CN201876393U - 发动机机体液压疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于发动机试验的设备，旨在提供一种发动机机体液压疲劳试验系统。该系统包括液压泵站、液压脉冲加载机构、信号测量与监测系统、控制系统；其中液压脉冲加载机构包括依次连接的液压共轨模块、液压伺服电磁阀、液压放大器和液压油缸，液压油缸与待测发动机机体相连。本实用新型可以代替目前对机体疲劳的实机考核工作，大大节约了试验成本，实现对机体的单缸和多缸加载。试验系统采用所采集的应变信号作为试验发动机机体的疲劳破坏的判据。既可以用于发动机机体疲劳试验，又可以用于发动机零部件静载试验，实现了功能多样化。

Description

发动机机体液压疲劳试验系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于发动机试验的设备，特别涉及一种以液压进行加载对发动机机体疲劳特性进行检测的试验系统。

背景技术

机体是整个发动机的骨架，支承和固定着所有的零部件，结构和负荷情况非常复杂。机体的结构包括气缸体、曲轴箱和支撑底座(或油底壳)。它是一个内部有很多隔板的复杂箱形壳体结构，其上装有发动机的气缸盖、曲轴连杆机构、所有的附件和附件传动机构，在此结构基础上按照其强度和刚度的要求布置了各种加强筋，并且各种运动件的润滑、受热件的冷却和发动机的固定安装也都通过机体来实现。

机体在发动机运转时承受很复杂的负荷：各缸内气体对气缸盖底面和气缸表面的均布气体压力，经活塞作用于各气缸壁的侧压力，经曲轴加在各主轴承上的力，支架对发动机的支承反力和反力矩。这些力的大小、方向随工况和曲轴转角不断变化，有些力的作用点也在不断变化。此外，即使在发动机不运转时，各气缸盖螺栓、主轴承螺栓也使被紧固部分受力。以上各种力和力矩使各部分受到交变的拉压弯扭，产生复杂的应力状态。

随着现在发动机设计中轻量化和高负荷化的趋势，机体工作可靠性得到越来越多的关注。研究机体疲劳特性的目的在于：保证发动机的正常工作、避免设计因偏重安全而浪费材料。

确定机体疲劳特性的方法不外乎两类。一是利用模拟或模型实验以至零件的实机试验来确定，二是利用计算来确定，这两种方法互为补充。在实际工程中，计算方法本身需要通过试验验证并提供定解的边界条件，而试验由于其精度和工作量的限制也往往需要通过计算分析得出更为详尽和全面的结果。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种发动机机体液压疲劳试验系统，即以液压进行加载对发动机机体疲劳特性进行检测的试验系统。

为解决该技术问题，本实用新型的技术方案是：

提供一种发动机机体液压疲劳试验系统，包括液压泵站，还包括液压脉冲加载机构、信号测量与监测系统、控制系统；其中，所述液压脉冲加载机构包括依次连接的液压共 轨模块、液压伺服电磁阀、液压放大器和液压油缸，液压油缸与待测发动机机体相连；所述信号测量与监测系统包括依次电连接的应变片、应变仪、应变模块，以及电连接的压力传感器与AD模块，应变模块和AD模块均经下位机连接至上位机；所述控制系统包括前述下位机和上位机，其中下位机为采用美国NI公司的CRIO控制器，上位机为内置数据存储分析系统的PC机；下位机通过信号线分别接于液压共轨模块、液压放大器和液压伺服电磁阀。

液压共轨模块是一个具有一路高压油路进口通道和多路与液压伺服电磁阀连接的出口通道，并具有一定内腔容积的金属模块(其内腔容积大小应与整个液压系统的流量相匹配)。主要功能是稳定液压回路中的压力，消除回路中的压力波动，并完成高压油路与多个液压伺服电磁阀联通。

本实用新型中，还包括高压蓄能器和低压蓄能器；所述液压伺服电磁阀为三位四通阀，在阀门不同的启闭状态下，阀门内部通道与液压共轨模块的内部通道分别组成高压油路和低压油路；所述高压蓄能器与高压油路连通，低压蓄能器与低压油路连通，可分别接于液压共轨模块的两端。

本实用新型中，还包括一个用于承载待测发动机机体的机械台体；该机械台体包括支架、手柄、夹臂、导轨、减速机、传动机构和轮脚，可实现发动机机体的水平移动和翻转。

本实用新型中，还有一个安全及报警系统，包括用于检测液压油泄漏、管路堵塞、油箱液位、油箱温度、加载压力不正常、试验试件疲劳破坏或试验超时的报警检测单元中的至少一个；报警检测单元经下位机连接至上位机，下位机同时还通过信号线连接至总控制开关。

本实用新型中，当所述试验系统对待测发动机机体进行试验时，在待测发动机机体上装有模拟活塞连杆、模拟曲轴和主轴承底座，所有螺栓连接的螺栓力矩都与实际发动机装配力矩相同。

本实用新型中，当所述试验系统对待测发动机机体进行试验时，液压油缸位于待测发动机机体上并固定在一起，螺栓力矩与实际发动机缸盖装配力矩相同。

本实用新型中，当所述试验系统对待测发动机机体进行试验时，在模拟活塞连杆上和试验缸主轴承座上安装有应变片，该应变片依次电连接应变仪和应变模块，并经下位机连接至上位机。实际运用时可通过应变仪及美国NI公司的信号采集系统进行应变采集，利用所采集的应变信号作为试验发动机机体的疲劳破坏的判据，即通过监测试验发动机机体的应变变化来判断机体是否产生裂纹发生疲劳破坏。

本实用新型中，所述上位机中内置有一个数据存储和分析系统，采用Labview软件编写完成，采集的信号数据由下位控制器(美国NI公司的CRIO控制器)通过信号线传输到上位机进行存储和分析。

本实用新型中，所述液压共轨模块是六通道的液压共轨模块，共有六路液压伺服电磁阀与之相连。可以实现控制六路液压伺服电磁阀和相对应的液压放大器实现对机体的单缸加载和多缸加载(最多可同时加载六缸)。

试验系统在对发动机机体加载时，可以根据试验发动机设定不同的加载频率、加载载荷大小以及加载波形(正弦波、三角波、矩形波)。既可以用于发动机机体疲劳试验，又可以用于发动机零部件静载试验。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型可以代替目前对机体疲劳的实机考核工作，大大节约了试验成本。

本实用新型可以实现对机体的单缸和多缸加载。目前在发动机机体疲劳试验方面主要只进行单缸加载试验，再通过计算得出各缸的疲劳特性，这样试验本身存在很大的局限性，不能模拟实际发动机机体所受的载荷，也不能同时对各缸进行疲劳强度的比较。通过单缸和多缸加载的方式可以弥补以上局限，提高试验的准确性。

试验系统采用所采集的应变信号作为试验发动机机体的疲劳破坏的判据。目前在发动机机体疲劳试验方面主要采用使试件完成指定加载循环，试验人员结束后检查裂纹或加载中检查裂纹的方法，由于裂纹产生的特性导致这种方法所反应的机体疲劳破坏与真实破坏产生的时间有较大的误差。本试验系统，通过实时监测试件应变变化，可以在更准确的时间内反应试件疲劳破坏的产生。

本实验系统既可以用于发动机机体疲劳试验，又可以用于发动机零部件静载试验，实现了功能多样化。

附图说明

图1为试验系统示意图；

图2机械台体示意图；

图3液压脉冲加载机构示意图；

图4控制系统功能框图。

图中的附图标记：

1液压泵站、2高压蓄能器、3液压伺服电磁阀、4共轨模块、5低压蓄能器、6液压放大器、7液压缸；8传动机构、9手柄、10减速器、11支架、12导轨、13轮脚、14夹臂；15单向阀、16溢流阀、17单向阀、18滤油器、19滤油器、20电动机、21油箱。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细表述。

一、发动机机体液压疲劳试验系统的总体构成

试验台由试验台架和控制系统两大部件组成。根据功能分，它包括：液压泵站1、液压脉冲加载机构、机械台体、信号测量与监测系统、控制系统、安全及报警系统、数据存储分析系统等。试验系统如图1所示。

二、试验系统各部分介绍

1、液压泵站

如图3所示，液压泵站1主要作用是为系统提供液压动力，向液压加载机构提供一定压力、一定流量的液压油。本试验系统的液压泵站为压力流量复合控制柱塞泵构成的可卸荷恒压变量泵，在电动机20的驱动下，液压泵站1由油箱21中吸油向共轨阀组提供压力油。

2、液压脉冲加载机构

如图1、3所示，液压脉冲加载机构主要包括共轨模块4、六路液压伺服电磁阀3、液压放大器6、液压油缸7、高压蓄能器2和低压蓄能器5组成。

共轨模块4与高压蓄能器2和低压蓄能器5组成压力稳定系统，保持一定的加载压力，其中高压蓄能器2位于高压油路，低压蓄能器5位于低压油路；液压伺服电磁阀为三位四通阀，其中P为高压油路、T为回油油路、A为加载油路、X路封闭，P与A连通时高压油进入液压缸进行加载，T与A连通时液压缸回油到低压油路，P或T与X接通时都处于封闭状态；液压放大器用于对液压压力的放大，以提供更大的加载载荷；液压油缸执行对发动机机体的加载。

具体实施过程为：液压泵站1在电动机20的带动下，从油箱21中吸油，产生高压油，高压油经过滤油器19和单向阀15进入高压油路(当此时高压油压力过高超过溢流阀16的设定压力时，溢流阀16打开，高压油经滤油器18流回油箱21)；高压蓄能器2与高压油路相连，稳定高压油路内压力；当指定六路中的液压伺服电磁阀(图中省略的电磁阀与其它电磁阀一样)加载时，电磁阀接通P与A路通道，液压压力经过液压放大器6放大，由液压缸7加载到发动机机体上；加载完毕后，T与A接通，液压缸回油到低压油路；低压油通过单向阀17和滤油器流回到油箱21。

通过对液压伺服电磁阀和液压油路压力的控制可以实现在加载过程中加载频率、加载载荷、加载波形的控制。

3、机械台体

如图2所示，机械台体包括支架11、手柄9、夹臂14、导轨12、减速器10、传动机构8和轮脚13。夹臂14可以沿导轨12移动，根据试件大小进行调整，将试件夹紧后 夹臂与试件间用螺栓连接，每个夹臂有三个连接螺栓。整个台体有四个轮脚，可以通过轮脚13水平移动，也可以通过转动手柄9实现试件的翻转。

试验准备过程中，用夹臂14夹紧试件，再通过移动台体，翻转试件完成与其他试验设备的装配；试验时，将发动机机体试件转到正常的水平位置，上面安装液压油缸。

4、信号测量与监测系统

本试验系统的信号测量与监测主要分为应变信号的测量与监测和压力信号的测量与监测。对于应变信号，通过应变片、应变仪以及美国NI公司的9237应变模块、下位机(CRIO控制器)和上位机(PC机)完成。对于压力信号，通过压力传感器、美国NI公司的9201AD模块、位机(CRIO控制器)和上位机(PC机)完成。所采集的信号通过信号线依次连接上位计算机和下位控制计算机。

对于应变信号的监测，主要用于对机体试件疲劳破坏的判定，当应变变化连续超出预定的范围后，系统就会判定机体试件发生疲劳破坏。对于压力信号的监测，一是为了对载荷进行反馈控制，一是为了出现异常时报警、停机。

5、控制系统

液压疲劳试验台的控制系统功能框图如图4所示，本系统采用上下位机结构，上位计算机为PC机，下位控制器采用美国NI公司的嵌入式控制器CRIO9004，它包含一个实时控制器与三百万门可重配置的现场可编程门阵列(FPGA)芯片，并且包含8个热插拔工业I/O插槽，可容易实现对应变、压力等信号的测量和伺服阀的控制输出。

试验过程中，下位机将控制过程中的应变、压力等信号通信给上位机以供上位机显示、存储、分析；上位机又将控制参数(包括FPGA程序)通信给下位机，通过下位机控制液压加载系统和安全报警系统。整个控制程序基于NI公司的LabVIEW开发平台完成，具有较高的可靠性和准确性。

6、安全及报警系统

为保证试验的安全进行，试验系统设有多重报警装置。主要有：液压油泄漏、管路堵塞、油箱液位、油箱温度、加载压力、试验试件疲劳破坏、试验超时。当出现异常时，报警系统进行故障报警，并自动切断试验系统电源，停止整个系统的一切动作，并在PC机上显示故障类别。

7、数据存储分析系统

试验中所有的测量结果，包括最终的试验结果，都保存于上位机指定的位置。上位机软件中数据的管理都是在数据库中进行的，既便于操作，也保证了数据的安全性。数据操作生成两个文件，一个为试验信息，另一个为试验数据。

试验信息包括试验编号、试验日期、试件参数、试验人员、试验地点等试验相关信息；试验数据主要是试验系统试验过程中采集的试验数据，主要有应变信号、压力信号、循环次数、疲劳状态等。

试验数据的分析主要是在试验过程中进行监测时疲劳破坏的判断和压力状态判断，以及试验结束后对数据的过后分析，得出试验试件的疲劳特性相关参数。

三：试验系统实施

1.试验准备工作

首先，调试准备液压系统，包括液压泵站1和液压脉冲加载机构。确保管路通常、液压油压力温度正常、油箱液位正常、蓄能器工作指标正常、各个电磁阀状态正常、电气控制系统正常。

其次，试件的安装。

1)将机体固定在支架11上；

2)在试验缸主轴承座粘贴应变片；

3)在试验用模拟活塞连杆上粘贴应变片；

4)完成模拟活塞连杆与模拟曲轴装配，并装入试验缸内；

5)将主轴承底座安装于机体上，螺栓力矩与发动机装配力矩相同；

6)摇动手柄，将机体调整至垂直位置；

7)安装支撑底座；

8)安装液压增压油缸到机体上，确保液压油缸底面与模拟活塞顶面可靠性接触，通过螺栓将液压油缸与机体固定在一起，螺栓力矩与发动机缸盖安装力矩相同；

9)安装缸内压力传感器；

10)连接共轨模块与液压油缸高压油管；

11)试件应变采集和压力采集连接线接入控制柜内采集模块，确保连线正确。

最后，完成上位机软件安装，整个控制系统自检正常。

2.试验过程

准备过程完毕后，将进行试验过程。

首先，对试验参数进行设置，包括试验编号、试验日期、试验人员、试验地点、试验单位、安全系数、动态系数、液压放大器载荷放大倍数等试验相关信息；还包括试验发动机相关信息，如：型号、缸径、供油方式、冲程、标定功率和标定转速、压缩比、汽缸数、气门数、最大转矩等。

其次，设置完毕后，系统进行自检，判断是否正常。

最后，试验系统各部分开始工作，进行发动机机体疲劳试验。试验过程中，上位机监测界面显示各部分监测信息，试验连续进行直到系统发生故障、机体疲劳破坏判定成功、指定试验循环结束或者人为关闭系统。试验数据进行保存完成试验。

以上公布的仅是本实用新型的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种发动机机体液压疲劳试验系统，包括液压泵站，其特征在于，还包括液压脉冲加载机构、信号测量与监测系统、控制系统；其中，

液压脉冲加载机构包括依次连接的液压共轨模块、液压伺服电磁阀、液压放大器和液压油缸，液压油缸与待测发动机机体相连；

信号测量与监测系统包括依次电连接的应变片、应变仪、应变模块，以及电连接的压力传感器与AD模块，应变模块和AD模块均经下位机连接至上位机；

控制系统包括前述下位机和上位机，其中下位机为CRIO控制器，上位机为内置数据存储分析系统的PC机；下位机通过信号线分别接于液压共轨模块、液压放大器和液压伺服电磁阀。

2.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，还包括高压蓄能器和低压蓄能器；所述液压伺服电磁阀为三位四通阀，在阀门不同的启闭状态下，阀门内部通道与液压共轨模块的内部通道分别组成高压油路和低压油路；所述高压蓄能器与高压油路连通，低压蓄能器与低压油路连通。

3.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，还包括一个机械台体；该机械台体包括支架、手柄、夹臂、导轨、减速机、传动机构和轮脚。

4.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，还有一个安全及报警系统，包括用于检测液压油泄漏、管路堵塞、油箱液位、油箱温度、加载压力不正常、试验试件疲劳破坏或试验超时的报警检测单元中的至少一个；报警检测单元经下位机连接至上位机，下位机同时还通过信号线连接至总控制开关。

5.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，当所述试验系统对待测发动机机体进行试验时，在待测发动机机体上装有模拟活塞连杆、模拟曲轴和主轴承底座，所有螺栓连接的螺栓力矩都与实际发动机装配力矩相同。

6.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，当所述试验系统对待测发动机机体进行试验时，液压油缸位于待测发动机机体上并固定在一起，螺栓力矩与实际发动机缸盖装配力矩相同。

7.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，当所述试验系统对待测发动机机体进行试验时，在模拟活塞连杆上和试验缸主轴承座上安装有应变片，该应变片依次电连接应变仪和应变模块，并经下位机连接至上位机。

8.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，所述上位机中内置有一个数据存储和分析系统。

9.根据权利要求1所述的发动机机体液压疲劳试验系统，其特征在于，所述液压共轨模块是六通道的液压共轨模块，共有六路液压伺服电磁阀与之相连。

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