專利名稱：高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳熱試驗系統(tǒng)，尤其涉及一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代車輛緊湊型，經(jīng)濟性要求的不斷提高，乘用車發(fā)動機正朝著小型化，能量密度集中化發(fā)展。特別是增壓等技術(shù)的普及與發(fā)展，及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，使得缸內(nèi)溫度較傳統(tǒng)發(fā)動機有大幅提高。而氣缸蓋、活塞頂面和缸套是缸內(nèi)散熱的主要途徑，其直接影響到整機的工作可靠性、使用壽命和性能。因此，研究高功率密度發(fā)動機氣缸蓋、活塞頂面和缸套在承受高熱流密度熱負(fù)荷時的傳熱規(guī)律及熱疲勞性能對于提高發(fā)動機的工作可靠性，使用壽命和性能都具有重要意義。目前，在缸內(nèi)傳熱規(guī)律研究領(lǐng)域，主要研究手段有有限元分析、實機試驗和模擬試驗。有限元分析是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種計算方法，其耗時短，節(jié)約資金，能在有限的試驗條件下進(jìn)行計算機模擬。但其準(zhǔn)確性很大程度上依賴于邊界條件是否符合實際情況，而邊界條件的確定難度較大。實機試驗最接近于發(fā)動機實際工作情況，最能真實地反映發(fā)動機實際性能，準(zhǔn)確性最高。但試驗耗時長，成本高，對試驗條件要求苛刻，具有很大的局限性。模擬試驗是模仿實際情況，自行設(shè)計試驗方法，對真實情況進(jìn)行模擬再現(xiàn)。其適用性廣，試驗周期短，也具有相當(dāng)程度的準(zhǔn)確性，是一種非常有效的試驗方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)。高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵、電磁閥、試件安裝支架、噴頭、試件、水箱、感應(yīng)線圈、閥門、負(fù)載電容柜和電源主機；試件安裝支架內(nèi)順次設(shè)有噴頭和水箱，水箱內(nèi)順次設(shè)有試件和感應(yīng)線圈，水箱底部設(shè)有閥門，噴頭、電磁閥、泵順次相連，感應(yīng)線圈、負(fù)載電容柜和電源主機順次相連。所述的試件安裝支架內(nèi)的試件采用無約束、弱約束和全約束三種固定方式。所述的無約束固定方式采用不銹鋼絲將試件固定于支架上；所述的弱約束固定方式采用不銹鋼絲杠將試件固定于支架上；所述的全約束固定方式采用陶瓷材料制成的約束框固定試件后，再懸掛于支架上。所述的控制器的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為嵌入式實時控制器分別與OT9213熱電偶采集卡、NI9203電流采集卡、NI^63電壓輸出卡、繼電器和通訊模塊相連；NI9213熱電偶采集卡與熱電偶相連；NI9203電流采集卡與壓力傳感器相連；ΝΙ ^63電壓輸出卡與電磁閥相連；繼電器分別與溫度報警器、水壓報警器和熱電偶信號中斷報警器相連；通訊模塊與上位機相連；上位機分別與打印機和顯示器相連；溫控器分別與加熱器和熱電偶相連。
本發(fā)明可以實現(xiàn)大功率密度發(fā)動機氣缸蓋、活塞和缸套承受高熱流密度熱沖擊時的模擬試驗。對試件采用不同的約束方式以有效模擬真實受力情況。采用自行設(shè)計的可控冷卻系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時、有效、均勻的冷卻。


圖1是高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的控制器電路框圖3(a)是本發(fā)明的平板試件噴頭結(jié)構(gòu)側(cè)視圖； 圖3(b)是本發(fā)明的平板試件噴頭結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖4(a)是本發(fā)明的圓筒試件噴頭結(jié)構(gòu)正視圖； 圖4(b)是本發(fā)明的圓筒試件噴頭結(jié)構(gòu)側(cè)視圖； 圖5是本發(fā)明的平板試件熱電偶布置示意圖； 圖6是本發(fā)明的圓筒試件熱電偶布置示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵1、電磁閥2、試件安裝支架3、噴頭4、試件5、水箱6、感應(yīng)線圈7、閥門8、負(fù)載電容柜9和電源主機10 ；試件安裝支架3內(nèi)順次設(shè)有噴頭4和水箱6，水箱6內(nèi)順次設(shè)有試件5和感應(yīng)線圈7，水箱6底部設(shè)有閥門8，噴頭4、電磁閥2、泵1順次相連，感應(yīng)線圈7、負(fù)載電容柜9和電源主機10順次相連。所述的試件安裝支架3內(nèi)的試件5采用無約束、弱約束和全約束三種固定方式。所述的無約束固定方式采用不銹鋼絲將試件5固定于支架3上；所述的弱約束固定方式采用不銹鋼絲杠將試件5固定于支架3上；所述的全約束固定方式采用陶瓷材料制成的約束框固定試件5后，再懸掛于支架3上。如圖2所示，所述的控制器的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為嵌入式實時控制器分別與 NI9213熱電偶采集卡、NI9203電流采集卡、NI9263電壓輸出卡、繼電器和通訊模塊相連； NI9213熱電偶采集卡與熱電偶相連；NI9203電流采集卡與壓力傳感器相連；NI9263電壓輸出卡與電磁閥相連；繼電器分別與溫度報警器、水壓報警器和熱電偶信號中斷報警器相連； 通訊模塊與上位機相連；上位機分別與打印機和顯示器相連；溫控器分別與加熱器和熱電偶相連。如圖3所示，為針對平板試件的噴水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3根支管連接于總管之上，總管通過電磁閥及水泵與水網(wǎng)相連，每根支管上安裝有3個可調(diào)噴頭。為了達(dá)到較為均勻的冷卻效果，9個噴頭均布于平板上方。噴頭噴出的水柱成實心錐形，錐角可以調(diào)節(jié)，實際使用時，通過調(diào)節(jié)錐角使水流覆蓋整個平板上表面，以達(dá)到均勻冷卻。為了形成射流以達(dá)到較為理想的冷卻效果，冷卻水經(jīng)水泵加壓后再由噴頭噴出，形成射流換熱。如圖4所示，為針對于圓筒試件的噴水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。6根支管與圓筒試件平行均布于試件四周，每根支管上布置3個噴頭，共18個噴頭。噴頭任然采用可調(diào)噴頭，以達(dá)到均勻冷卻的效果。6根支管通過環(huán)形管道連接到一起，通過一根總管于水泵相連。冷卻水經(jīng)水泵加壓后再由噴頭噴出，形成射流換熱。
如圖5所示，為平板試件的熱電偶布置示意圖。試驗時，為了得到試件整個厚度范圍內(nèi)的溫度分布，并綜合實際條件，K型熱電偶分三層布于平板試件上表面，下表面及中間層。為了快速有效的測得平板各點的溫度，熱電偶采用電容沖擊焊于試件上，使熱電偶球頭與平板緊密接觸。熱電偶通過溫度變送將信號傳送給控制器，用于加熱控制、冷卻控制及過熱報警。同時，上位機實時存儲各點溫度值，用于后期分析。如圖6所示，為圓筒試件的熱電偶布置示意圖。，K型熱電偶分三層布于圓筒試件外表面，內(nèi)表面及中間層。本發(fā)明的工作過程如下
為了模仿氣缸蓋、活塞頂面和缸套的傳熱情況，試驗中以方形平板模擬氣缸蓋和活塞頂面，以圓筒模擬缸套。針對不同的試件，安裝平臺有不同的固定方式。加熱系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)加熱的原理，采用的是集成化晶閘管感應(yīng)加熱系統(tǒng)，工作原理是把三相工頻交流電通過晶間管進(jìn)行三相橋式全控整流后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)直流電抗器濾波后輸至單相逆變橋，經(jīng)過逆變后成為單相中頻交流電，最后輸至負(fù)載諧振回路。 諧振回路由負(fù)載感應(yīng)線圈和補償電容器組構(gòu)成，按并聯(lián)連接。對于平板試件，線圈繞成平面螺旋狀，置于平板下方；對于圓筒試件，線圈繞成彈簧狀，置于圓筒內(nèi)部。線圈和試件保持廣2cm的距離。將平板試件下表面(圓筒試件內(nèi)表面)熱電偶信號接入溫控儀，溫控儀采用 PID控制，輸出0 IOv控制信號至加熱系統(tǒng)，控制加熱功率，將試件高溫加熱面溫度控制在設(shè)定值。冷卻系統(tǒng)用于給試件非受熱面降溫冷卻，使試件形成高溫度梯度及高熱流密度， 以模擬高功率密度發(fā)動機缸內(nèi)的受熱情況。其包括噴水系統(tǒng)和水箱兩部分組成。實際試驗時為了使上表面溫度可控，以模擬發(fā)動機不同的工況，采用電磁閥控制流向噴頭的水流量， 以改變冷卻效果，控制上表面溫度。實際實施方案是控制器接受上表面熱電偶信號，并綜合下表面和中間層熱電偶信號，根據(jù)預(yù)期控制要求輸出控制信號到電磁閥，改變電磁閥開度，以改變水流量，改變上表面溫度，形成閉環(huán)控制。為了保證試驗臺的安全運行，防止發(fā)生危險，試驗臺設(shè)有多重報警裝置。主要包括試件過熱報警、冷卻水水壓過低報警、熱電偶信號中斷報警等?？刂破饔糜趯υ囼炦^程實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集、控制及監(jiān)視。其主要部件包括NI cRIO-9114底座及CRI0-9014實時控制器，兩塊NI 9213熱電偶信號采集卡和一塊NI 9203 電流信號采集卡用于采集相關(guān)信號；一塊NI 9263電壓信號輸出卡用于控制射流冷卻系統(tǒng)的電磁閥；一臺溫控儀用于實現(xiàn)溫度可控的加熱；繼電器接報警器實現(xiàn)各種安全報警。上位機與實時控制器之間的關(guān)系是即使上位機關(guān)閉，實時控制器仍可正常工作，用于試驗系統(tǒng)的控制和監(jiān)視，只是數(shù)據(jù)記錄中斷。控制系統(tǒng)采用上下位機結(jié)構(gòu)，以NI CRI0-9014為主要控制核心，穩(wěn)定性與可靠性高。試驗中的所有測量數(shù)據(jù)，包括可能出現(xiàn)的報警信息，都保存于上位機的指定位置。 試驗數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式保存及管理，既便于操作，又利于數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)庫中根據(jù)試件材料及形狀的不同進(jìn)行分類，每個分類下記錄不同熱流密度時各點的溫度值，用于后期分析時調(diào)用。同時，上位機自動生成統(tǒng)計分析報表，所有的試驗數(shù)據(jù)也可以根據(jù)要求裝換成 excel表格或word文檔，并可以打印輸出。
權(quán)利要求
1.一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)，其特征在于包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵(1)、電磁閥(2)、試件安裝支架(3)、噴頭(4)、試件(5)、水箱(6)、感應(yīng)線圈(7)、閥門(8)、負(fù)載電容柜(9)和電源主機(10)；試件安裝支架(3)內(nèi)順次設(shè)有噴頭(4) 和水箱(6 )，水箱(6 )內(nèi)順次設(shè)有試件(5 )和感應(yīng)線圈(7 )，水箱(6 )底部設(shè)有閥門(8 )，噴頭 (4)、電磁閥(2 )、泵(1)順次相連，感應(yīng)線圈(7 )、負(fù)載電容柜(9 )和電源主機(10 )順次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的試件安裝支架(3)內(nèi)的試件(5)采用無約束、弱約束和全約束三種固定方式，所述的無約束固定方式采用不銹鋼絲將試件(5)固定于支架(3)上；所述的弱約束固定方式采用不銹鋼絲杠將試件(5)固定于支架(3)上；所述的全約束固定方式采用陶瓷材料制成的約束框固定試件(5)后，再懸掛于支架(3)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器的內(nèi)部模塊連接關(guān)系為嵌入式實時控制器分別與NI9213熱電偶采集卡、NI9203電流采集卡、NI9263電壓輸出卡、繼電器和通訊模塊相連；NI9213熱電偶采集卡與熱電偶相連；NI9203電流采集卡與壓力傳感器相連；ΝΙ ^63電壓輸出卡與電磁閥相連；繼電器分別與溫度報警器、水壓報警器和熱電偶信號中斷報警器相連；通訊模塊與上位機相連；上位機分別與打印機和顯示器相連；溫控器分別與加熱器和熱電偶相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)。它包括傳熱試驗臺和控制器，傳熱試驗臺包括泵、電磁閥、試件安裝支架、噴頭、試件、水箱、感應(yīng)線圈、閥門、負(fù)載電容柜和電源主機；試件安裝支架內(nèi)順次設(shè)有噴頭和水箱，水箱內(nèi)順次設(shè)有試件和感應(yīng)線圈，水箱底部設(shè)有閥門，噴頭、電磁閥、泵順次相連，感應(yīng)線圈、負(fù)載電容柜和電源主機順次相連。高熱流密度受熱試件傳熱試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)大功率密度發(fā)動機氣缸蓋、活塞和缸套承受高熱流密度熱沖擊時的模擬試驗。對試件采用不同的約束方式以有效模擬真實受力情況。并采用自行設(shè)計的可控冷卻系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時、有效、均勻的冷卻。
文檔編號G01M15/00GK102401807SQ201110352149
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者俞小莉, 傅佳宏, 劉波, 劉震濤, 夏平, 夏琪偉, 尹旭, 張宇, 沈瑜銘, 邵穎慧, 黃瑞 申請人:浙江大學(xué)