CN115628900A - 气阀寿命模拟实验装置、实验方法以及模拟评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气阀寿命模拟实验装置和实验方法，在设置的模拟燃烧爆压情况的环境室内进行气阀打开和关闭实验，测量气阀关闭导致的冲击磨损和燃烧爆压导致的滑动磨损，能够对这两种磨损程度和机理进行单独分析。同时提供了一种基于上述实验装置和实验方法实现的气阀寿命模拟评估方法，通过将实验获得的磨损结果与模型计算得到的磨损结果进行比对，验证并修正气阀数字模型，构建一个更接近真实气阀磨损的模拟模型，评估气阀和阀座的磨损和寿命，并能够对气阀的设计进行优化。

Description

气阀寿命模拟实验装置、实验方法以及模拟评估方法

技术领域

本发明涉及柴油机气阀寿命模拟实验技术领域，具体地，涉及一种气阀寿命模拟实验装置、实验方法以及模拟评估方法。

背景技术

四冲程柴油机工作过程包括进气、压缩、燃烧做功、排气四个过程。在进气、排气过程，气阀打开，在压缩、燃烧做功过程，气阀关闭。四个过程往复循环工作，柴油机持续旋转，连续输出功率，驱动外部机械运动。

气阀是柴油机主要部件之一，位于燃烧室内，直接影响柴油机的燃烧过程和性能。柴油机工作过程中，柴油燃烧，产生爆炸压力和高温气体，驱动活塞运动，输出做功，之后气阀打开，排除废气，吸入空气，为下一次柴油燃烧准备空气，同时冷却燃烧室。之后，气阀关闭，再一次喷油，柴油燃烧，活塞运动做功。气阀的打开和关闭是直线往复运动，并且承受燃烧室内上千度的高温和上百公斤的爆炸压力。因此，气阀必然产生磨损和使用寿命。而精准分析气阀的磨损机理和寿命对改进气阀设计具有非常重要的意义。

柴油机设计者对气阀的设计非常重视，通常在单缸机上进行测试和实验，通过实验数据分析气阀状况，改进气阀设计。这种方法虽然直观，贴近实际，但实验成本较高，耗时，尤其当出现气阀断裂等故障，造成的损失较大。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种气阀寿命模拟实验装置、实验方法以及模拟评估方法，能够利用柴油机气阀磨损实验和模拟分析对柴油机气阀进行改进研发。

根据本发明的一个方面，提供了一种气阀寿命模拟实验装置，包括：框架、环境室、阀座、感应加热器、排气进口、液压缸、弹簧、气阀、液压冲头以及轴封；其中：

所述环境室设置于所述框架的一侧，并与所述框架沿中心轴同轴设置；

所述阀座设置于所述环境室的内部，并紧贴所述环境室靠近所述框架一侧的内壁上；

所述框架、所述环境室和所述阀座上分别设有沿中心轴设置的中心通孔；

所述气阀的第一端部依次通过所述框架、所述环境室靠近所述框架一侧和所述阀座上的中心通孔后设置于所述环境室的内部，并使得所述阀座位于所述气阀的第一端部与所述环境室的内壁之间；所述气阀能够进行旋转；

所述弹簧设置于所述气阀的第二端部与所述框架之间；

所述液压冲头设置于所述环境室远离所述框架一侧的中心通孔处，并能够沿轴向往复移动，冲击所述气阀；

所述轴封设置于所述液压冲头和所述环境室远离所述框架一侧的中心通孔之间；

所述感应加热器设置于所述环境室内部；

所述液压缸与所述气阀的第二端部驱动连接；

所述排气进口设置于所述环境室径向上的一侧壁上。

可选地，所述气阀通过如下任意一种方式进行旋转：

-采用辅助机械装置控制所述气阀旋转；

-安装柴油机原有的转阀机构控制所述气阀旋转。

可选地，所述液压冲头以设定的速度和位移沿轴向往复移动，并冲击所述气阀；其中，所述液压冲头冲击所述气阀的冲击力通过计算所述环境室内燃烧爆压得到。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述任一项所述的气阀寿命模拟实验装置的气阀寿命模拟实验方法，包括：

将液压冲头以设定的速度和位移不断冲击所述气阀，同时旋转所述气阀，其中，所述液压冲头冲击所述气阀的冲击力通过计算所述环境室内的燃烧爆压得到；通过该步骤完成气阀在燃烧爆压下的磨损实验；

所述液压缸按照实际凸轮曲线运行，驱动所述气阀打开，此时所述弹簧被压缩，然后再驱动所述气阀关闭，此时所述弹簧被释放；通过该步骤完成气阀在关闭时导致的冲击磨损实验；

实验期间，每运行设定时间测量一次气阀及阀座面磨损量。

可选地，所述环境室内的燃烧爆压设定为：140bar、180bar或220bar。

可选地，所述环境室内的工作温度设定为：330℃、380℃或430℃。

可选地，设定的所述液压冲头的速度为：0.2m/s、0.6m/s或1.0m/s。

可选地，设定的所述液压冲头的位移为：0～1.5m。

可选地，所述气阀的关闭速度设定为：0.2m/s、0.6m/s或1.0m/s，并能够调低或调高。

可选地，所述设定时间为24h。

根据本发明的第三个方面，提供了一种气阀寿命模拟评估方法，包括：

基于ARCHARD磨损模型，将气阀磨损模型转换为数学变量描述，并导入有限元数字模型，得到气阀数字模型；

利用有限元数字模型的磨损子程序UMESHMOTION对气阀数字模型进行计算，得到模型条件下的气阀和阀座表面的磨损结果；

将气阀装入气阀寿命模拟实验装置并进行模拟实验，得到模拟实验条件下的气阀和阀座表面的磨损结果；

将得到的模型的磨损结果和模拟实验的模型结果进行比对，并利用所述比对的结果对所述气阀数字模型进行修正，获得最终的能够接近实际气阀的气阀数字模型；

利用最终的所述气阀数字模型，对具有不同设计要素的气阀寿命进行模拟评估；

其中：

所述气阀寿命模拟实验装置采用上述任一项所述的气阀寿命模拟实验装置；

所述模拟实验采用上述任一项所述的气阀寿命模拟实验方法。

可选地，所述模拟评估方法，还包括：

根据获得的气阀寿命的模拟评估结果，对气阀设计进行改进。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

本发明在设置的模拟燃烧爆压情况的环境室内进行气阀打开和关闭实验，测量气阀关闭导致的冲击磨损和燃烧爆压导致的滑动磨损，能够对这两种磨损程度和机理进行单独分析。

本发明的实验装置配置了环境室，通过在环境室充满了气体，能够模拟柴油机燃烧爆压情况；环境室是绝热的，通过加热，能够模拟燃气温度，实验气阀可被感应加热，进而模拟其工作温度，气阀座则可通过水套被冷却。

本发明能够通过驱动气阀旋转，模拟气阀承受可变环境下的机械和运动负荷。

本发明将模拟实验中通过精确模拟柴油机工作状况和气阀工作状态获得的磨损结果与模拟评估中计算模型和实验参数分析获得的气阀磨损结果相结合，对计算模型进行修正，进而能够有效帮助气阀改进和优化设计。

本发明能够提高气阀设计可靠性，减低试验成本，提高气阀研发效率等，在技术、费用、时间等方面有很大的实际效益。

本发明具有操作简单、使用方便、经济可靠等特点，可推广应用。

本发明能够在柴油机研发机构配置使用，为气阀设计精准分析和降低柴油机研发成本做出了贡献。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中气阀寿命模拟实验装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例中气阀寿命模拟实验方法的工作流程图。

图3为本发明一实施例中气阀寿命模拟评估方法的工作流程图。

图中：1为框架，2为环境室，3为阀座，4为感应加热器，5为排气进口，6为液压缸，7为弹簧，8为气阀，9为液压冲头，10为轴封。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对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。

图1为本发明一实施例提供的气阀寿命模拟实验装置的结构示意图。

如图1所示，该实施例提供的气阀寿命模拟实验装置，可以包括如下部件：框架1、环境室2、阀座3、感应加热器4、排气进口5、液压缸6、弹簧7、气阀8、液压冲头9以及轴封10；其中：

环境室2设置于框架1的一侧，并与框架1沿中心轴同轴设置；

阀座3设置于环境室2的内部，并紧贴环境室2靠近框架1一侧的内壁上；

框架1、环境室2和阀座3上分别设有沿中心轴设置的中心通孔；

气阀8的第一端部依次通过框架1、环境室2靠近框架1一侧和阀座3上的中心通孔后设置于环境室2的内部，并使得阀座3位于气阀8的第一端部与环境室2的内壁之间；气阀8能够进行旋转；

弹簧7设置于气阀8的第二端部与框架1之间；

液压冲头9设置于环境室2远离框架1一侧的中心通孔处，并能够沿轴向往复移动，冲击气阀8；

轴封10设置于液压冲头9和环境室2远离框架1一侧的中心通孔之间；

感应加热器4设置于环境室2内部；

液压缸6与气阀8的第二端部驱动连接；

排气进口5设置于环境室2径向上的一侧壁上。

在一优选实施例中，气阀8可以采用辅助机械装置控制气阀8旋转。

在一优选实施例中，气阀8可以安装柴油机原有的转阀机构控制气阀8旋转。

在一优选实施例中，液压冲头9以设定的速度和位移沿轴向往复移动，并冲击气阀8；其中，液压冲头9冲击气阀8的冲击力通过计算环境室2内燃烧爆压得到。该计算燃烧爆压的方法可以按照内燃机爆压的通常计算方法计算，此处不再赘述。

本发明上述实施例提供的气阀寿命模拟实验装置，针对单缸机实验装置的各项高成本，创建了接近现实的实验环境，可精确模拟柴油机工作状况和气阀工作状态，具有结构简单、操作方便的特点，在技术、经济、时间成本等方面具有显著效益。

图2为本发明一实施例提供的上述实施例中任一项的气阀寿命模拟实验装置的气阀寿命模拟实验方法，可以包括如下步骤：

S100，将液压冲头9以设定的速度和位移不断冲击气阀8，同时旋转气阀8，其中，液压冲头9冲击气阀8的冲击力通过计算环境室2内的燃烧爆压得到；通过该步骤完成气阀8在燃烧爆压下的磨损实验；

S200，液压缸6按照实际凸轮曲线运行，驱动气阀8打开，此时弹簧7被压缩，然后再驱动气阀8关闭，此时弹簧7被释放；通过该步骤完成气阀8在关闭时导致的冲击磨损实验；

在上述实验期间，每运行设定时间测量一次气阀及阀座面磨损量。

在一优选实施例中，环境室内的燃烧爆压可以设定为：140bar、180bar或220bar。

在一优选实施例中，环境室内的工作温度可以设定为：330℃、380℃或430℃。

在一优选实施例中，设定的液压冲头9的速度为：0.2m/s、0.6m/s或1.0m/s。

在一优选实施例中，设定的液压冲头9的位移为：0～1.5m。

在一优选实施例中，气阀8的关闭速度可以设定为：0.2m/s、0.6m/s或1.0m/s，并能够调低或调高。

在一优选实施例中，设定时间为24h。

图3为本发明一实施例提供的气阀寿命模拟评估方法，可以包括如下步骤：

S1，基于ARCHARD磨损模型，将气阀磨损模型转换为数学变量描述，并导入有限元数字模型，得到气阀数字模型；

S2，利用有限元数字模型的磨损子程序UMESHMOTION对气阀数字模型进行计算，得到模型条件下的气阀和阀座表面的磨损结果；

S3，将气阀装入上述实施例中任一项的气阀寿命模拟实验装置并执行上述实施例中任一项的模拟实验方法，得到模拟实验条件下的气阀和阀座表面的磨损结果；

S4，将得到的模型的磨损结果和模拟实验的模型结果进行比对，并利用比对的结果对气阀数字模型进行修正，获得最终的能够接近实际气阀的气阀数字模型；

S5，利用最终的气阀数字模型，对具有不同设计要素的气阀寿命进行模拟评估。

可选地，该模拟评估方法，还可以包括如下步骤：

S6，根据获得的气阀寿命的模拟评估结果，对气阀设计进行改进。

本发明上述实施例提供的气阀寿命模拟评估方法，对于需测试材料和设计等要素的气阀，首先基于ARCHARD磨损模型，将气阀磨损模型转换为数学变量描述，导入有限元数字模型。有限元数字模型链接到用户子程序UMESHMOTION，模拟计算出气阀和阀座表面的磨损。之后气阀装入气阀寿命模拟实验装置进行模拟实验，通过实验计算结果对比数字模型模拟结果，验证气阀数字模型。通过修正气阀数字模型，使实验和FE模拟结果接近于气阀实际状况，构建一个更接近真实的气阀磨损模拟计算模型。后续，变更气阀材料、气阀尺寸、阀面几何形状等设计要素的影响都可反映在气阀数字模型的数字模拟计算结果中，实现气阀的优化设计，评估磨损和气阀寿命。

下面结合一具体应用实例，对本发明上述实施例提供的气阀寿命模拟评估方法进一步说明。

该实例具体包括如下步骤：

步骤1：实验装置模拟气阀在燃烧爆压下的磨损实验

液压冲头9以设定的速度和位移不断冲击气阀，冲击力是由燃烧爆压经计算转换而来。气阀旋转可以采用辅助机械装置来进行，也可以安装柴油机原有的转阀机构，实现气阀旋转。

步骤2：实验装置模拟气阀在关闭时导致的冲击磨损实验

液压缸6按照实际凸轮曲线运行，驱动气阀8打开，压缩弹簧7，而气阀关闭的速度可以调低或调高。

在步骤1和步骤2的实验期间，每运行24h测量气阀座面磨损量,打印输出。

步骤3：数字模型模拟分析

将气阀设计数据导入用户程序进行模拟计算，精确计算气阀工作状况下磨损表面几何参数的连续变化，将宏观的磨损形态转化到数字化结果。

步骤4：修正数字模型

对比实验结果和模拟计算结果，验证模拟精度，修正模型边界。

步骤5：利用最终建立的模型，对具有不同设计要素的气阀寿命进行模拟评估。

通过上述评估结果，还可以对气阀的设计进行评估，找出存在的问题，不断改进，快速形成比较完善的气阀设计方案。

在上述的实验步骤中，还包括如下步骤：

设定实验模式(即设定环境室和气阀的工作参数)：

模式Ⅰ：气阀关闭速度实验。设定关闭速度和燃烧爆压，速度如0.2m/s，0.6m/s，1.0m/s等；燃烧爆压如140bar,180bar,220bar等。

模式Ⅱ，气阀工作温度。设定燃烧爆压下的工作温度，如燃烧爆压为180bar下对应的环境室工作温度可加热到330℃，380℃，430℃，模拟气阀工作温度。

工作温度下的实验可充分再现气阀的磨损。

本发明上述实施例提供的技术方案包括硬件实验部分和软件模拟部分，通过计算模型和实验参数分析气阀的磨损，采用一个装置可全部实现。其中，实验装置模拟柴油机气阀工作情况，有限元FE(Finite Element)模拟计算气阀磨损，以实验测量数据与计算机数字模型进行对比分析，验证并修正数字模型。利用数字模型，评估气阀尺寸、阀面几何形状和材料对气阀实际工作状况的影响，计算气阀寿命，有助于气阀改进和优化设计。

本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种气阀寿命模拟实验装置，其特征在于，包括：框架(1)、环境室(2)、阀座(3)、感应加热器(4)、排气进口(5)、液压缸(6)、弹簧(7)、气阀(8)、液压冲头(9)以及轴封(10)；其中：

所述环境室(2)设置于所述框架(1)的一侧，并与所述框架(1)沿中心轴同轴设置；

所述阀座(3)设置于所述环境室(2)的内部，并紧贴所述环境室(2)靠近所述框架(1)一侧的内壁上；

所述框架(1)、所述环境室(2)和所述阀座(3)上分别设有沿中心轴设置的中心通孔；

所述气阀(8)的第一端部依次通过所述框架(1)、所述环境室(2)靠近所述框架(1)一侧和所述阀座(3)上的中心通孔后设置于所述环境室(2)的内部，并使得所述阀座(3)位于所述气阀(8)的第一端部与所述环境室(2)的内壁之间；所述气阀(8)能够进行旋转；

所述弹簧(7)设置于所述气阀(8)的第二端部与所述框架(1)之间；

所述液压冲头(9)设置于所述环境室(2)远离所述框架(1)一侧的中心通孔处，并能够沿轴向往复移动，冲击所述气阀(8)；

所述轴封(10)设置于所述液压冲头(9)和所述环境室(2)远离所述框架(1)一侧的中心通孔之间；

所述感应加热器(4)设置于所述环境室(2)内部；

所述液压缸(6)与所述气阀(8)的第二端部驱动连接；

所述排气进口(5)设置于所述环境室(2)径向上的一侧壁上。

2.根据权利要求1所述的气阀寿命模拟实验装置，其特征在于，所述气阀(8)通过如下任意一种方式进行旋转：

-采用辅助机械装置控制所述气阀(8)旋转；

-通过安装柴油机原有的转阀机构控制所述气阀(8)旋转。

3.根据权利要求1所述的气阀寿命模拟实验装置，其特征在于，所述液压冲头(9)以设定的速度和位移沿轴向往复移动，并冲击所述气阀(8)；其中，所述液压冲头(9)冲击所述气阀(8)的冲击力通过计算所述环境室(2)内燃烧爆压得到。

4.一种权利要求1-3中任一项所述的气阀寿命模拟实验装置的气阀寿命模拟实验方法，其特征在于，包括：

将液压冲头(9)以设定的速度和位移不断冲击所述气阀(8)，同时旋转所述气阀(8)，其中，所述液压冲头(9)冲击所述气阀(8)的冲击力通过计算所述环境室(2)内的燃烧爆压得到；通过该步骤完成气阀(8)在燃烧爆压下的磨损实验；

所述液压缸(6)按照实际凸轮曲线运行，驱动所述气阀(8)打开，此时所述弹簧(7)被压缩，然后再驱动所述气阀(8)关闭，此时所述弹簧(7)被释放；通过该步骤完成气阀(8)在关闭时导致的冲击磨损实验；

实验期间，每运行设定时间测量一次气阀及阀座面磨损量。

5.根据权利要求4所述的气阀寿命模拟实验方法，其特征在于，所述环境室(2)内的述燃烧爆压设定为：140bar、180bar或220bar；和/或

所述环境室(2)内的工作温度设定为：330℃、380℃或430℃。

6.根据权利要求4所述的气阀寿命模拟实验方法，其特征在于，设定的所述液压冲头(9)的速度为：0.2m/s、0.6m/s或1.0m/s，设定的所述液压冲头(9)的位移为：0～1.5m。

7.根据权利要求4所述的气阀寿命模拟实验方法，其特征在于，所述气阀(8)的关闭速度设定为：0.2m/s、0.6m/s或1.0m/s，并能够调低或调高。

8.根据权利要求4所述的气阀寿命模拟实验方法，其特征在于，所述设定时间为24h。

9.一种气阀寿命模拟评估方法，其特征在于，包括：

基于ARCHARD磨损模型，将气阀磨损模型转换为数学变量描述，并导入有限元数字模型，得到气阀数字模型；

利用有限元数字模型的磨损子程序UMESHMOTION对气阀数字模型进行计算，得到模型条件下的气阀和阀座表面的磨损结果；

将气阀装入气阀寿命模拟实验装置并进行模拟实验，得到模拟实验条件下的气阀和阀座表面的磨损结果；

将得到的模型的磨损结果和模拟实验的模型结果进行比对，并利用所述比对的结果对所述气阀数字模型进行修正，获得最终的能够接近实际气阀的气阀数字模型；

利用最终的所述气阀数字模型，对具有不同设计要素的气阀寿命进行模拟评估；

其中：

所述气阀寿命模拟实验装置采用权利要求1-3中任一项所述的气阀寿命模拟实验装置；

所述模拟实验采用权利要求4-8中任一项所述的气阀寿命模拟实验方法。

10.根据权利要求9所述的气阀寿命模拟评估方法，其特征在于，还包括：

根据获得的气阀寿命的模拟评估结果，对气阀设计进行改进。

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