專利名稱：一種活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，特別是涉及一種以激光為熱源的活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于活塞熱疲勞的測試裝置的已知技術(shù)，如浙江大學(xué)等許多研究機(jī)構(gòu)，已經(jīng)相繼建立起以電磁感應(yīng)線圈、石英燈、電阻加熱器或燃?xì)饣鹧鎳娚淦鞯葹榧訜岱绞降臒崞谀M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。一般來說，這類測試裝置的不足在于實(shí)驗(yàn)周期比較長，加熱區(qū)域不可控。
已知的技術(shù)中，有采用激光進(jìn)行材料試樣的熱疲勞試驗(yàn)裝置，如文獻(xiàn)1，M.Kutsuna，S.Fujita，Y.Sugita，et al.Thermal fatigue test for turbine housing by a pulseYAG laser[C].SPIE，1999，3888，該文獻(xiàn)中公開了采用1.2kW的脈沖式Y(jié)AG激光器作為加熱源的熱疲勞測試裝置，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為一紫銅熱沉，其下通以冷水，作為測試裝置的冷卻裝置，待測試件放于紫銅上，采用熱電偶監(jiān)測試件的溫度。文獻(xiàn)2，Schaus，Mand Pohl，M.Nd-YAG-laser simulated thermal shock and thermal fatigue behavior ofrailroad steel.Metall，1998，52(7-8)，該文獻(xiàn)中公開了采用脈沖式Y(jié)AG激光器作為加熱源、壓縮空氣或冷水作為冷卻介質(zhì)、紅外測溫儀作為測溫手段的熱疲勞測試系統(tǒng)。但是它們共有的缺點(diǎn)在于不能對(duì)活塞整體進(jìn)行激光誘發(fā)熱疲勞測試。
因此，現(xiàn)有技術(shù)的不足就需要提供一種改進(jìn)的活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置。
激光光束具有光束能量集中、可進(jìn)行空間分布變換等優(yōu)點(diǎn)，將其用于熱疲勞模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可大大提高系統(tǒng)的整體性能。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)驗(yàn)周期長、加熱區(qū)域不可控的缺點(diǎn)，從而提供一種實(shí)驗(yàn)周期短、加熱區(qū)域可控、對(duì)活塞整體測試的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案如下
一種活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示，包括一支架(圖中未示出)，待測的活塞100通過一個(gè)夾具或其它固定裝置被固定在支架上；一個(gè)控制裝置1，安置在所述支架上或設(shè)置在所述支架附近，用于對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的工作過程和狀態(tài)的控制。
一個(gè)加熱裝置2與所述控制裝置1連接，固定在所述支架上面位于所述活塞100的上方，用于對(duì)活塞100加熱；一個(gè)測溫裝置3與所述控制裝置1連接，固定在所述支架上，位于所述活塞100受熱表面的斜上方；一個(gè)監(jiān)視裝置4，固定在所述支架上，位于所述活塞100受熱表面的斜上方，用于監(jiān)視活塞100上表面的變化。
進(jìn)一步地說，在上述技術(shù)方案中，所述加熱裝置2由一激光器21和一光束整形器22組成，所述控制裝置1控制所述激光器21的開啟和關(guān)閉，所述激光器21發(fā)出的激光通過所述光束整形器22后照射垂直照射到所述活塞100表面；所述光束整形器22將所述激光器21發(fā)出的一束激光變換成為一束具有多個(gè)同心環(huán)形光斑的激光，圓環(huán)的徑向?qū)挾群蛡€(gè)數(shù)取決于光束整形器的選擇，針對(duì)不同試驗(yàn)要求應(yīng)選用不同參數(shù)的光束整形器。
在上述技術(shù)方案中，還包括一個(gè)冷卻裝置5與所述控制裝置1連接，固定在所述支架上位于所述活塞100附近，用于對(duì)活塞100冷卻；所述冷卻裝置5采用風(fēng)冷或水冷或者兩者結(jié)合的方式；所述冷卻裝置5由空氣壓縮機(jī)51通過一個(gè)管道53和一個(gè)噴頭52連接組成，噴頭52將冷卻氣體噴到所述活塞100的上表面；或者，所述冷卻裝置5結(jié)構(gòu)設(shè)置為將活塞100放置在鋪設(shè)好管路的一個(gè)水箱上，活塞100的底部有空洞，管路過來的冷水從活塞100底部通入，噴射到活塞100內(nèi)表面，從活塞100內(nèi)表面流下的水落入活塞100下面回水收集槽內(nèi)，并順著回水出口流走。
在上述技術(shù)方案中，所述測溫裝置3由熱電偶組成，為避免激光直接作用于其上，在活塞底部打一個(gè)靠近活塞上表面的小孔，將熱電偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并將測得的溫度數(shù)據(jù)輸入到所述控制裝置1；或所述測溫裝置3由至少一個(gè)紅外測溫儀組成，設(shè)置在所述活塞100上表面的斜上方來測量活塞100表面的溫度并將溫度數(shù)據(jù)輸入到所述控制裝置1；最好是，所述測溫裝置3采用兩個(gè)紅外測溫儀組成，對(duì)稱地分布在所述活塞100上表面斜上方的兩側(cè)。
在上述技術(shù)方案中，所述監(jiān)視裝置4由至少一個(gè)攝像頭組成，將所得活塞100上表面的圖像輸入到所述控制裝置1進(jìn)行處理，來判斷活塞100的疲勞狀態(tài)；最好是，所述監(jiān)視裝置4由三個(gè)CCD(Charge Coupled Device，簡稱CCD)攝像頭組成，并等間距設(shè)置在所述活塞100上方的一個(gè)圓上。
在上述技術(shù)方案中，所述控制裝置1由至少一臺(tái)PC機(jī)，一圖像采集卡，一輸入輸出(IO)卡和一現(xiàn)場總線卡組成，上述PC機(jī)和各個(gè)功能卡采用已知技術(shù)進(jìn)行連接。
在上述技術(shù)方案中，所述現(xiàn)場總線卡是PROFIBUS現(xiàn)場總線卡。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是1)充分利用了激光能量集中，便于參數(shù)設(shè)定的優(yōu)點(diǎn)，借助光束整形器，模擬了實(shí)際工況下活塞表面的溫度場分布；2)實(shí)驗(yàn)周期短、可控性好；3)為活塞的熱疲勞研究提供了有效、可靠的實(shí)驗(yàn)條件。


圖1表示本實(shí)用新型激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置的裝置示意圖；圖2(a)(b)表示本實(shí)用新型激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置的部分連接示意圖；圖3表示激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)方法的流程圖；圖4表示一實(shí)施例的溫度控制模式低周熱疲勞典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖5表示一實(shí)施例的時(shí)間控制模式高周熱疲勞典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖6表示一實(shí)施例中在活塞表面的激光光斑示意圖；具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖1所示，制作本實(shí)用新型的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置。
其中，控制裝置1，包括一塊圖像采集卡，一塊IO卡，一塊PROFIBUS現(xiàn)場總線卡和兩臺(tái)PC機(jī)。
加熱裝置2，主要包括激光器21和光束整形器22。本實(shí)施例采用德國HAAS公司的HL 3006D工業(yè)用Nd-YAG連續(xù)激光器，最大功率為3000W。自帶的Winlas軟件可通過網(wǎng)線對(duì)激光器21進(jìn)行操控，同時(shí)也支持基于Profibus-DP協(xié)議的控制軟件的開發(fā)。由控制裝置1來控制激光器21的出光時(shí)間和強(qiáng)度等。本實(shí)施例選用的激光器21支持Profibus-DP，本實(shí)用新型采用單主站的線型網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，將嵌入在PC機(jī)中的現(xiàn)場總線卡設(shè)置為主站，激光器21設(shè)置為從站，通過Profibus就能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)激光器21的控制。
為了使模擬實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)更貼近于實(shí)際，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要按照活塞100的實(shí)際工況設(shè)計(jì)溫度場分布。在實(shí)際工作環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)測得活塞100頂部的溫度分布近似為環(huán)狀分布，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種多圓環(huán)光束整形器22，激光經(jīng)過該整形器后，在活塞100表面投射成三個(gè)同心圓環(huán)，使得活塞100頂部溫度分布接近實(shí)際工況。光束整形器22采用市場所售的常規(guī)產(chǎn)品或由本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法做成具有該功能的光束整形器；在測試不同的活塞時(shí)，應(yīng)選擇不同的光束整形器，以使得激光經(jīng)過光束整形器后產(chǎn)生的同心圓環(huán)的數(shù)目和寬度，滿足活塞頂部溫度分布接近實(shí)際工況。
冷卻裝置5，在本實(shí)施例中，采用風(fēng)冷裝置，將空氣壓縮機(jī)51送出來的氣流，經(jīng)過管道53的引導(dǎo)，從架設(shè)在活塞100斜上方的噴頭52吹出，噴出的氣流作用于活塞100的上表面。當(dāng)然，也可以采用水冷裝置，其設(shè)計(jì)可為利用活塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將活塞放置在鋪設(shè)好管路的水箱上，活塞的底部有空洞，管路過來的冷水從活塞底部通入，噴射到活塞內(nèi)表面，從活塞內(nèi)表面流下的水落入活塞下面回水收集槽內(nèi)，并順著回水出口流走。從上述對(duì)冷卻裝置5的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員不難發(fā)現(xiàn)，冷卻裝置5還可以采用其他的冷卻方式如風(fēng)冷和水冷結(jié)合方式等，甚至在本實(shí)用新型中可以采用自然冷卻的方法等等，總之此處介紹的冷卻方法不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制；其他本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采取的實(shí)現(xiàn)該冷卻功能的方法均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的范圍中。
監(jiān)視裝置4，包括三個(gè)CCD攝像頭。為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的熱疲勞裂紋，本實(shí)施例在活塞100上方布置三個(gè)CCD攝像頭，CCD攝像頭相對(duì)活塞100成均勻分布，相互間夾角成120°。三個(gè)CCD攝像頭各負(fù)責(zé)一片區(qū)域，合起來覆蓋整個(gè)活塞100上表面。三個(gè)CCD攝像頭與嵌入在PC機(jī)內(nèi)的圖像采集卡相連，將采集到的圖像傳到PC機(jī)，PC機(jī)上的裂紋分辨程序?qū)鱽淼膱D像進(jìn)行處理，自行分辨是否出現(xiàn)裂紋，一旦發(fā)現(xiàn)裂紋長度超過設(shè)定的閾值，程序立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
測溫裝置3，本實(shí)施例采用的是英國LAND公司的System 4型紅外測溫儀，該儀器的監(jiān)測波長2.4μm的電磁波，測溫范圍為150～550℃，將其與PC機(jī)的串口相連，把紅外測溫儀上的測溫?cái)?shù)據(jù)上傳到PC機(jī)。
如圖2(a)、(b)所示，CCD攝像頭、激光器21與PC機(jī)的連接情況，冷卻裝置5、紅外測溫儀與另一個(gè)PC機(jī)的連接情況；本實(shí)施中采用了兩臺(tái)PC機(jī)，實(shí)際上，為了簡約起見，也可以只采用一臺(tái)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能。
本實(shí)施例是通過多個(gè)同心環(huán)形的激光斑對(duì)活塞100表面加熱，紅外測溫儀為檢測試件表面溫度，用CCD攝像頭監(jiān)視表面熱疲勞裂紋，PC機(jī)根據(jù)傳來的監(jiān)視信號(hào)，控制加熱裝置2和冷卻裝置5的工作。
本實(shí)施例提供的裝置可提供兩種實(shí)驗(yàn)方案時(shí)間控制模式和溫度控制模式。兩種控制模式均可實(shí)現(xiàn)活塞100高周或低周熱疲勞模擬。
在時(shí)間控制模式中，設(shè)定合適的實(shí)驗(yàn)的加熱時(shí)間與冷卻時(shí)間，就能夠?qū)⒒钊?00的升降溫幅度控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在激光器21控制程序上設(shè)定激光的輸出波形，如矩形波(波峰持續(xù)時(shí)間為加熱時(shí)間，波谷持續(xù)時(shí)間為冷卻時(shí)間)，當(dāng)加熱及冷卻周期較短、激光輸出波形的波峰和波谷功率差值較小時(shí)，系統(tǒng)模擬的是高周疲勞；反之，當(dāng)加熱及冷卻周期較長、激光輸出波形的波峰和波谷功率差值較大時(shí)，系統(tǒng)模擬的是低周疲勞。
在溫度控制模式中，設(shè)定活塞100上某一觀測點(diǎn)為控制參考點(diǎn)，保證該點(diǎn)的溫度變化范圍在設(shè)定的上限溫度與下限溫度之間。當(dāng)從紅外測溫儀或熱電偶中觀測到該點(diǎn)溫度低于下限溫度時(shí)，水閥、氣閥關(guān)閉，激光器21光閘打開，激光束作用于活塞100上，活塞100表面溫度上升；當(dāng)該點(diǎn)溫度高于上限溫度時(shí)，激光器21光閘關(guān)閉，水閥、氣閥打開，活塞100表面溫度下降。如此動(dòng)作不斷循環(huán)，直到達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)。當(dāng)設(shè)定的上限溫度與下限溫度間隔較小時(shí)，系統(tǒng)模擬的是高周疲勞；而當(dāng)設(shè)定的上限溫度與下限溫度間隔較大時(shí)，系統(tǒng)模擬的是低周疲勞。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，都是由PC機(jī)完成，包括實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，實(shí)驗(yàn)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測及各硬件裝置的動(dòng)作控制，并同時(shí)在PC上記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
本實(shí)施例采用的活塞直徑為150mm，高140mm。激光光束經(jīng)過光束整形器后在活塞表面的光場分布如圖6所示，帶有斜線的陰影區(qū)域表示激光光照區(qū)域，其中r1＝5mm，r2＝40mm，r3＝50mm，r4＝60mm，r5＝67.5mm。
利用上述裝置的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)方法，如圖3所示，包括時(shí)間控制模式和溫度控制模式，對(duì)于時(shí)間控制模式，包括如下步驟1)通過控制裝置1設(shè)定加熱時(shí)間為2s與冷卻時(shí)間為3s，以及循環(huán)次數(shù)為100次，如圖5所示；2)設(shè)定激光的輸出波形，如矩形波(波峰持續(xù)時(shí)間為加熱時(shí)間，波谷持續(xù)時(shí)間為冷卻時(shí)間)；由于加熱時(shí)間2s、冷卻時(shí)間3s，波形為矩形波，本實(shí)驗(yàn)為高周疲勞測試；3)控制激光器21出光，照射到活塞100的上表面上；4)判斷出光時(shí)間，當(dāng)大于等于設(shè)定的加熱時(shí)間時(shí)，關(guān)閉激光器21，然后對(duì)活塞100進(jìn)行冷卻；5)判斷冷卻時(shí)間，當(dāng)大于等于設(shè)定的冷卻時(shí)間時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)；
6)判斷是否達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)；如果是，則結(jié)束實(shí)驗(yàn)；如果否，則返回步驟3)。
對(duì)于溫度控制模式，包括如下步驟a)設(shè)定活塞100上距離中心65mm的一點(diǎn)作為控制參考點(diǎn)，并設(shè)定該點(diǎn)的溫度變化范圍的上限溫度320℃與下限溫度260℃，設(shè)定循環(huán)次數(shù)50，如圖4所示；由于上限溫度和下限溫度之間間隔較大，故本實(shí)驗(yàn)完成低周熱疲勞實(shí)驗(yàn)；b)控制裝置1控制激光器21出光；c)判斷控制參考點(diǎn)的溫度；當(dāng)從測溫裝置3中觀測到參考點(diǎn)溫度低于下限溫度時(shí)，關(guān)閉冷卻裝置5，激光器21光閘打開，激光束作用于活塞100上，活塞100表面溫度上升；當(dāng)該點(diǎn)溫度高于上限溫度時(shí)，激光器21光閘關(guān)閉，冷卻裝置5打開，活塞100表面溫度下降。
d)判斷是否達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)；如果是，實(shí)驗(yàn)完畢，停止裝置各部分；如果否，返回步驟b)。
權(quán)利要求1.一種活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，包括一支架，待測的活塞(100)通過一個(gè)夾具固定在所述支架上；一個(gè)用于控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的工作過程和狀態(tài)的控制裝置(1)，安置在所述支架上或設(shè)置在所述支架附近；其特征在于，還包括一個(gè)用于對(duì)活塞(100)加熱的加熱裝置(2)與所述控制裝置(1)連接，固定在所述支架上面位于所述活塞(100)的上方；一個(gè)用于測量活塞(100)受熱區(qū)域的溫度的測溫裝置(3)與所述控制裝置(1)連接；一個(gè)用于監(jiān)視活塞(100)上表面變化的監(jiān)視裝置(4)，固定在所述支架上，位于所述活塞(100)受熱表面的斜上方；所述控制裝置(1)由至少一臺(tái)PC機(jī)，一圖像采集卡，一輸入輸出卡和一PROFIBUS現(xiàn)場總線卡組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述加熱裝置(2)由一激光器(21)和一光束整形器(22)組成，所述控制裝置(1)控制所述激光器(21)的開啟和關(guān)閉，所述激光器(21)發(fā)出的激光通過所述光束整形器(22)后照射垂直照射到所述活塞(100)上表面；所述光束整形器(22)將所述激光器(21)發(fā)出的一束激光變換成為一束具有多個(gè)同心環(huán)形光斑的激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，還包括一個(gè)用于對(duì)活塞(100)冷卻的冷卻裝置(5)與所述控制裝置(1)連接，固定在所述支架上位于所述活塞(100)附近。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述冷卻裝置(5)采用風(fēng)冷或水冷或者兩者結(jié)合的方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述冷卻裝置(5)由空氣壓縮機(jī)(51)通過一個(gè)管道(53)和一個(gè)噴頭(52)連接組成，噴頭(52)將冷卻氣體噴到所述活塞(100)的上表面；或者所述冷卻裝置(5)結(jié)構(gòu)設(shè)置為將活塞(100)放置在鋪設(shè)好管路的一個(gè)水箱上，活塞(100)的底部有一空洞，管路過來的冷水從活塞(100)底部通入，噴射到活塞(100)內(nèi)表面，從活塞(100)內(nèi)表面流下的水落入活塞(100)下面一回水收集槽內(nèi)，并順著一回水出口流走。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測溫裝置(3)由熱電偶組成，將熱電偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并將測得的溫度數(shù)據(jù)輸入到所述控制裝置(1)；或者所述測溫裝置(3)由至少一個(gè)紅外測溫儀組成，設(shè)置在所述活塞(100)上表面的斜上方來測量活塞(100)表面的溫度并將溫度數(shù)據(jù)輸入到所述控制裝置(1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測溫裝置(3)采用兩個(gè)紅外測溫儀組成，對(duì)稱地分布在所述活塞(100)上表面斜上方的兩側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述監(jiān)視裝置(4)由至少一個(gè)攝像頭組成，將所得活塞(100)上表面的圖像輸入到所述控制裝置(1)進(jìn)行處理，來判斷活塞(100)的疲勞狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光誘發(fā)活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述監(jiān)視裝置(4)由三個(gè)CCD攝像頭組成，并等間距分布在所述活塞(100)上方的一個(gè)圓周上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種以激光為熱源的活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括支架、控制裝置、加熱裝置、測溫裝置、監(jiān)視裝置和冷卻裝置；加熱裝置由一激光器和一光束整形器組成，激光器發(fā)出的激光通過光束整形器后照射垂直照射到活塞表面，光束整形器將激光器發(fā)出的一束激光變換成為一束具有多個(gè)同心環(huán)形光斑的激光。本實(shí)用新型具有能夠模擬實(shí)際工況下活塞表面的溫度場分布、實(shí)驗(yàn)周期短、可控性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/60GK2836002SQ20052012959
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者虞鋼, 周良, 宋宏偉, 鄭彩云, 王立新, 寧偉健, 張金城, 李少霞, 王建倫, 龐銘, 劉兆, 王恒海 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所