第二托料板分别设置在托架的两侧，所述冷却系统包括两台喷水台，两台喷水台分别布置在所述液化气灶的两侧。

作为优选方案，所述试验台上安装有两个积水槽，两台所述喷水台分别安装在两个所述积水槽中。

作为优选方案，它还包括控制系统，所述控制系统包括所述气缸(510)，所述热电偶，单片机，所述单片机的信号输入端与所述热电偶连接，所述单片机的信号输出端与所述气缸连接。

一种发动机活塞热疲劳试验的方法，其特征在于，包括步骤：

a)在发动机活塞上开设测温孔，测温孔的分布具体为，在发动机活塞的活塞燃烧室中心设一个测温孔，在燃烧室喉口上分别设有四个测温孔，在活塞气门坑底部分别设有四个测温孔，在发活塞的顶面上设四个测温孔，每一个测温孔均对应安装有一个热电偶；

b)加热方式采用火焰加热，在液化灶的火盖上开设有燃烧孔，燃烧孔开设的具体方法为，在所述火盖上与燃烧室喉口对应的圆周上均匀布置有9～12个第一燃烧孔，每个第一燃烧孔的直径为4～5mm；在火盖上与活塞气门坑底部对应的圆周上开有15～18个第二燃烧孔，每个第二燃烧孔的直径为1～2mm，且与活塞气门坑正对的第二燃烧孔的数量占第二燃烧孔总数量的2/3；在火盖上与活塞气门坑顶部对应的圆周上开有8～10个第三燃烧孔，每个第三燃烧孔的直径为2～3mm，且与活塞气门坑正对的第三燃烧孔的数量占第三燃烧孔总数量的1/3；在火盖上与活塞燃烧室底部的圆周上均匀开有4～6个第四燃烧孔，每个第四燃烧孔的直径为2～3mm；

c)将发动机活塞的顶部置于液化气灶上加热，将发动机活塞的燃烧室中心与火盖的中心对齐；

d)当发动机活塞喉口的温度达到预设高温后，采用水冷方式对发动机活塞进行冷却直至达到预设低温后，重复进行加热，如此循环，直至发动机活塞出现裂纹，一个加热过程和一个冷却过程为一次热疲劳循环，统计进行的热疲劳循环的次数，以热疲劳循环的次数判断活塞的热疲劳寿命。

作为优选方案，在所述燃烧室喉口上开设测温孔的方法为，沿水平方向从发动机活塞的侧壁向喉口部位打孔，且靠近喉口部位的测温孔端面与喉口的距离为3～5mm，测温孔的孔径为1～2mm。

本发明的优点在于：与现有发动机活塞热疲劳试验装置相比，本发明的发动机活塞热疲劳试验装置通过设计火盖上燃烧孔的大小数量和疏密，能够准确地模拟活塞的温度场，而且通过对整个发动机活塞热疲劳试验装置的进行布局，能够实现两台发动机活塞同时进行疲劳试验。

附图说明

图1为发动机活塞工作时的温度场图；

图2为本发明发动机活塞热疲劳试验装置的结构示意图；

图3为火盖的结构示意图；

图4为发动机活塞的燃烧室喉口上开设测温孔的结构示意图；

图5为发动机活塞测温孔的布置图；

图中各部件标号如下：发动机活塞100、第一发动机活塞100A、第二发动机活塞100B、燃烧室喉口110、第一测温孔f、第二测温孔g、第三测温孔h、第四测温孔i、活塞气门坑120、活塞燃烧室130、试验台200、积水槽210、冷却系统300、喷水台310、火焰加热系统400、液化气灶410、火盖420、第一燃烧孔421、第二燃烧孔422、第三燃烧孔423、第四燃烧孔424、摆动装置500、气缸510、托架520、托料板530、支撑轴540、第一托料板531、第二托料板532、通孔533。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

请参阅图2，本实施例的发动机活塞热疲劳试验装置，包括第一发动机活塞100A和第二发动机活塞100B、试验台200、冷却系统300、火焰加热系统400、摆动装置500。

摆动装置500包括气缸510、托架520和托料架530，托架520的一端底面固定有竖直向下的连接杆，气缸510水平摆放，气缸510的固定端与试验台200铰接，气缸510的伸缩杆的自由伸缩端部开有圆孔，气缸510的伸缩杆通过圆孔套在连接杆上，实现气缸510的伸缩杆与托架520的一端活动连接；托架520的中部固定有支撑轴套，试验台200上固定有支撑轴540，托架520的支撑轴套套在支撑轴540上实现托架520绕支撑轴540旋转；托架520的另一端的两侧分别焊接固定有托料板530，分别为第一托料板531和第二托料板532，第一托料板531上开有供第一发动机活塞100A的顶面伸出的通孔533，第二托料板532上开有供第二发动机活塞100B的顶面伸出的通孔533。

结合图2所示，气缸510设置在试验台200的左侧，试验台200的右侧从上至下设有三个相互独立的控制室，从上至下依次为第一水冷室，加热室，第二水冷室，第一水冷室中安装有一台喷水台310，喷水器的四周安装了挡板，挡板围合形成积水槽210，防止水溢出，第二水冷室中安装有一台喷水台310，喷水器310的四周安装了挡板，挡板围合形成积水槽210，防止水溢出，加热室中安装有液化气灶410。

冷却系统300包括两台喷水台310，输送水管，加压器，冷却水，冷却水加压后经输送水管分别输送到喷水台310，喷水台结构大小均相同，其底面与输送水管连通，其顶面开有若干个孔，冷却水通过孔均匀地喷洒在发动机活塞100上，实现快速降温。

火焰加热系统400包括液化气灶410和火盖420。结合图3所示，火盖420呈圆盘形状，火盖420上开有燃烧孔，火盖420的中心与发动机活塞100的中心对应，火盖420上对应燃烧室喉口110位置的圆周上均匀布置有10个第一燃烧孔421，每个第一燃烧孔421的直径为4mm，火盖420上对应活塞气门坑120底部(不同位置活塞气门坑的深度不同，气门坑深度最大的位置为气门坑的底部)的圆周上布置有18个第二燃烧孔422，每个第二燃烧孔422的直径为2mm，18个第二燃烧孔422不均匀布置，落在气门坑内的第二燃烧孔422的数量为12个，落在活塞气门坑120外的第二燃烧孔的数量为6个，火盖上对应活塞气门坑120顶部(气门坑深度最小的位置为气门坑的顶部)的圆周上布置有9个第三燃烧孔423，每个第三燃烧孔423为3mm，第三燃烧孔423也为不均匀布置，落在活塞气门坑120内的第三燃烧孔423的数量为3个，落在活塞气门坑120外的第三燃烧孔423的数量为6个。火盖420上对应活塞燃烧室130底部的圆周上均匀布置有6个第四燃烧孔424，每个第四燃烧孔424的直径为3mm。由于活塞工作时最高温度在喉口位置，所以这里布置的燃烧孔孔径较大为4mm，且数量较多，圆周均布10个；活塞气门坑位置温度次之，且有不同位置的高度变化，所以燃烧孔采用两圈布置(对应气门坑的底部的一圈和对应气门坑的顶部的一圈)，且不能采用均布，在气门坑位置多一些，两圈燃烧孔的孔径分别为2mm和3mm，燃烧室底部温度最低，所以燃烧孔最少，孔径也小。

另外，结合图5所示，在活塞上布置17个测温点，17个测温点的详细布置为，燃烧室中心设有一个测温点为a，燃烧室底部分别设有四个测温点，分别为b，c，d，e；燃烧室喉口分别设有四个测温点，分别为f，g，h，i；气门坑底部分别设有四个测温点，分别为j，k，l，m；活塞顶部设有四个测温点，分别为n，o，p，q，每一个测温孔中均对应安装有一个热电偶。

结合图4所示，由于燃烧室喉口位置特殊，不容易安装热电偶，本实施例在燃烧室喉口打孔的方式为，燃烧室喉口110设有的四个测温孔分别为第一测温孔f、第二测温孔g、第三测温孔h和第四测温孔i，第一测温孔f、第二测温孔g、第三测温孔h和第四测温孔i均匀分布在发动机活塞100的侧壁上，且第一测温孔f、第二测温孔g、第三测温孔h和第四测温孔i分别从发动机活塞100的侧壁沿水平方向向燃烧室喉口110部位延伸，孔径均为2mm，且靠近燃烧室喉口110的孔端面与燃烧室喉口110的距离为5mm，向四个测温孔中放入热电偶即可，不仅能较准确地测量喉口部位的温度，而且便于安装热电偶。

本实施例的发动机活塞热疲劳试验装置的使用过程为，将第一发动机活塞100A倒放在第一托料板531上，向第一发动机活塞100A中插入销轴用于将第一发动机活塞100A搁置在第一托料板531，第一发动机活塞100A的顶面从通孔533中伸出，第二发动机活塞100B安装在第二托料板532的方式与第一活塞相同，不再赘述，转动托架520，使第一发动机活塞100A的顶面的燃烧室中心与火盖420的中心对应，然后摆动托架520，使第二托料板532与液化气灶410对应，并调整第二发动机活塞100B的位置，使第二发动机活塞100B的顶面的燃烧室中心与火盖420的中心对应；打开液化气灶410，对第一发动机活塞100A进行火焰加热，加热到设定温度后(加热的设定温度根据活塞的温度场和摸底试验共同确定)启动气缸510，气缸510推动托架520转动，使第一发动机活塞100A与下方的喷水台310对应，下方喷水台310对第一发动机活塞100A冷却，直至冷却到预设低温，预设低温同样根据活塞的温度场和摸底试验共同确定，在第一活塞冷却的过程中同时液化气灶410对第二活塞进行加热。如此循环，每一个发动机活塞的加热和冷却为一个热疲劳循环，以出现热疲劳裂纹的次数来判断活塞的热疲劳寿命。

使用本实施例的发动机活塞热疲劳试验装置测得活塞火焰模拟温度和实际活塞工作温度对照结果见下表1

表1

由表1可知，采用本实施例的发动机活塞热疲劳试验装置能够准确地模拟活塞的温度场。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种发动机活塞热疲劳试验装置，包括发动机活塞(100)、试验台(200)、冷却系统(300)和加热系统，所述发动机活塞(100)包括燃烧室喉口(110)、活塞气门坑(120)和活塞燃烧室(130)，其特征在于，所述加热系统为火焰加热系统(400)，所述火焰加热系统(400)包括液化气灶(410)和覆盖在液化气灶(410)燃烧口上的火盖(420)，所述火盖(420)呈圆盘形状，所述火盖(420)上与燃烧室喉口(110)对应的圆周上均匀布置有9～12个第一燃烧孔(421)，每个第一燃烧孔(421)的直径为4～5mm；所述火盖(420)上与活塞气门坑(120)底部对应的圆周上开有15～18个第二燃烧孔(422)，每个第二燃烧孔(422)的直径为1～2mm，且与活塞气门坑(120)正对的第二燃烧孔(422)的数量占第二燃烧孔(422)总数量的2/3；所述火盖(420)上与活塞气门坑(120)顶部对应的圆周上开有8～10个第三燃烧孔(423)，每个第三燃烧孔(423)的直径为2～3mm，且与活塞气门坑(120)正对的第三燃烧孔(423)的数量占第三燃烧孔(423)总数量的1/3；所述火盖(420)上与活塞燃烧室(130)底部的圆周上均匀开有4～6个第四燃烧孔(424)，每个第四燃烧孔(424)的直径为2～3mm。

2.根据权利要求1所述的发动机活塞热疲劳试验装置，其特征在于，所述发动机活塞(100)的活塞燃烧室(130)中心设有一个测温孔，所述燃烧室喉口(110)分别设有四个测温孔，所述活塞气门坑(120)底部分别设有四个测温孔，所述活塞顶面上设有四个测温孔，每一个测温孔中均对应安装有一个热电偶。

3.根据权利要求2所述的发动机活塞热疲劳试验装置，其特征在于，所述燃烧室喉口(110)设有的四个测温孔分别为第一测温孔(f)、第二测温孔(g)、第三测温孔(h)和第四测温孔(i)，所述第一测温孔(f)、所述第二测温孔(g)、所述第三测温孔(h)和所述第四测温孔(i)均匀分布在发动机活塞(100)的侧壁上，且第一测温孔(f)、所述第二测温孔(g)、所述第三测温孔(h)和所述第四测温孔(i)分别从发动机活塞(100)的侧壁沿水平方向向燃烧室喉口(110)部位延伸，孔径均为1～2mm，且靠近燃烧室喉口(110)的孔端面与燃烧室喉口(110)的距离为3～5mm。

4.根据权利要求1所述的发动机活塞热疲劳试验装置，其特征在于，它还包括摆动装置(500)，所述摆动装置(500)包括气缸(510)、托架(520)和托料板(530)，所述托架(520)的一端与所述气缸(510)的伸缩杆活动连接，所述气缸(510)的固定端与所述试验台(200)铰接，所述托架(520)的中部通过支撑轴(521)与所述试验台(200)转动连接，所述托架(520)的另一端固定有用于搁置发动机活塞(100)的托料板(530)，所述托料板(530)上开有供发动机活塞(100)的顶面伸出的通孔。

5.根据权利要求4所述的发动机活塞热疲劳试验装置，其特征在于，所述托料板(530)设有两块，分别为第一托料板(531)和第二托料板(532)，所述第一托料板(531)和所述第二托料板(532)分别设置在托架(520)的两侧，所述冷却系统(300)包括两台喷水台(310)，两台喷水台(310)分别布置在所述液化气灶(410)的两侧。

6.根据权利要求5所述的发动机活塞热疲劳试验装置，其特征在于，所述试验台(200)上安装有两个积水槽(210)，两台所述喷水台(310)分别安装在两个所述积水槽(210)中。

7.根据权利要求2所述的发动机活塞热疲劳试验装置，其特征在于，它还包括控制系统，所述控制系统包括所述气缸(510)，所述热电偶，单片机，所述单片机的信号输入端与所述热电偶连接，所述单片机的信号输出端与所述气缸(510)连接。

8.一种发动机活塞热疲劳试验的方法，其特征在于，包括步骤：

a)在发动机活塞(100)上开设测温孔，测温孔的分布具体为，在发动机活塞(100)的活塞燃烧室(130)中心设一个测温孔，在燃烧室喉口(110)上分别设有四个测温孔，在活塞气门坑(120)底部分别设有四个测温孔，在发活塞的顶面上设四个测温孔，每一个测温孔均对应安装有一个热电偶；

b)加热方式采用火焰加热，在液化灶的火盖(420)上开设有燃烧孔，燃烧孔开设的具体方法为，在所述火盖(420)上与燃烧室喉口(110)对应的圆周上均匀布置有9～12个第一燃烧孔(421)，每个第一燃烧孔(421)的直径为4～5mm；在火盖(420)上与活塞气门坑(120)底部对应的圆周上开有15～18个第二燃烧孔(422)，每个第二燃烧孔(422)的直径为1～2mm，且与活塞气门坑(120)正对的第二燃烧孔(422)的数量占第二燃烧孔(422)总数量的2/3；在火盖(420)上与活塞气门坑(120)顶部对应的圆周上开有8～10个第三燃烧孔(423)，每个第三燃烧孔(423)的直径为2～3mm，且与活塞气门坑(120)正对的第三燃烧孔(423)的数量占第三燃烧孔(423)总数量的2/3；在火盖(420)上与活塞燃烧室(130)底部的圆周上均匀开有4～6个第四燃烧孔(424)，每个第四燃烧孔(424)的直径为2～3mm；

c)将发动机活塞(100)的顶部置于液化气灶上加热，将发动机活塞(100)的燃烧室中心与火盖(420)的中心对齐；

d)当发动机活塞(100)喉口的温度达到预设高温后，采用水冷方式对发动机活塞(100)进行冷却直至达到预设低温后，重复进行加热，如此循环，直至发动机活塞(100)出现裂纹，一个加热过程和一个冷却过程为一次热疲劳循环，统计进行的热疲劳循环的次数，以热疲劳循环的次数判断活塞的热疲劳寿命。

9.根据权利要求8所述的发动机活塞热疲劳试验的方法，其特征在于，在所述燃烧室喉口(110)上开设测温孔的方法为，沿水平方向从发动机活塞(100)的侧壁向喉口部位打孔，且靠近喉口部位的测温孔端面与喉口的距离为4～6mm，测温孔的孔径为1～2mm。

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