CN111175039B - 一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置及测试方法，包括被测试的气门组件、测试装置；所述测试装置具有冷却模块、燃料供给模块、液压加载系统；该疲劳测试装置用于发动机气门和气门座圈的疲劳特性测试，其可以模拟发动机燃烧室内气门、气门座圈高温、高压、冲击的工作环境，并对燃烧的尾气进行收集处理；具有液压加载装置，利用并联的多个独立的液压控制流路，可以同时对多组气门、气门座圈施加不同的载荷，并对载荷大小进行有效的控制，同时完成多组气门、气门座圈磨损疲劳的试验，试验效率高，试验结果可信度高。

Description

一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及疲劳测试领域，具体为一种机械设备在高温高压及循环应力作用下的疲劳测试装置及测试方法。

背景技术

气门、气门座圈作为汽油机、柴油机配气机构的执行元件，是保证柴油机动力性能、经济性能、可靠性和耐久性的重要零件。发动机气门、气门座圈是发动机中工作条件最恶劣的摩擦副之一，当发动机运转时, 摩擦副的工作表面同时受到高温、腐蚀及冲击载荷作用。

目前工程发动机正在朝着大功率、低能耗、长寿命的方向发展。发动机的发展势必对作为发动机关键部件的气门、气门座圈提出新的要求。发动机气门和气门座圈的疲劳特性测试，可在较短的试验周期内对气门、气门座圈进行匹配性选材试验，并根据实验结果，研究气门、气门座圈磨损疲劳和失效的机理，并有利于对气门、气门座圈材料的开发和结构设计提供技术指导，延长使用寿命。而现有的气门和气门座圈的疲劳特性测试装置具有以下技术问题：

1、实验的效率低，不能够同时对多组气门、气门座圈施加不同的载荷，不能，同时完成多组气门、气门座圈磨损疲劳的试验，不能对多组气门、气门座圈的载荷大小进行有效的控制。

2、对于发动机燃烧室内气门、气门座圈高温、高压、冲击的工作环境，其环境的模拟缺乏控制装备，模拟的工作环境与内燃机实际工况差别较大，测试获得的结果可信度不足。。

发明内容

、本发明的目的

为了解决上述技术问题本发明提出一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置及测试方法，其用于发动机气门和气门座圈的疲劳特性测试，其可以模拟发动机燃烧室内气门、气门座圈高温、高压、冲击的工作环境，可以同时对多组气门、气门座圈施加不同的载荷并对载荷大小进行有效的控制，同时完成多组气门、气门座圈磨损疲劳的试验，试验效率高，试验结果可信度高。

、本发明所采用的技术方案

本发明公开了一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，包括被测试的气门组件、测试装置；

被测试的气门组件包括驱动气门上下运动的电动齿轮马达、n个带有燃烧室的结构体；n组气门、气门座圈分别置于n个的燃烧室的顶端；一发动机排气罩系统设置于n个带有燃烧室的结构体上方；

所述测试装置具有冷却模块、燃料供给模块、液压加载系统；

所述的冷却模块的冷却顶板位于n个带有燃烧室的结构体顶部，冷却塔（6）将冷却流体输送到燃烧室的结构体顶部为其冷却；

所述的燃料供给模块包括混合装置、空气输送装置、LPG输送装置；空气输送装置、LPG输送装置分别连接混合装置输送气体至其内混合，将混合介质经分配装置分别供应到n个燃烧室充分燃烧模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况；

所述测试装置具有液压加载系统，所述液压加载系统利用与n个燃烧室对应燃料的加载液压缸分别向n个气门底部施加向上的载荷，并且n个加载液压缸的活塞杆分别设置有载荷测试元件；所述液压加载系统具有液压泵（2），液压泵（2）分别向并联的n个控制流路提供压力油，并联的n个控制流路分别独立控制n个加载液压缸的载荷输出；并联的n个控制流路中，各控制流路的油液依次经过单向阀、压力调节阀、三位四通电磁换向阀进入n个加载液压缸的无杆腔；其中各控制流路中的单向阀、压力调节阀之间均设置有蓄能器，各控制流路中的压力调节阀、三位四通电磁换向阀之间均设置有溢流阀。

更进一步，所述的燃料供给模块包括混合装置、空气压力调节器、空气流量控制器、LPG压力调节装置、LPG流量调节装置、LPG存储缸、空气压缩机；LPG存储缸依次连接LPG压力调节装置、LPG流量调节装置后将LPG输入到混合装置；空气压缩机依次连接空气压力调节器、空气流量控制器后将压缩空气输入到混合装置；混合装置将LPG和空气充分混合后，将混合介质经分配装置分别供应到各燃烧室充分燃烧模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况。

更进一步，冷却模块，所述冷却模块具有冷却塔、冷却泵装置和冷却顶板，所述冷却顶板固定连接在带有燃烧室的结构体上，冷却塔向冷却泵装置提供冷却流体，冷却泵装置将冷却流体输送到冷却顶板。

更进一步，各燃烧室内还连接温度、压力数据采集装置传送各燃烧室内的温度和压力数据；液压加载系统的每个加载液压缸的无杆腔均设置有压力传感器，将监测的压力数据传输到工控机。

更进一步，液压加载系统的液压泵通过连轴器连接驱动电机。

更进一步，液压加载系统在与液压泵连接的总流路上连接有总流路单向阀和总流路溢流阀。

更进一步，具有n个气门支架预载弹簧，分别向n个气门施加预紧力，使n个气门在未进入试验状态时，气门与气门座圈紧靠在一起。

更进一步，液压加载系统的每个压力调节阀（32-1、32-2、32-3、32-4）分别连接到工控机。

本发明公开了一种测试方法，

所述燃料供给模块的LPG存储缸中的LPG气体通过LPG压力调节装置、LPG流量调节装置将LPG供应到混合装置；空气压缩机将压缩空气经空气压力调节器、空气流量控制器供应到混合装置；混合装置将LPG和空气充分混合后，将混合介质经分配装置分别供应到n个燃烧室；

试验时LPG和空气的混合介质在所述n个燃烧室内充分燃烧，模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况；并将n个燃烧室内的温度和压力数据实时传送给温度、压力数据采集装置；

所述液压加载系统利用n个加载液压缸（16-1、16-2、16-3、16-4）分别向n组气门底部施加向上的载荷；所述液压泵分别向并联的n个控制流路提供压力油，并联的n个电动齿轮马达分别单独控制一个气门，实现各个气门以相同或不同的频率上下运动，模拟气门的上下冲击运动；n个控制流路分别独立控制个n加载液压缸的载荷输出；并联的n个控制流路中，各控制流路的油液依次经过单向阀、压力调节阀、三位四通电磁换向阀进入n个加载液压缸的无杆腔；其中各控制流路中的单向阀、压力调节阀之间均设置有蓄能器，各控制流路中的压力调节阀、三位四通电磁换向阀之间设置有溢流阀；液压泵通过连轴器连接驱动电机；液压泵连接的总流路上连接有总流路单向阀和总流路溢流阀；每个加载液压缸的无杆腔均设置有压力传感器，将监测的压力数据传输到工控机；每个压力调节阀分别连接到工控机；工控机接受每个加载液压缸的压力传感器的压力信息，工控机根据所述压力信息，向各个压力调节阀发出指令信号，实时调整各个加载液压缸的输出载荷达到预设值。

更进一步，所述冷却塔向冷却泵装置提供冷却流体，冷却泵装置将冷却流体输送到固定连接在带有燃烧室的结构体上的冷却顶板。

3、本发明所采用的有益效果

（1）、设计了液压系统对气门进行加载，加载可以使气门、气门座圈更快的进入疲劳或失效状态，提高试验效率；液压系统对每个液压缸具有独立的、并联控制流路，可以根据试验需要同时对多组气门、气门座圈施加相同或者不同的载荷，实现同时对多组气门、气门座圈的疲劳状况，以及影响疲劳磨损的多方面因素，进行测试，提高了试验的效率，试验的准确性好，可信度高。

（2）、利用本申请的液压系统利用流体的静压力施加载荷，载荷的稳定性强，不易受到干扰，并且易于对载荷的大小可是实时进行精确的控制。

（3）、发动机燃烧室内气门、气门座圈高温、高压、冲击的工作环境，提高高温对阀座的疲劳状况的影响的测试；设计了发动机排气罩系统对试验燃烧产生的废气收集处理。

附图说明

图1是本申请的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置的结构图。

图2是本申请的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置加载液压系统图。

附图标记说明：1、液压系统工控机；2、液压泵；3、液压控制面板；4、油压蓄能器；5、液压缸的控制阀组；6、冷却塔；7、冷却泵装置；8、温度、压力数据采集装置；9、发动机罩排气罩系统；10、电动齿轮马达；11、气门支架预载弹簧；12、冷却顶板；13、支承阀座的中间板；14、带有燃烧室的结构体；15、执行机构的载荷测试元件；16、油缸；17、分配装置；18、活塞杆；19、支架试验台；20、混合装置；21、空气压力调节器；22、空气流量控制器；23、LPG压力调节装置；24、LPG流量调节装置；25、LPG存储缸；26、空气压缩机；27驱动电机；28连轴器；29、总流路单向阀；30、总流路溢流阀；31、单向阀；32、压力调节阀；33、溢流阀；34、三位四通电磁换向阀。

具体实施方式

下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。

实施例1

结合一个实施例多本发明一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置进行完整清楚的描述。该疲劳测试装置用于发动机气门和气门座圈的疲劳特性测试，其可以模拟发动机燃烧室内气门、气门座圈高温、高压、冲击的工作环境，可以同时对多组气门、气门座圈施加不同的载荷并对载荷大小进行有效的控制，同时完成多组气门、气门座圈磨损疲劳的试验，试验效率高，试验结果可信度高。

该发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，具有被测试的气门组件，所述气门组件具有四组气门和气门座圈；还具有驱动四个气门上下运动的电动齿轮马达10；还具有带有燃烧室的结构体14，四组气门、气门座圈分别置于四个燃烧室的顶端；发动机排气罩系统9设置于带有燃烧室的结构体14上方。

所述测试装置具有冷却模块，所述冷却模块具有冷却塔6、冷却泵装置7和冷却顶板12，所述冷却顶板12固定连接在带有燃烧室的结构体14上，冷却塔6向冷却泵装置7提供冷却流体，冷却泵装置7将冷却流体输送到冷却顶板12。

所述测试装置具有燃料供给模块，所述燃料供给模块具有空气压缩机26和LPG存储缸25，LPG存储缸25通过LPG压力调节装置23、LPG流量调节装置24将LPG供应到混合装置20；空气压缩机26将压缩空气经空气压力调节器21、空气流量控制器22供应到混合装置20；混合装置20将LPG和空气充分混合后，将混合介质经分配装置17分别供应到四个燃烧室。

试验时LPG和空气的混合介质在所述四个燃烧室内充分燃烧，模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况；并将四个燃烧室内的温度和压力数据实时传送给温度、压力数据采集装置8。

所述测试装置具有液压加载系统，所述液压加载系统利用四个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4分别向四组气门底部施加向上的载荷，并且四个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4的活塞杆分别设置有载荷测试元件；所述液压加载系统具有液压泵2，液压泵2分别向并联的四个控制流路提供压力油，并联的四个控制流路分别独立控制四个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4的载荷输出；并联的四个控制流路中，各控制流路的油液依次经过单向阀31-1、31-2、31-3、31-4、压力调节阀32-1、32-2、32-3、32-4、三位四通电磁换向阀34-1、34-2、34-3、34-4进入四个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4的无杆腔；其中各控制流路中的单向阀31-1、31-2、31-3、31-4、压力调节阀32-1、32-2、32-3、32-4之间均设置有蓄能器，各控制流路中的压力调节阀32-1、32-2、32-3、32-4、三位四通电磁换向阀34-1、34-2、34-3、34-4之间设置有溢流阀33-1、33-2、33-3、33-4。

该液压加载系统的液压泵2通过连轴器28连接驱动电机27。该液压加载系统在与液压泵2连接的总流路上连接有总流路单向阀29和总流路溢流阀30。该液压加载系统的每个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4的无杆腔均设置有压力传感器，将监测的压力数据传输到工控机。该液压加载系统的每个压力调节阀32-1、32-2、32-3、32-4分别连接到工控机。该工控机接受每个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4的压力传感器的压力信息，工控机根据所述压力信息，向各个压力调节阀32-1、32-2、32-3、32-4发出指令信号，实时调整各个加载液压缸16-1、16-2、16-3、16-4的输出载荷达到预设值。该电动齿轮马达为4个，可以分别单独控制一个气门，实现各个气门以相同或不同的频率上下运动，模拟气门的上下冲击运动。该测试装置具有四个气门支架预载弹簧，分别向四个气门施加预紧力，使四个气门在未进入试验状态时，气门与气门座圈紧靠在一起。

本发明设计了液压系统对气门进行加载，加载可以使气门、气门座圈更快的进入疲劳或失效状态，提高试验效率；液压系统对每个液压缸具有独立的、并联控制流路，可以根据试验需要同时对多组气门、气门座圈施加相同或者不同的载荷，实现同时对多组气门、气门座圈的疲劳状况，以及影响疲劳磨损的多方面因素，进行测试，提高了试验的效率，试验的准确性好，可信度高。

本发明利用本申请的液压系统利用流体的静压力施加载荷，载荷的稳定性强，不易受到干扰，并且易于对载荷的大小可是实时进行精确的控制。

本发明模拟了发动机燃烧室内气门、气门座圈高温、高压、冲击的工作环境，提高高温对阀座的疲劳状况的影响的测试；设计了发动机排气罩系统对试验燃烧产生的废气收集处理。

在内试验结束后，可以显微观察气门和气门座圈，表面的粗糙度的变化、凹坑、凸起和变形情况，并且可以对疲劳失效的气门阀座和气门阀座垫圈进行切割，观察界面晶相变化，分析疲劳失效的情况，总结分影响疲劳失效的原因（如温度、压力、冲击载荷、材料等等），为气门阀座的结构设计和材料选取提供技术指导。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，包括被测试的气门组件、测试装置；被测试的气门组件包括驱动气门上下运动的电动齿轮马达、n个带有燃烧室的结构体；n组气门、气门座圈分别置于n个燃烧室的顶端；一发动机排气罩系统设置于n个带有燃烧室的结构体上方；其特征在于：

所述测试装置具有冷却模块、燃料供给模块、液压加载系统；

所述的冷却模块的冷却顶板位于n个带有燃烧室的结构体顶部，冷却塔（6）将冷却流体输送到燃烧室的结构体顶部为其冷却；

所述的燃料供给模块包括混合装置、空气输送装置、LPG输送装置；空气输送装置、LPG输送装置分别连接混合装置输送气体至其内混合，将混合介质经分配装置分别供应到n个燃烧室充分燃烧模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况；

所述测试装置具有液压加载系统，所述液压加载系统利用与n个燃烧室对应燃料的加载液压缸分别向n个气门底部施加向上的载荷，并且n个加载液压缸的活塞杆分别设置有载荷测试元件；所述液压加载系统具有液压泵（2），液压泵（2）分别向并联的n个控制流路提供压力油，并联的n个控制流路分别独立控制n个加载液压缸的载荷输出；并联的n个控制流路中，各控制流路的油液依次经过单向阀、压力调节阀、三位四通电磁换向阀进入n个加载液压缸的无杆腔；其中各控制流路中的单向阀、压力调节阀之间均设置有蓄能器，各控制流路中的压力调节阀、三位四通电磁换向阀之间均设置有溢流阀；

所述的燃料供给模块包括混合装置、空气压力调节器、空气流量控制器、LPG压力调节装置、LPG流量调节装置、LPG存储缸、空气压缩机；LPG存储缸依次连接LPG压力调节装置、LPG流量调节装置后将LPG输入到混合装置；空气压缩机依次连接空气压力调节器、空气流量控制器后将压缩空气输入到混合装置；混合装置将LPG和空气充分混合后，将混合介质经分配装置分别供应到各燃烧室充分燃烧模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况；

所述冷却模块具有冷却塔、冷却泵装置和冷却顶板，所述冷却顶板固定连接在带有燃烧室的结构体上，冷却塔向冷却泵装置提供冷却流体，冷却泵装置将冷却流体输送到冷却顶板。

2.根据权利要求1所述的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，其特征在于：各燃烧室内还连接温度、压力数据采集装置传送各燃烧室内的温度和压力数据；液压加载系统的每个加载液压缸的无杆腔均设置有压力传感器，将监测的压力数据传输到工控机。

3.根据权利要求1所述的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，其特征在于：液压加载系统的液压泵通过连轴器连接驱动电机。

4.根据权利要求1所述的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，其特征在于：液压加载系统在与液压泵连接的总流路上连接有总流路单向阀和总流路溢流阀。

5.根据权利要求1所述的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，其特征在于：具有n个气门支架预载弹簧，分别向n个气门施加预紧力，使n个气门在未进入试验状态时，气门与气门座圈紧靠在一起。

6.根据权利要求1所述的发动机气门和气门座圈的疲劳测试装置，其特征在于：液压加载系统的每个压力调节阀（32-1、32-2、32-3、32-4）分别连接到工控机。

7.一种使用如权利要求1-6任一所述的疲劳测试装置的测试方法，其特征在于：

所述燃料供给模块的LPG存储缸中的LPG气体通过LPG压力调节装置、LPG流量调节装置将LPG供应到混合装置；空气压缩机将压缩空气经空气压力调节器、空气流量控制器供应到混合装置；混合装置将LPG和空气充分混合后，将混合介质经分配装置分别供应到n个燃烧室；

试验时LPG和空气的混合介质在所述n个燃烧室内充分燃烧，模拟发动机运行时燃烧室内的高温、高压情况；并将n个燃烧室内的温度和压力数据实时传送给温度、压力数据采集装置；

所述液压加载系统利用n个加载液压缸（16-1、16-2、16-3、16-4）分别向n组气门底部施加向上的载荷；所述液压泵分别向并联的n个控制流路提供压力油，并联的n个电动齿轮马达分别单独控制一个气门，实现各个气门以相同或不同的频率上下运动，模拟气门的上下冲击运动；n个控制流路分别独立控制个n加载液压缸的载荷输出；并联的n个控制流路中，各控制流路的油液依次经过单向阀、压力调节阀、三位四通电磁换向阀进入n个加载液压缸的无杆腔；其中各控制流路中的单向阀、压力调节阀之间均设置有蓄能器，各控制流路中的压力调节阀、三位四通电磁换向阀之间设置有溢流阀；液压泵通过连轴器连接驱动电机；液压泵连接的总流路上连接有总流路单向阀和总流路溢流阀；每个加载液压缸的无杆腔均设置有压力传感器，将监测的压力数据传输到工控机；每个压力调节阀分别连接到工控机；工控机接受每个加载液压缸的压力传感器的压力信息，工控机根据所述压力信息，向各个压力调节阀发出指令信号，实时调整各个加载液压缸的输出载荷达到预设值。

8.根据权利要求7所述的疲劳测试装置的测试方法，其特征在于：所述冷却塔向冷却泵装置提供冷却流体，冷却泵装置将冷却流体输送到固定连接在带有燃烧室的结构体上的冷却顶板。

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