CN202229995U

CN202229995U - 一种连杆液压疲劳试验系统

Info

Publication number: CN202229995U
Application number: CN2011203246522U
Authority: CN
Inventors: 刘震涛; 刘宏瑞; 李建锋; 刘海军; 俞小莉
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-09-01

Abstract

本实用新型公开了一种连杆液压疲劳试验系统，它主要由试验台架和控制系统两大部件组成；试验台架包括：泵站机构、液压加载机构、试验台台体、装夹及承载机构；泵站机构、液压加载机构、装夹及承载机构均固定在试验台台体上，液压加载机构与泵站机构相连，装夹及承载机构与液压加载机构相连；本试验系统对连杆的拉压加载为非对称加载，实现任意负荷比，可以模拟较多工况进行加载，因此可以应用于很大范围内的连杆疲劳试验。

Description

一种连杆液压疲劳试验系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于发动机连杆的试验设备，特别涉及一种以液压进行拉压加载对发动机连杆疲劳特性进行检测的试验系统。

背景技术

自从发动机产生发展至今，机械负荷不断的提高，对于发动机的可靠性和强化指标也相应的提高。

连杆无疑式是发动机中十分重要的运动零件，其作用是连接活塞与曲轴，将作用在活塞上的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出作功。连杆工作的小端作往复运动，大端作旋转运动，杆身作复杂的平面运动，因此连杆的受力情况十分复杂，在其杆身的每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力，但弯矩和剪力都不大，杆身的主要载荷是交变的拉压载荷。连杆是承受负荷最严重的零件之一，同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化，易引起连杆的疲劳破坏。据统计，连杆60%到90%的破坏都是疲劳破坏，后果极其严重。因为不论是韧性材料还是脆性材料在疲劳破坏前都没有明显的征兆不易察觉，容易造成意外事故。

因此在连杆的设计和检测中，疲劳强度成为其重要性能指标。在连杆所受载荷中，最主要的是拉压载荷，因此通过拉压疲劳试验对连杆的疲劳性能做测试对于连杆的疲劳评定很有研究价值。既可以使零件保证发动机正常工作，又可以避免使连杆偏重安全。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种连杆液压疲劳试验系统，本实用新型以液压进行拉压加载对发动机连杆疲劳特性进行检测。

为解决该技术问题，本实用新型的技术方案是：一种连杆液压疲劳试验系统，它主要由试验台架和控制系统两大部件组成；试验台架包括：泵站机构、液压加载机构、试验台台体、装夹及承载机构；泵站机构、液压加载机构、装夹及承载机构均固定在试验台台体上，液压加载机构与泵站机构相连，装夹及承载机构与液压加载机构相连。

进一步地，所述试验台台体主要由试验台框架和试验台移动面组成，试验台框架由上下两个金属板以及连接两个金属板的四个金属柱导轨组成，试验台移动面包括上下两个金属面，均与四个金属柱导轨连接。所述泵站机构包括液压泵站、油箱和电动机，液压泵站油箱管道连接，液压泵站由电动机驱动。所述液压加载机构包括第一蓄压器、第二蓄压器、伺服电磁阀、液压放大器、液压缸，同时还包括第一滤油器、第二滤油器、第三滤油器、单向阀、溢流阀等辅助液压器件；液压伺服电磁阀为三位四通阀，其四个油路分别为：高压油路P、回油油路T和两个工作油路A、B，两个工作油路A和B通过液压放大器与液压油缸相连；回油油路T与油箱管路连接，高压油路通过单向阀与液压泵站管路连接，溢流油路一端接伺服电磁阀的高压油路P上，另一端与油箱相连，溢流阀固定在溢流油路上；第一蓄压器和第二蓄压器用于保持试验系统压力稳定，第一蓄压器与伺服电磁阀的回油油路T相连，第二蓄压器与伺服电磁阀的高压油路P相连，第一滤油器、第二滤油器、第三滤油器分别固定在回油油路T、高压油路P和溢流油路上，用于过滤液压油。所述装夹及承载机构包括承载机构、小头夹具、大头夹具、小头卡套、大头卡套和负荷传感器；其中，承载机构与液压缸相连，并固定在试验台移动面的下金属面上，负荷传感器固定在试验台移动面的上金属面上，小头夹具通过小头卡套紧固在承载机构上，小头卡套通过小头夹具紧固在承载机构上，大头卡套通过大头夹具紧固在负荷传感器上。所述控制系统包括上位机、下位机和应变片，应变片和负荷传感器分别与下位机相连，下位机与上位机相连。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型属于国内相关领域首个自主研发的试验系统，可以代替连杆疲劳的实机试验，具有较高的参考价值，大大节约了成本。

2、本试验系统对连杆的拉压加载为非对称加载，实现任意负荷比，可以模拟较多工况进行加载，因此可以应用于很大范围内的连杆疲劳试验。

3、本试验系统在试验过程中，通过负荷传感器和美国NI信号采集设备随时对连杆所加载的拉压力进行采集并显示出加载的波形。这样，试验人员可以更好地监测试验的加载情况，保证试验准确良好的运行。

4、本试验系统既可以用于发动机连杆疲劳试验，又可以用于发动机连杆等零部件静载试验，实现了功能多样化。

附图说明

图1为试验系统示意图；

图2液压加载机构示意图；

图3控制系统功能框图；

图4试验程序框图。

图中的附图标记：

试验台框架1、液压泵站2、第一蓄压器3、第二蓄压器4、伺服电磁阀5、液压放大器6、液压缸7、承载机构8、小头夹具9、小头卡套10、连杆试件11、大头卡套12、大头夹具13、负荷传感器14、试验台移动面15、油箱16、电动机17、第一滤油器18、第二滤油器19、第三滤油器20、单向阀21、溢流阀22。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型。

一、发动机连杆液压疲劳试验系统的总体构成

试验系统由试验台架和控制系统两大部件组成。根据功能分，试验台架包括：泵站机构、液压加载机构、试验台台体、装夹及承载机构。

试验系统如图1所示。

二、试验系统各部分介绍

泵站机构

如图2所示，泵站机构包括液压泵站2、油箱16和电动机17，泵站机构的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2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17的驱动下，液压泵站2由油箱16中吸油向共轨阀组提供压力油。

液压加载机构

如图1、2所示，液压加载机构包括第一蓄压器3、第二蓄压器4、伺服电磁阀5、液压放大器6、液压缸7，同时还包括第一滤油器18、第二滤油器19、第三滤油器20、单向阀21、溢流阀22等辅助液压器件。

液压伺服电磁阀5为三位四通阀，其中P为高压油路、T为回油油路、A与B为工作油路，伺服电磁阀5有三个状态：非工作状态（P、T、A、B都不接通），P与A、T与B接通状态，P与B、T与A接通状态；液压放大器6用于对液压压力的放大，以提供更大的加载载荷；液压油缸7为单杆双作用活塞液压缸，用于执行对发动机机体的加载；第一蓄压器3和第二蓄压器4用于保持试验系统压力稳定，其中，第一蓄压器3位于回油油路，第二蓄压器4位于高压油路；第一滤油器18、第二滤油器19、第三滤油器20用于过滤液压油；单向阀21用于防止压力油回流到液压泵站；溢流阀22用于防止压力过高，使系统压力保持在规定值以下。

具体实施过程为：液压泵站2在电动机17的带动下，从油箱16中吸油，产生高压油，高压油经过第二滤油器19和单向阀21进入高压油路（当此时高压油压力过高超过溢流阀22的设定压力时，溢流阀22打开，高压油经第三滤油器20流回油箱16）；第二蓄压器4与高压油路相连，稳定高压油路内压力；当伺服电磁阀进入工作状态，P与A、T与B接通时，高压油经液压放大器6注入液压缸7下部，上部处于回油状态，液压缸7活塞有向上运动趋势，产生对连杆试件的压力，通过设定值便实现对连杆试件的压缩载荷加载；当P与B、T与A接通时，高压油经液压放大器6注入液压缸上部，下部处于回油状态，液压缸活塞有向下运动趋势，产生对连杆试件11的拉力，通过设定值便实现对连杆试件的拉伸载荷加载。

整个液压加载系统在控制下可以实现不同频率、不同载荷、不同应力比的加载方式。

试验台台体

如图1所示，试验台台体主要由试验台框架1和试验台移动面15组成，试验台台体用于固定连杆试件以及其它机构。试验台框架1由上下两个矩形金属板以及连接两个矩形金属板的四个金属柱导轨组成。试验台移动面15分为上下两个金属面，可以沿着导轨上下移动，移动到指定位置后可以固定，以针对不同长度的连杆试件进行疲劳试验。

装夹及承载机构

如图1所示，装夹机构包括承载机构8、大头夹具13、小头夹具9、大头卡套12、小头卡套10和负荷传感器14。

在工况下，连杆小头孔与活塞销之间一般为间隙配合且有润滑油并带有衬套。在疲劳试验过程中，连杆的装夹方式应尽量模拟连杆实际工作中的受载环境，并加注润滑油。在使用高频疲劳试验机进行试验时，由于试验设备要求连杆小头孔与销之间必须采用过盈配合，所以连杆小头孔与活塞销之间不能加注润滑油，连杆孔在试验过程中的受载情况与实际工况有较大差别，影响了试验结果。本试验系统频率基本在15HZ以下，所以不采用高频疲劳试验的装夹方式。

试验时，大头用尺寸与曲轴连杆轴颈相同的大头销替代，小头孔与活塞销可采用间隙配合方式连接。然后大头装入大头卡套12，小头装入小头卡套10，最后由大头夹具13和小头夹具9紧固，就可以保证连杆在疲劳试验过程中保持静止。

承载机构8用于把液压加载系统的拉压载荷传递给连杆试件，所以它上面与装夹机构的小头夹具9相连，下面与液压缸7相连，试载荷稳定平均的加载到连杆试件11。

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负荷信号的测量与监测。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。对于负荷信号，通过负荷传感器14、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。对于负荷信号的监测，主要是为了观察加载到连杆试件的实际载荷大小，这样能更加准确的反应疲劳试验系统的加载情况。

控制系统

液压疲劳试验台的控制系统功能框图如图3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CRIO9014，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、拉压负荷等信号的测量和伺服电磁阀的控制输出。

试验过程中，下位机将控制过程中的应变（通过NI9237模块采集）、负荷等信号（通过NI9201模块采集）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（通过NI9263实现）和安全报警系统（通过和NI9401模块和NI9485SSR模块实现）。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。

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。

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、拉压负荷信号、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拉压负荷监测，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，包括泵站机构和液压加载机构。确保管路通常、液压油压力温度正常、油箱液位正常、蓄压器工作指标正常、伺服电磁阀状态正常、电气控制系统正常。

其次，试件的安装。

（1）将与曲轴连杆轴颈相同的大头销安装到连杆试件大头；

（2）将活塞销安装到连杆试件小头；

（3）安装后加注润滑油；

（4）将大头装入大头卡套12，由大头夹具13夹紧；小头装入小头卡套10，由小头夹具9夹紧；

（5）在连杆试件11各采集部分粘贴应变片；

（6）检查负荷传感器14与承载机构与装夹机构以及连杆试件11的连接状态，确保良好；

（7）连接好液压加载系统的各管路；

（8）试件应变采集和拉压负荷采集连接线接入控制柜内采集模块，确保连线正确。

（9）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，试验流程图如图4所示。

（1）整个系统开启并进行自检。

（2）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、试验单位等试验相关信息；连杆型号、缸径、标定转速、最大转速、曲柄半径、活塞组质量、连杆组质量、最大爆发压力、连杆长度等试验试件相关信息；加载频率、循环次数、最大压缩载荷、最大拉伸载荷等疲劳试验信息。

（3）试验系统各部分开始工作，进行连杆疲劳试验。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、连杆疲劳破坏判定成功、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。

最后，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

1.一种连杆液压疲劳试验系统，其特征在于，它主要由试验台架和控制系统两大部件组成；其中，试验台架包括：泵站机构、液压加载机构、试验台台体、装夹及承载机构；泵站机构、液压加载机构、装夹及承载机构均固定在试验台台体上，液压加载机构与泵站机构相连，装夹及承载机构与液压加载机构相连。

2.根据权利要求1所述连杆液压疲劳试验系统，其特征在于，所述试验台台体主要由试验台框架（1）和试验台移动面（15）组成，试验台框架（1）由上下两个金属板以及连接两个金属板的四个金属柱导轨组成，试验台移动面（15）包括上下两个金属面，均与四个金属柱导轨连接。

3.根据权利要求1所述连杆液压疲劳试验系统，其特征在于，所述泵站机构包括液压泵站（2）、油箱（16）和电动机（17），液压泵站（2）油箱（16）管道连接，液压泵站（2）由电动机（17）驱动。

4.根据权利要求1所述连杆液压疲劳试验系统，其特征在于，所述液压加载机构包括第一蓄压器（3）、第二蓄压器（4）、伺服电磁阀（5）、液压放大器（6）、液压缸（7）、第一滤油器（18）、第二滤油器（19）、第三滤油器（20）、单向阀（21）和溢流阀（22）；液压伺服电磁阀（5）为三位四通阀，其四个油路分别为：高压油路、回油油路、两个工作油路，两个工作油路通过液压放大器（6）与液压油缸（7）相连；回油油路与油箱（16）管路连接，高压油路通过单向阀（21）与液压泵站（2）管路连接，溢流油路一端接伺服电磁阀（5）的高压油路上，另一端与油箱（16）相连，溢流阀（22）固定在溢流油路上；第一蓄压器（3）与伺服电磁阀（5）的回油油路相连，第二蓄压器（4）与伺服电磁阀（5）的高压油路相连，第一滤油器（18）、第二滤油器（19）、第三滤油器（20）分别固定在回油油路、高压油路和溢流油路上。

5.根据权利要求1所述连杆液压疲劳试验系统，其特征在于，所述装夹及承载机构包括承载机构（8）、小头夹具（9）、大头夹具（13）、小头卡套（10）、大头卡套（12）和负荷传感器（14）；其中，承载机构（8）与液压缸（7）相连，并固定在试验台移动面（15）的下金属面上，负荷传感器（14）固定在试验台移动面（15）的上金属面上，小头夹具（9）通过小头卡套（10）紧固在承载机构（8）上，小头卡套（10）通过小头夹具（9）紧固在承载机构（8）上，大头卡套（12）通过大头夹具（13）紧固在负荷传感器（14）上。

6.根据权利要求1所述连杆液压疲劳试验系统，其特征在于，所述控制系统包括上位机、下位机和应变片，应变片和负荷传感器（14）分别与下位机相连，下位机与上位机相连。