發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)，包括活塞、底板、側(cè)板、頂板、管路、高壓空氣瓶、高頻感應加熱機、運動裝置、冷卻裝置、排氣穩(wěn)壓裝置以及包括控制器和計算機的控制裝置?；钊ㄟ^活塞銷與運動裝置連接，活塞承受的往復慣性力由運動裝置提供；活塞的頂部、側(cè)板和頂板之間的相對密閉的空間形成高溫高壓氣體作用腔，該腔通過管路與高壓空氣瓶相連，高頻感應加熱機對該管路進行加熱，冷卻裝置實現(xiàn)對活塞的冷卻。本發(fā)明通過高溫高壓氣體作用腔模擬發(fā)動機燃燒室，其中的高溫高壓氣體模擬發(fā)動機氣缸內(nèi)高溫高壓燃氣，高壓氣體的充放、高頻感應加熱機的開關(guān)、運動裝置的啟停由同一控制器控制，三者實現(xiàn)了同步控制。
【專利說明】發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)，屬于發(fā)動機疲勞試驗領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率密度發(fā)動機是發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢。高功率密度發(fā)動機能夠大幅減小車輛動力系統(tǒng)的體積，增大車輛的機動性，因而在民用和國防方面都有廣泛的應用前景。而活塞是發(fā)動機的核心部件，在發(fā)動機工作過程中，活塞不僅承受著很高的熱負荷，還承受著很高的機械負荷，工作環(huán)境極其惡劣。特別是在高功率密度發(fā)動機中，所存在的高熱負荷和高爆發(fā)壓力會縮短發(fā)動機活塞的壽命，從而導致發(fā)動機使用壽命的縮短。因此，高功率密度發(fā)動機的發(fā)展必然要求解決活塞在這種高熱負荷和高爆發(fā)壓力環(huán)境下的壽命縮短的問題。這就需要在設計階段即對在熱-機械負荷耦合作用下的發(fā)動機活塞的疲勞壽命進行考核。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)動機活塞的疲勞試驗通常是通過模擬活塞在熱負荷或機械負荷作用下的應力狀態(tài)，分析活塞的疲勞破壞過程，進而預測活塞的疲勞壽命。目前已有的發(fā)動機活塞的疲勞試驗臺都是只考慮了熱負荷或機械負荷的作用。實際上，發(fā)動機活塞受到的是熱負荷、爆發(fā)壓力以及往復慣性力的綜合作用，如果只單獨考慮熱負荷或機械負荷，將很難準確評估活塞的應力狀態(tài)和預測活塞的疲勞壽命?，F(xiàn)有技術(shù)沒有針對上述幾種影響的對發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的發(fā)動機活塞疲勞試驗臺架的不足，提供一種能夠同時考慮發(fā)動機活塞的熱負荷和機械負荷作用，即，考慮發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合作用以更準確地預測活塞疲勞壽命的疲勞試驗系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]本發(fā)明提供一種發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)，包括活塞、底板、側(cè)板、頂板、管路、高壓空氣瓶，高頻感應加熱機，運動裝置、冷卻裝置、排氣穩(wěn)壓裝置以及包括控制器和計算機的控制裝置，本發(fā)明中的管路共3條，其中:
[0007]活塞的底部、側(cè)板和底板之間的相對密閉的空間形成冷卻油腔；
[0008]第一條管路稱為管路1，上面設有減壓閥、減壓表、電磁閥1、壓力表I和溫度表；
[0009]第二條管路稱為管路2，上面設有電磁閥I1、壓力表II ;
[0010]第三條管路稱為管路3，上面設有電磁閥II1、壓力表III ；
[0011 ] 排氣穩(wěn)壓裝置包括排氣穩(wěn)壓腔I和排氣穩(wěn)壓腔II ；
[0012]冷卻裝置包括冷卻油箱和油泵；
[0013]運動裝置包括直線電機和驅(qū)動器；
[0014]一種發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)的具體設計方案如下:
[0015]活塞置于主體的內(nèi)部，通過活塞銷與運動裝置連接；[0016]活塞的頂部、側(cè)板和頂板之間的相對密閉的空間形成高溫高壓氣體作用腔，該腔通過管路與高壓空氣瓶連接，高頻感應加熱機靠近連接高溫高壓氣體作用腔和高壓空氣瓶的管路1，高頻感應加熱機與控制裝置中的控制器連接，高壓空氣瓶經(jīng)由管路I上的電磁閥I與控制裝置控制器連接；
[0017]頂板和側(cè)板、底板和側(cè)板都可以通過螺栓連接；
[0018]高壓空氣瓶通過管路I與高溫高壓氣體作用腔的進氣口連接，管路I上的電磁閥I通過線路與控制器連接；
[0019]排氣穩(wěn)壓裝置中的高溫高壓氣體作用腔的兩個出氣口通過管路2、管路3分別與排氣穩(wěn)壓腔1、排氣穩(wěn)壓腔II連接，電磁閥II和電磁閥III分別通過線路與控制器連接；
[0020]高頻感應加熱機直接加熱連接高溫高壓氣體作用腔和高壓空氣瓶的管路的至少靠近高溫高壓氣體作用腔的一部分；
[0021]活塞承受的往復慣性力由運動裝置提供，運動裝置中的直線電機通過活塞銷直接連接到活塞，運動裝置中的驅(qū)動器與控制裝置中的控制器連接并由控制器中的運動模塊程序控制，驅(qū)動器啟動后驅(qū)動直線電機運行進而驅(qū)動活塞實現(xiàn)活塞的往復運動；
[0022]冷卻裝置中冷卻油箱中的冷卻油在油泵的驅(qū)動下經(jīng)由底板上的冷卻油進口噴入冷卻油腔，然后從底板上的冷卻油出口通過出油管輸送返回到冷卻油箱，實現(xiàn)對活塞的冷卻；
[0023]高壓空氣瓶內(nèi)的高壓氣體經(jīng)過減壓閥將壓力降至爆發(fā)壓力以下，經(jīng)減壓后的氣體在管路I中輸送時經(jīng)過高頻感應加熱機加熱，壓力和溫度升至指定值，電磁閥I開啟，經(jīng)加熱和升壓后的高溫高壓氣體進入高溫高壓氣體作用腔，進而與往復運動的活塞相互作用。
[0024]本發(fā)明中的高頻感應加熱機的線圈直接加熱連接高溫高壓氣體作用腔和高壓空氣瓶的管路I的至少靠近高溫高壓氣體作用腔的一部分，高頻感應加熱機的開關(guān)與控制器連接。
[0025]本發(fā)明中的控制裝置可以對高壓空氣瓶、高頻感應加熱機和運動裝置三者進行同步控制。
[0026]有益效果
[0027]本發(fā)明準確再現(xiàn)了發(fā)動機活塞同時承受熱-機械負荷時的疲勞情況，對在熱-機械負荷耦合作用下的發(fā)動機活塞的疲勞壽命的考核提供了合理的考核環(huán)境，從而為活塞的優(yōu)化設計以及與整機的匹配提供依據(jù)，并為活塞的數(shù)值計算提供了試驗數(shù)據(jù)支撐以能夠快速判斷數(shù)值結(jié)果的準確性。
[0028]本發(fā)明填補了國內(nèi)外對發(fā)動機的活塞進行熱-機械負荷耦合疲勞試驗的空白，為活塞的研發(fā)提供準確的試驗數(shù)據(jù)，能夠顯著降低活塞的研發(fā)成本并且提高活塞的研發(fā)效率，因此本發(fā)明將會得到廣泛應用并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。[0031]如圖1所示，本發(fā)明的發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)組成部分包括:
1.冷卻油箱，2.油泵，3.冷卻油進口，4.底板，5.螺栓I，6.側(cè)板，7.控制器，8.計算機，
9.螺栓II，10.電磁閥I，11.頂板，12.壓力表I，13.管路2，14.壓力表II，15.電磁閥II，16.排氣穩(wěn)壓腔I，17.減壓表，18.減壓閥，19.高壓空氣瓶，20.管路1，21.高頻感應加熱機，22.排氣穩(wěn)壓腔II，23.電磁閥III，24.壓力表III，25.管路3，26.螺栓III，27.溫度表，28.高溫高壓氣體作用腔，29.活塞，30.活塞銷，31.冷卻油腔，32.螺栓IV，33.冷卻油出口，34.直線電機，35.驅(qū)動器。
[0032]在如圖1所示的優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明的發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)包括活塞(29)、由底板(4)、側(cè)板(6)和頂板(11)形成的主體、高壓空氣瓶(19)、高頻感應加熱機(21)、運動裝置、冷卻裝置、排氣穩(wěn)壓裝置以及包括控制器(7)和計算機(8)的控制裝置。
[0033]活塞(29)置于主體的內(nèi)部，通過活塞銷(30)與運動裝置連接?；钊?29)的底部、側(cè)板(6)和底板(4)之間的相對密閉的空間形成一個冷卻油腔(31)?；钊?29)的頂部、側(cè)板(6)和頂板(11)之間的相對密閉的空間形成一個高溫高壓氣體作用腔(28)，該腔
(28)在疲勞試驗中模擬發(fā)動機的燃燒室。該高溫高壓氣體作用腔(28)通過管路1(20)與高壓空氣瓶(19)連接，高頻感應加熱機(21)靠近連接高溫高壓氣體作用腔(28)和高壓空氣瓶(19)的該管路設置，高頻感應加熱機(21)可以與控制器7連接，高壓空氣瓶(19)可以經(jīng)由電磁閥I (10)與控制器(7)連接。
[0034]本發(fā)明中的高壓空氣瓶(19)通過管路I (20)與高溫高壓氣體作用腔(28)的進氣口連接，所述管路上設有減壓閥(18)、減壓表(17)、電磁閥I (10)、壓力表I (12)和溫度表
(27)，電磁閥I (10)通過線路與控制器(7)連接。
[0035]排氣穩(wěn)壓裝置包括排氣穩(wěn)壓腔I (16)和排氣穩(wěn)壓腔II (22)。高溫高壓氣體作用腔(28)的兩個出氣口通過管路2 (13)、管路3(25)分別與排氣穩(wěn)壓腔I (16)、排氣穩(wěn)壓腔
II(22)連接，管路2(13)和管路3(25)上分別設有電磁閥II (15)、壓力表II (14)和電磁閥
III(23)、壓力表III (24)，電磁閥II (15)和電磁閥III (23)分別通過線路與控制器(7)連接。
[0036]本發(fā)明中的高頻感應加熱機(21)的線圈直接加熱連接高溫高壓氣體作用腔(28)和高壓空氣瓶(19)的管路的至少靠近高溫高壓氣體作用腔(28)的一部分。該高頻感應加熱機(21)的開關(guān)可以與控制器(7)連接。運動裝置包括直線電機(34)和驅(qū)動器(35)，直線電機(34)通過活塞銷(30)直接連接到活塞(29)，驅(qū)動器(35)與控制器(7)連接。
[0037]本發(fā)明中活塞(29)承受的往復慣性力由運動裝置來提供。在疲勞試驗過程中，驅(qū)動器(35)受到控制器(7)中的運動模塊程序的控制而啟動，直線電機(34)在驅(qū)動器(35)的驅(qū)動下運行并直接驅(qū)動活塞(29)來實現(xiàn)活塞(29)的往復運動。
[0038]冷卻裝置包括冷卻油箱⑴和油泵⑵。在疲勞試驗過程中，冷卻油箱⑴中的冷卻油在油泵(2)的作用下通過進油管輸送并由底板(4)上的冷卻油進口(3)噴入冷卻油腔
(31)，然后從底板(4)上的冷卻油出口(33)通過出油管輸送返回到冷卻油箱(I)。通過冷卻油的這種循環(huán)實現(xiàn)對活塞(29)的冷卻。
[0039]本發(fā)明中形成主體的頂板和側(cè)板、底板和側(cè)板都可以通過螺栓連接，如圖1中所示，頂板(11)和側(cè)板(6)可以通過螺栓II (9)和螺栓III (26)連接，底板⑷和側(cè)板(6)可以通過螺栓I (5)和螺栓IV (32)連接。。[0040]本發(fā)明中的計算機和控制器為現(xiàn)有設備，在此不再詳述。
[0041]本發(fā)明通過高溫高壓氣體作用腔(28)中的高溫高壓氣體模擬發(fā)動機氣缸內(nèi)的高溫高壓燃氣。在疲勞試驗中，高壓空氣瓶(19)內(nèi)的高壓氣體首先經(jīng)過減壓閥(18)將壓力降至爆發(fā)壓力以下，經(jīng)減壓后的氣體之后通過管路I輸送并經(jīng)過高頻感應加熱機(21)的線圈加熱，管路I中被加熱的氣體的壓力和溫度升至指定值，此時電磁閥I (10)開啟，高溫高壓氣體進入高溫高壓氣體作用腔(28)，高溫高壓氣體作用腔(28)中的高溫高壓氣體與往復運動的活塞(29)相互作用，然后分別經(jīng)由路徑:管路2(13)-電磁閥II (15)-排氣穩(wěn)壓腔
I(16)和管路3 (25)-電磁閥III (23)-排氣穩(wěn)壓腔II (22)排出。
[0042]本發(fā)明中高壓氣體的充放、高頻感應加熱機的開關(guān)、運動裝置的啟停都由控制器
(7)控制，計算機(8)可直接和控制器(7)相連，從而能夠?qū)θ哌M行同步控制。由此，控制裝置同步控制了高壓空氣瓶、高頻感應加熱機和運動裝置三者。
[0043]雖然為了使理解清楚的目的而詳細描述了前面的實施方式，但本發(fā)明不限于所提供的細節(jié)。所公開的實施方式是示例性的而非限制性的。可以實現(xiàn)本發(fā)明的可替換方式均落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)，包括活塞、底板、側(cè)板、頂板、3條管路、高壓空氣瓶、高頻感應加熱機、運動裝置、冷卻裝置、排氣穩(wěn)壓裝置以及包括控制器和計算機的控制裝置，其特征在于: 活塞的底部、側(cè)板和底板之間的相對密閉的空間形成冷卻油腔； 第一條管路稱為管路1，上面設有減壓閥、減壓表、電磁閥1、壓力表1和溫度表； 第二條管路稱為管路2，上面設有電磁閥I1、壓力表1I ； 第三條管路稱為管路3，上面設有電磁閥II1、壓力表1II ； 排氣穩(wěn)壓裝置包括排氣穩(wěn)壓腔I和排氣穩(wěn)壓腔II ； 冷卻裝置包括冷卻油箱和油泵； 運動裝置包括直線電機和驅(qū)動器； 一種發(fā)動機活塞熱-機械負荷耦合疲勞試驗系統(tǒng)的具體設計方案如下: 活塞置于主體的內(nèi)部，通過活塞銷與運動裝置連接； 活塞的頂部、側(cè)板和頂板之間的相對密閉的空間形成高溫高壓氣體作用腔，該腔通過管路與高壓空氣瓶連接，高頻感應加熱機靠近連接高溫高壓氣體作用腔和高壓空氣瓶的管路1，高頻感應加熱機與控制裝置中的控制器連接，高壓空氣瓶經(jīng)由管路I上的電磁閥I與控制裝置控制器連接； 頂板和側(cè)板、底板和側(cè)板都可以通過螺栓連接； 高壓空氣瓶通過管路I與高溫高壓氣體作用腔的進氣口連接，管路I上的電磁閥I通過線路與控制器連接； 排氣穩(wěn)壓裝置中的高溫高壓氣體作用腔的兩個出氣口通過管路2、管路3分別與排氣穩(wěn)壓腔1、排氣穩(wěn)壓腔II連接，電磁閥II和電磁閥III分別通過線路與控制器連接； 高頻感應加熱機直接加熱連接高溫高壓氣體作用腔和高壓空氣瓶的管路的至少靠近高溫高壓氣體作用腔的一部分； 活塞承受的往復慣性力由運動裝置提供，運動裝置中的直線電機通過活塞銷直接連接到活塞，運動裝置中的驅(qū)動器與控制裝置中的控制器連接并由控制器中的運動模塊程序控制，驅(qū)動器啟動后驅(qū)動直線電機運行進而驅(qū)動活塞實現(xiàn)活塞的往復運動； 冷卻裝置中冷卻油箱中的冷卻油在油泵的驅(qū)動下經(jīng)由底板上的冷卻油進口噴入冷卻油腔，然后從底板上的冷卻油出口通過出油管輸送返回到冷卻油箱，實現(xiàn)對活塞的冷卻；高壓空氣瓶內(nèi)的高壓氣體經(jīng)過減壓閥將壓力降至爆發(fā)壓力以下，經(jīng)減壓后的氣體在管路I中輸送時經(jīng)過高頻感應加熱機加熱，壓力和溫度升至指定值，電磁閥I開啟，經(jīng)加熱和升壓后的高溫高壓氣體進入高溫高壓氣體作用腔，進而與往復運動的活塞相互作用； 高頻感應加 熱機的線圈直接加熱連接高溫高壓氣體作用腔和高壓空氣瓶的管路I的至少靠近高溫高壓氣體作用腔的一部分，高頻感應加熱機的開關(guān)與控制器連接。
2.如權(quán)利I所述的控制裝置可以對高壓空氣瓶、高頻感應加熱機和運動裝置三者進行同步控制。
【文檔編號】G01M13/00GK103604592SQ201310576387
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】劉金祥, 左正興, 張華陽 申請人:北京理工大學