专利名称：一种气缸盖热疲劳试验装置和试验方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机部件热疲劳试验装置和方法，具体涉及一种气缸盖热疲劳试验装置和方法。
背景技术：
气缸盖是发动机中结构最复杂、承受机械载荷和热载荷最严酷的部件之一，其与活塞共同构成燃烧室，气缸盖火力面直接与高温燃气接触，其温度水平及分布状态是影响气缸盖疲劳可靠性的重要因素，工作中由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用，往往会形成热疲劳裂纹。为准确评估气缸盖的热状态和疲劳强度，必须对气缸盖进行热疲劳可靠性试验。现阶段的气缸盖热疲劳试验台，采用的加热方式大致可分为:(I)、激光加热:该种加热方式利用转光片对气缸盖表面进行加热，加热周期短，加热能量大，但受激光束移动速度、功率密度、光斑尺寸和材料的导热性能等因素的影响，且试验成本高，设备维修难度较大；(II)、电磁加热:该种加热方式虽然具有响应速度快的优点，但具有惯性大、干扰强、非线性的缺点，且只能对铸铁类零件加热，对铝合金类零件则往往不适用。(III)、火焰加热:该种加热方式以气态燃料(如液化气，天然气等)为燃烧介质，设备简单，使用方便，但存在因气体泄漏而引起的安全隐患、热量分配控制难、燃料更换期短等诸多不变。申请号为201210352580.1的发明专利公开了一种技术方案“一种气缸盖疲劳试验装置及试验方法”。试验装置包括加热装置、加载部件及机械力高频加载源，加载部件设有加载面以及对应于气缸盖加载位置的加载柱，机械力高频加载源输出的等效变形集中载荷作用于加载部件的加载面，并通过加载柱作用于气缸盖的加载位置。该装置利用等效变形对气缸盖进行疲劳试验，使气缸盖的复杂受力状态可以得到简单有效的模拟，从而实现对气缸盖疲劳寿面的全面有效考核。 现有试验台往往是将气缸盖放置在试验台上部，未考虑发动机缸体、缸盖螺栓、缸垫等对缸盖的约束情况，致使缸盖试验件承载情况与整机实际状态存在很大偏差。在缸盖热疲劳试验台冷却方面，部分试验台仅采用外部空气冷却，无法模拟缸盖水腔冷却性能，以致火力面沿缸盖高度方向的温度梯度和分布状态与实际差异较大。这些试验台若采用内部液体冷却方式，由于加热器功率有限,试验过程中将气缸盖加热到实际工作温度所需的时间较长，无法满足部件加速疲劳试验要求。
发明内容
本发明针对现有技术中的试验装置无法精确模拟缸盖在整机实际状态下的承载情况的技术问题，提供一种气缸盖热疲劳试验装置和试验方法。本发明的技术方案:一种气缸盖热疲劳试验装置，包括基础试验台和数据采集及控制系统；所述基础试验台包括假缸体1-3、气缸盖1-4、废气导气管1-5和废气收集器1-6，其特征在于:还包括高低温双循环恒温液冷系统1-2和柴油供给及火焰加热系统；所述假缸体1-3和气缸盖
1-4之间安装有气缸垫且采用气缸盖螺栓固接。优选高低温双循环恒温液冷系统包括低温水系切换电动控制阀2-1、低温水系及恒温控制系统2-2、高温水系切换电动控制阀2-3、高温水系及恒温控制系统2-4和电动水栗 2-5。优选高低温双循环恒温液冷系统所用冷却液介质是冷却水或油。优选柴油供给加热系统包括溢流阀3-1、油泵3-2、燃油精滤清器3-3、油压表3-4、电磁换向阀3-5、燃烧器总成3-6、电动节流阀3-7、球阀开关3-8、燃油粗滤清器3-9、油箱3-10，其中燃烧器总成3-6包括高能点火器3-11、喷油嘴安装管3-12、火花塞3_13、空气螺旋导流板3-15、油嘴3-16和分布调节板3-17。本发明的有益效果是:1、试验装置采用空气冷却及高低温双循环恒温液冷两种冷却方式。在强制空气冷却的基础上，同时设有两套并行的循环液冷装置，一套为高温恒温冷却系统，另一套为低温恒温冷却系统，设置两套循环水系的优点是:加热阶段使用高温冷却系统，尽可能真实地模拟整机状态加热过程和缩短加热时间，缸盖冷却过程中，在空冷的基础上采用低温冷却系统，迅速冷却缸盖，从而缩短冷却时间。2、试验装置采用燃油火焰加热方式，燃油介质主要以柴油为主，同时通过对局部结构或参数调整可直接采用生物燃油、甲醇、汽油等轻质燃料，存在燃油介质获取方便、安全性闻等优点。3)、试验装置将气缸盖通过气缸盖螺栓与真实气缸垫、假缸体固定于一体。假缸体材料与实际缸体一致，结构也与其相同，同时在假缸体内部加工有冷却水通道。通过此连接结构可模拟实际缸体对缸盖的约束情况、可实现进入气缸盖冷却液流量的定量分配，确保气缸盖的热疲劳试验结果更加接近真实工作状况。
图1是气缸盖热疲劳试验台总体构成图1-1固定台；1_2高低温双循环恒温液冷系统；1_3假缸体；1-4试验用缸盖；1_5废气导气管；1_6废气收集器；1_7控制系统图2是气缸盖热疲劳试验台结构原理图2~1低温水系切换电动控制闽；2_2低温水系及恒温控制系统；2-3高温水系切换电动控制阀；2_4高温水系及恒温控制系统；2-5电动水泵；2_6假缸体；2_7废气排出系统；2_8气缸盖；2_9压气机；2-10空气电动控制调节阀；2_11燃油供给系统；2_12燃烧器；2_13缸盖冷却水腔图3是燃油供给系统组成图3-1溢流阀；3_2油泵；3_3燃油精滤清器；3_4油压表；3_5电磁换向阀；3-6燃烧器总成；3_7动节流阀；3_8球阀开关；3_9燃油粗滤清器；3_10油箱；3-11高能点火器；3_12喷油嘴安装管；3_13火花塞；3_14空气入口 ；3-15空气 螺旋导流板；3_16喷油嘴；3_17火焰分布调节板；图4是缸盖热疲劳试验台工作原理图。
具体实施例方式结合附图1对气缸盖热疲劳试验台的结构原理进行说明:气缸盖热疲劳试验台包含四大部分:基础试验台、高低温双循环恒温液冷系统、柴油供给及火焰加热系统和数据采集及控制系统，基础试验台由假缸体1-3和气缸盖1-4、废气导气管1-5、废气收集器1-6组成。假缸体1-3和气缸盖1-4之间安装有气缸垫且采用气缸盖螺栓固接，所加载的预紧方式及预紧力与实际工作状态一致。结合附图2对高低温双循环恒温液冷系统进行说明:高低温双循环恒温液冷系统包括低温水系切换电动控制阀2-1、低温水系及恒温控制系统2-2、高温水系切换电动控制阀2-3、高温水系及恒温控制系统2-4和电动水泵
2-5。气缸盖加热时，控制阀2-1关闭、控制阀2-3开启，高温冷却液在假缸体和气缸盖内进行循环；气缸盖冷却时，控制阀2-1开启、控制阀2-3关闭，低温冷却液在假缸体和气缸盖内进行循环冷却，同时，空气电动控制调节阀2-10仍然保持开启，空气流经燃烧器2-12后对缸盖火力面进行强制吹风冷却。结合附图3对柴油供给加热系统进行说明:柴油供给加热系统包括溢流阀3-1、油泵3-2、燃油精滤清器3-3、油压表3-4、电磁换向阀3-5、燃烧器总成3-6、电动节流阀3-7、球阀开关3-8、燃油粗滤清器3_9、油箱3_10，其中燃烧器总成3-6包括高能点火器3-11、喷油嘴安装管3-12、火花塞3-13、空气螺旋导流板3-15、油嘴3-16和分布调节板3-17。球阀开关3-8开启后，启动油泵3-2，通过电子控制调节电动节流阀3_7可使供油系统管路燃油保持一定压力，并进行局部内循环，试验缸盖需要加热时，切换电磁换向阀
3-5，供油系统以一定压力通过燃油喷嘴向燃烧器中喷油，缸盖冷却过程中，电磁换向阀断电且3-5关闭，燃油进入内循环状态。数据采集及控制系统是该试验台的重要组成部分，其数据采集参数包括空气流量、燃油供油压力、火焰温度、缸盖本体温度、冷却水流量等参数；控制系统包括燃油压力控制、空气流量控制、高低温冷却液流路控制、排气系统控制及设备安全性控制等内容。结合附图4对缸盖热疲劳试验台工作过程进行说明:一个工作循环由加热过程和冷却过程共同构成。加热过程中，供油系统开始工作，火焰加热缸盖底部，高温冷却回路开启，直至缸盖加热到用户指定的温度点，其中高温冷却回路中冷却液温度按照发动机实际工作状态或用户自定义确定；冷却过程中，供油系统停止供油，燃烧器关闭，压气机继续工作，对火力面进行强制空气冷却，同时，低温冷却回路开启，缸盖还通过低温冷却液进行强制冷却。试验过程中，高低温冷却系统冷却液温度由用户设定，使进入气缸盖内部的冷却液温度保持恒定。试验过程中，每隔100个工作循环暂停试验，观测缸盖热疲劳损伤状况，直至缸盖出现失效或满足试验循环 次数。
权利要求
1.一种气缸盖热疲劳试验装置，包括基础试验台和数据采集及控制系统；所述基础试验台包括假缸体(1-3)、气缸盖(1-4)、废气导气管(1-5)和废气收集器(1-6)，其特征在于:还包括高低温双循环恒温液冷系统(1-2)和柴油供给及火焰加热系统；所述假缸体(1-3)和气缸盖(1-4)之间安装有气缸垫，且采用气缸盖螺栓固接。
2.根据权利要求1所述的气缸盖热疲劳试验装置，其特征在于:所述高低温双循环恒温液冷系统包括低温水系切换电动控制阀(2-1)、低温水系及恒温控制系统(2-2)、高温水系切换电动控制阀(2-3)、高温水系及恒温控制系统(2-4)和电动水泵(2-5)。
3.根据权利要求1所述的气缸盖热疲劳试验装置，其特征在于柴油供给加热系统包括溢流阀(3-1)、油泵(3-2)、燃油精滤清器(3-3)、油压表(3-4)、电磁换向阀(3_5)、燃烧器总成(3-6)、电动节流阀(3-7)、球阀开关(3-8)、燃油粗滤清器(3-9)、油箱(3_10)，其中燃烧器总成(3-6)包括高能点火器(3-11)、喷油嘴安装管(3-12)、火花塞(3-13)、空气螺旋导流板(3-15)、油嘴(3-16)和分布调节板(3-17)。
4.根据权利要求1所述的气缸盖热疲劳试验装置，其特征在于:所述数据采集系统采集参数包括空气流量、燃油供油压力、火焰温度、缸盖本体温度、冷却水流量等参数；控制系统包括燃油压力控制、空气流量控制、高低温冷却液流量及转换控制、排气系统控制及设备安全性控制等内容。
5.根据权利要求2所述的气缸盖热疲劳试验装置，其特征在于:所述高低温双循环恒温液冷系统所用冷却液介质是冷却水或油。
6.一种气缸盖热疲劳试验方法，其特征在于:包括多个工作循环，每个工作循环由加热过程和冷却过程组成；加热过程中，供油系统开始工作，火焰加热缸盖底部，高温冷却回路开启，直至缸盖加热到指点的温度点；冷却过程中，供油系统停止供油，燃烧器关闭，压气机继续工作，对火力面进行强制空气冷却，同时，低温冷却回路开启，缸盖还通过低温冷却液进行强制冷却；重复上述工作循环，直至缸盖发生失效或满足试验循环次数。
7.根据权利要求6所述的气缸盖热疲劳试验方法，其特征在于:试验过程中，每隔100个工作循环暂停试验，观测缸盖热疲劳损伤状况。
全文摘要
本发明涉及一种气缸盖热疲劳试验装置，包括基础试验台和数据采集及控制系统；基础试验台包括假缸体1-3、气缸盖1-4、废气导气管1-5和废气收集器1-6；还包括高低温双循环恒温液冷系统1-2和柴油供给及火焰加热系统；假缸体1-3和气缸盖1-4之间安装有气缸垫，且采用气缸盖螺栓固接。该气缸盖热疲劳试验装置可以模拟缸盖在整机实际状态下的承载情况，从而实现对缸盖热疲劳寿命的全面有效考核，并能够加快缩短试验时间，且试验时安全性高。本发明还公开了一种与上述气缸盖热疲劳试验装置相对应的气缸盖疲劳试验方法。
文档编号G01M13/00GK103234739SQ20131010980
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者张儒华, 景国玺, 郭昌明, 李鹏, 王秀乔, 姚亮宇, 任路 申请人:中国北方发动机研究所(天津)