专利名称：受热构件热冲击和热疲劳试验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种构件试验装置，特别是一种应用于发动机活塞、汽缸盖等受热零 部件的热疲劳、热冲击强度考核的试验台。
背景技术：
随着发动机强化程度的不断提高，特别是增压等技术的普及与发展，发动机活塞、 汽缸盖等受热零部件的热负荷和热强度问题日益突出，直接影响到整机的工作可靠性和使 用寿命。在发动机工作过程中，受热部件大多承受交变热负荷的作用，比较容易出现热裂、 烧损现象。与此同时，在发动机之外，也存在很多承受交变热负荷作用的构件和材料，因此 研究发动机活塞、汽缸盖等受热零部件以及其它承受交变热负荷作用的构件和材料的热疲 劳、热冲击性能对于提高发动机及其他构件工作可靠性和整体性能具有重要意义。目前，在热负荷、热强度的研究领域，主要研究手段有有限元分析、实机疲劳试验 和模拟实验。有限元分析是随着计算机飞速发展产生的一种计算机分析方法，方便、快捷、可以 在试验条件有限的情况下进行计算机模拟分析。不过，其准确性依赖于边界条件是否符合 实际情况，而边界条件的确定依靠于试验。实机疲劳试验，是最接近实际情况的试验方法，可以真实反映相应的性能。不过， 试验成本耗费太大，试验周期太长，具有很大的局限性。模拟试验是自行设计试验方法模拟实际情况进行试验的一种方法，适用性很广， 周期相对较短，也具有相当的准确性，是一种行之有效的研究手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种应用于发动机活 塞、汽缸盖等受热零部件的热疲劳、热冲击强度考核的试验台。为解决该技术问题，本发明的技术方案是提供一种受热构件热冲击和热疲劳试验台，包括试验台架；所述试验台架有一个 可移动的试件安装平台，试件安装平台下方设置行走机构；所述行走机构包括滑套、导轨、 齿条、齿轮、传动轴和伺服电机，滑套和齿条固定于试件安装平台下方，导轨套设于滑套之 中，导轨和齿条的安装方向与试件安装平台的移动方向一致；齿条与齿轮相匹配，齿轮的轴 心通过传动轴与伺服电机相接；所述试验台架设有加热工位，加热工位的两侧对称设有各 一个冷却工位；加热工位处设燃气加热系统的燃烧器，冷却工位处设压缩空气或冷却水的 出口。作为一种改进，所述试件安装平台具有镂空的结构，在所述冷却工位下方设置冷 却水的出口。作为一种改进，所述试件安装平台上设置用于行走距离定位的光电传感器和限位 开关。
作为一种改进，该试验台还包括试件温度检测系统和试验台控制系统；所述试件 温度检测系统包括安设于试件上的热电偶，热电偶通过信号线依次连接至试验台控制系统 的温度变送器、A/D信号转换模块和可编程控制器；所述可编程控制器还通过信号线分别 与设于试件安装平台上的伺服电机、光电传感器和限位开关相接。作为一种改进，所述试验台有一冷却系统，包括一个内设电加热器的水箱，电加热 器经温控器与所述可编程控制器相连；水箱上还设置溢水口和冷水进水阀，水箱的出口经 水泵与冷却水的出口相连。作为一种改进，所述试验台有一火焰温度监测系统，火焰温度监测系统包括一个 用于监控所述燃烧器火焰强度的照相机。作为一种改进，所述试验台有一数据存储系统，数据存储系统包括一上位机，通过 信号线连接至所述可编程控制器。作为一种改进，所述试验台有一安全和报警系统，安全和报警系统包括用于检测 燃气泄漏、试件过热、冷却水水压过低、试验台行走机构过冲、试件加热时间超时及试验平 台行走超时的报警检测单元；所述可编程控制器通过信号线连接至各报警检测单元，可编 程控制器同时通过信号线连接至控制燃气气源和电源的总控制开关。作为一种改进，所述燃烧器具有五圈同心火焰的喷头；燃烧器的各圈可独立调节 垂直高度，其高度调整幅度为10mm;五圈喷头之间的燃气供给相互独立、自由选用；燃烧器 和试件顶面之间距离调节在35 45mm之间。本发明的有益效果是本发明提出了可以替代目前活塞、汽缸盖等受热零部件的热疲劳/热冲击试验的 实机考核系统。特别是目前阶段，新机型开发工作通常采用同步开发的方式，该模拟试验可 以在不具备发动机样机的情况下，进行活塞、汽缸盖等受热零部件的热强度考核工作，不仅 节约了试验费用，而且缩短的开发周期。当然也可以用于其它承受交变热负荷作用的构件 和材料的耐热冲击性能模拟试验的热冲击/热疲劳试验台。
图1为本发明中试验台的侧面外形图；图2为行走机构结构示意图(垂直于行走方向)；图3为燃烧器的结果示意图；图4为行走机构及加热冷却系统工作原理示意图；图5为冷却系统示意图；图6为控制系统功能框图。图中的附图标记1导轨、2齿条、3待测试件、4试件安装平台、5滑套、6传动轴、7齿轮、8伺服电机； 9换热翅片、10燃烧器的第三圈喷嘴、11燃烧器的第四圈喷嘴、12燃烧器的最内圈喷嘴、13 单向阀、14压力表、15流量调节阀、16回火防止器、17混合室、18针型阀；19冷却气阀B、20 燃气控制电磁阀、21冷却气阀A、22试件B、23燃烧器、24试件A、25限位开关、26冷却水阀 B、27冷却水阀A、28水泵、29水箱、30光电传感器、31限位开关、32冷却水阀C、33冷却水阀 D、34加热器；35手柄开关、36手柄开关、37进水电磁阀、38旋钮开关、39旋钮开关、40温控器o
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的具体实施方式
进行详细表述。一、受热构件热冲击和热疲劳试验台的总体构成试验台由试验台架和控制系统两大部件组成，其外形如图1所示。根据功能分，它 包括试件安装平台及其行走机构、试件温度检测系统、燃气加热系统、冷却系统、安全及报 警系统、控制系统、监测及数据存储系统等。二、试验台各部分介绍 试件安装平台及行走机构如图2所示，可移动的试件安装平台4设于试验台架上，其下方设置行走机构；行 走机构包括滑套5、导轨1、齿条2、齿轮7、传动轴6和伺服电机8，滑套5和齿条2固定于试 件安装平台4下方，导轨1套设于滑套5之中，导轨1和齿条2的安装方向与试件安装平台 4的移动方向一致；齿条2与齿轮7相匹配，齿轮7的轴心通过传动轴6与伺服电机8相接； 所述试验台架设有加热工位，加热工位的两侧对称设有各一个冷却工位；加热工位处设燃 气加热系统的燃烧器23，冷却工位处设压缩空气或冷却水的出口。试验台的设计思路时，在运行时两个试件同时进行，以提高试验台的运行效率。试 件安装平台4用于安装试件的安装与定位，它由伺服电机8通过齿轮7和齿条2传动，可以 沿导轨1往复运动。行走机构的设计是为了保证两个待测试件3按照设定的加热冷却周期 准确无误地移入或移出加热工位或冷却工位。试验台的燃烧器23居中布置于加热工位，冷却空气和冷却水的喷头在其左右两 侧对称布置于冷却工位。如待测试件3是汽缸盖，则是通过软管接入冷却水。加热工位与 冷却工位固定不变，它们之间的距离恒定为440mm，安装在安装平台4上的两个试件的间距 也为440mm。为了确保试件安装平台4在试件安装及运动过程中的精确定位，在行走机构相 应的位置上安装了两个光电传感器30。另外，为防止意外原因造成行走机构过冲，其上还安 装了二个限位开关25、31。行走机构的工作方式介绍在非试验时，可通过手柄移动试件安装平台4，进行试件的安装和调试等。在试验开始时，系统以自检的方式使试件安装平台4自动定位，使试件A24对准加 热工位，对其进行加热。当热电偶检测到试件A24的温度达到所设置的最高控制温度时(温 度模式)，或加热时间到(时间模式)，则控制系统发出信号，驱动伺服电机8动作，使试件 安装平台4向右运动，使试件A24到达冷却工位，这时试件B22相应地进入加热工位。到位 后，电机停转，同时控制系统发出信号打开冷却气阀A21和冷却水阀A27，对试件A进行冷 却，而试件B22随即处于加热状态。当试件A24被冷却到所设置的最低控制温度时，控制系 统发出信号立即关闭冷却气阀A21和冷却水阀A27 (对于汽缸盖，冷却水阀在试验过程中一 直处于开启状态)。因为冷却速度比加热速度快，所以此时试件B22仍然处于加热状态，直 到温度达到所设置的最高控制温度，控制系统才发出信号驱动伺服电机8反转，使试件安 装平台4向左移动。接下来的动作是试件B22到达冷却工位，同时打开冷却气阀B19和冷 却水阀B26，对试件B22进行冷却，与此同时试件A24再次被加热。如此重复上述循环动作，直至设定循环次数。注图4中冷却水阀B26、A27针对活塞类构件，冷却水阀C32、D33针对缸盖类试 件，不同试验开启状态不同。 试件温度检测系统试验台可以采用K型热电偶来检测试件温度，两个试件上最多可以各安装8个测 点。热电偶通过热电偶焊接仪焊接在被测试件上。各测点的热电偶引线直接接在温度变送器箱中的温度变送器上。温度变送器将两 个试件上的热电偶的电势转换为4 20mA的标准二线制信号，然后通过双绞线传入PLC的 4个通用模拟量输入模块上。这些输入模块对传入的信号进行A/D转换，然后将试验数值送 给PLC，以作为温度模式下热负荷试验台的主要控制信号，同时所有数据通过RS232通信口 上传至监测PC计算机中计入数据库，用以后期处理。该系统主要包括温度变送器箱，AD模块，开关电源等。 燃气加热系统为了模拟发动机缸内的燃烧情况，加热系统采用燃气加热的方式。为提高其升温 速度，采用氧-LPG燃料。其燃烧温度可达2800°C左右，运行费用约为用电费用的3/5左右。 据初步模拟试验结果表明，其升温速度完全能满足设计要求。考虑到活塞、缸盖等试件在实 际工作状态下的温度分布，以及方便试验时加热范围和强度的调节，设计制作了具有五圈 同心火焰喷头的燃烧器23。五圈喷头之间的燃气供给相互独立，可自由选用。燃烧器23和 试件顶面之间距离应调节在35 45mm。燃烧器23各圈可独立调节垂直高度，其高度调整 幅度为10mm左右。燃烧器23以液化石油气为燃料，并加氧气助燃，可以通过调节流量和空 燃比来改变火焰强度。燃烧器23工作寿命可达5000小时以上。结构示意图如图3所示， 图中显示了燃烧器23内三圈的结构示意图，外侧两圈喷嘴的结构与此相同。燃烧器23的特点为1).各喷嘴之间为动配合。通过螺纹，可实现同轴调节。调幅为10mm左右。可以 对不同的试件采用不同的加热位置。2).各喷嘴之间设有冷却水室供冷却水用，以保证烧嘴寿命。3).喷嘴端部设有沿圆周均布1-2排 1. 5-6 2小孔，以确保加热均勻和加热强度。4).通过调节阀，可调02和LPG混合比，确保燃气混合质量和稳定性。5).喷嘴上部设有混合室，确保稳定供气。6).喷嘴材料为紫铜。7).加热器的气管和水管都集中于专用管套内，同时确保足够的水腔供冷却用，提 高加热器寿命。8).加热器设有防止回火功能装置，确保安全。9). LPG属易燃危险品，生产过程中一定要确保安全生产。为此加热器设有回火防 止器、压力表和单向截止阀，工作室内装有LPG气体泄漏警报器等装置。试验台背面左侧自上而下是压缩空气、氧气和燃气管路接口 ；并且在试验台正面 有五组调节旋钮，每组包括氧气和燃气两个调节旋钮，可调节每圈喷嘴的可燃气体流量和 空燃比。
冷却系统热负荷试验台采用两种冷却介质对试件进行冷却。对与火焰直接接触的试件表面 采用压缩空气冷却，对汽缸盖通过软管将冷却水引入其冷却腔内，以模拟实际工况下循环 水冷却；对于活塞，则对其底部进行喷水冷却。冷却水温度可以在试验之前在温控器40上 自行设置。试验期间，温控系统将始终保持冷却水温度稳定在设置温度士5°C范围之内。为 保证冷却水温恒定，水箱29内安装了加热器34、热水溢水口和冷水进水阀。温控器40根据 热电阻信号，控制加热器34和进水阀的动作。即当水温比所设置的冷却水温度低5°C时，驱 动继电器闭合，使冷却水加热器34通电，对水箱29内的冷却水加热；当水温比所设置的冷 却水温度高5°C时，驱动冷水进水阀打开，随着冷水的加入，位于水箱29上部的热水则自动 地沿着溢水口溢出，从而使水箱29内的冷却水温度下降。水箱29内温度控制自成系统，由 温控器40控制。冷却系统与加热系统及行走机构的配合示意图，冷却系统示意图如图4、图 5所示。(1)手柄开关36，冷却水箱29的手动进水阀，用于试验前向冷却水箱29加水，当 溢水口有水溢出时，请关闭此阀。(2)手柄开关35，冷却水箱29排水阀。当两次试验的时间间隔较长时，为了防止 产生水锈，或者冬天为了防冻，请在试验结束后打开此阀，排干水箱29内的水。(3)旋钮开关38，燃烧器23冷却水流量调节阀，用于调节燃烧器23冷却水流量。 以保证燃烧器23充分冷却。(4)旋钮开关39，试件冷却水流量调节阀，用于调节试件冷却水流量，以调节冷却 速率。(5)进水电磁阀37，当水箱29中水温超出设定温度时，由温控器40控制打开，向 水箱29内充入冷水，以保持水箱29温度恒定。(6)加热器34，当水箱29中水温低于设定温度时，加热器34由温控器40控制加 热。 安全与报警系统为保证试验的安全进行，试验台设有多重报警装置。主要有燃气泄漏、试件过热、 冷却水水压过低、试验台行走机构过冲、试件加热时间超时、试验平台行走超时等报警检测 单元。试验中出现上述任何一种情况，报警系统都将自动切断试验台的气源、电源，停止整 个所有系统的一切动作，并在PC机上显示故障类别。 试验台控制系统该系统示意图如图6所示。试验台的控制与监视系统用于实现对试验过程的自动 控制和监视。其主要元器件，包括PLC都集中安装在电气控制柜内，外部配置一台用于过程 监视和试验数据记录处理的PC机。PLC为日本三菱公司MELSEC FX系列可编程控制器，用 于信号采集以及对试验台各个部分的控制。PC机与PLC之间的关系是试验过程中，即使 关闭PC机，PLC仍可正常工作，试验照常进行，只是数据记录中断。控制系统采用上下位机 结构，有着较高的可靠性的PLC作为控制核心，优势互补，使得整个试验简单易于操作并具 有极高的稳定性和安全性。 火焰温度监测系统该系统用于火焰温度的监测，主要目的是保证试验过程中，火焰强度保持恒定。工作原理为保持氧气、燃气压力不变，通过燃气、氧气旋钮调节二者流量，保持一定的空燃 比。而火焰的强度则通过摄像头拍摄照片，读取火焰图像的灰度值，通过调节空燃比来控制 火焰灰度值只存在小幅度波动。 数据存储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。每一个 试件都建立一个与之对应的数据，数据属性除了包括试件参数和检测参数外，还有一个试 验组号的关键字，该关键字说明了本次试验所属的试验组，这样当一组试验中所有的试样 全部试验完成后，就可以根据这个关键字来导出全部的数据让计算机自行进行处理。统计完成之后，上位机自动生成统计分析报表，同时所有的试验数据和处理结果 都可以根据要求进行打印输出或转换为word文档。三试验系统实施1.试验准备工作首先，将被测试件确定后，要进行温度传感器即热电偶的制作和安装。根据试验温 度范围确定热电偶型号，根据采样点确定热电偶的数目，根据采集点确定热电偶焊接点，完 成试件的准备。其次，确定移动平台、冷却系统、加热系统、温度采集系统等系统及管路、电路处于 正常状态。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，试件类型、控制模式、试验编号、试件参数、循环次数、 冷却温度及冷却时间、数据存储间隔等。其次，设置完毕后，系统进行自检，判断是否正常。最后，手动点火进行试验，系统实时进行系统监测，发现故障后判断故障原因并进 行相应故障处理(警告、紧急停机等)，最后结束试验后，关闭各种开关(燃气开关、氧气开 关、水源开关)及电源。最后，以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明 公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
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权利要求
一种受热构件热冲击和热疲劳试验台，包括实验台架，其特征在于，所述试验台架有一个可移动的试件安装平台，试件安装平台下方设置行走机构；所述行走机构包括滑套、导轨、齿条、齿轮、传动轴和伺服电机，滑套和齿条固定于试件安装平台下方，导轨套设于滑套之中，导轨和齿条的安装方向与试件安装平台的移动方向一致；齿条与齿轮相匹配，齿轮的轴心通过传动轴与伺服电机相接；所述试验台架设有加热工位，加热工位的两侧对称设有各一个冷却工位；加热工位处设燃气加热系统的燃烧器，冷却工位处设压缩空气或冷却水的出口。
2.根据权利要求1所述的试验台，其特征在于，所述试件安装平台具有镂空的结构，在 所述冷却工位下方设置冷却水的出口。
3.根据权利要求1所述的试验台，其特征在于，所述试件安装平台上设置用于行走距 离定位的光电传感器和限位开关。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的试验台，其特征在于，该试验台还包括试件温 度检测系统和试验台控制系统；所述试件温度检测系统包括安设于试件上的热电偶，热电 偶通过信号线依次连接至试验台控制系统的温度变送器、A/D信号转换模块和可编程控制 器；所述可编程控制器还通过信号线分别与设于试件安装平台上的伺服电机、光电传感器 和限位开关相接。
5.根据权利要求4所述的试验台，其特征在于，所述试验台有一冷却系统，包括一个内 设电加热器的水箱，电加热器经温控器与所述可编程控制器相连；水箱上还设置溢水口和 冷水进水阀，水箱的出口经水泵与冷却水的出口相连。
6.根据权利要求4所述的试验台，其特征在于，所述试验台有一火焰温度监测系统，火 焰温度监测系统包括一个用于监控所述燃烧器火焰强度的照相机。
7.根据权利要求4所述的试验台，其特征在于，所述试验台有一数据存储系统，数据存 储系统包括一上位机，通过信号线连接至所述可编程控制器。
8.根据权利要求4所述的试验台，其特征在于，所述试验台有一安全和报警系统，安全 和报警系统包括用于检测燃气泄漏、试件过热、冷却水水压过低、试验台行走机构过冲、试 件加热时间超时及试验平台行走超时的报警检测单元；所述可编程控制器通过信号线连接 至各报警检测单元，可编程控制器同时通过信号线连接至控制燃气气源和电源的总控制开 关。
9.根据权利要求4所述的试验台，其特征在于，所述燃烧器具有五圈同心火焰的喷头； 燃烧器的各圈可独立调节垂直高度，其高度调整幅度为10mm ；五圈喷头之间的燃气供给相 互独立、自由选用；燃烧器和试件顶面之间距离调节在35 45mm之间。
全文摘要
本发明涉及构件试验装置，旨在提供一种受热构件热冲击和热疲劳试验台。包括可移动的试件安装平台的试验台架，试件安装平台下方设置行走机构；行走机构包括滑套、导轨、齿条、齿轮、传动轴和伺服电机，滑套和齿条固定于试件安装平台下方，导轨套设于滑套之中；试验台架设有加热工位，加热工位的两侧对称设有各一个冷却工位；加热工位处设燃气加热系统的燃烧器，冷却工位处设压缩空气或冷却水的出口。本发明提出了可以替代目前活塞、汽缸盖等受热零部件的热疲劳/热冲击试验的实机考核系统。可以在不具备发动机样机的情况下，进行活塞、汽缸盖等受热零部件的热强度考核工作，不仅节约了试验费用，而且缩短的开发周期。
文档编号F23D14/48GK101893536SQ20101022649
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者俞小莉, 刘宏瑞, 刘震涛, 张宇, 沈瑜铭, 齐放 申请人:浙江大学