一种活塞温度场模拟试验装置及试验方法与流程

本发明涉及发动机的活塞技术领域，特别涉及一种以电磁感应加热为热源的活塞温度场模拟试验装置及方法。

背景技术：

高功率密度柴油机是车辆动力装置主要发展方向，而功率密度的提升往往主要靠提高燃烧强度来实现,这将伴随着燃烧压力以及平均燃烧温度的显著提高，特别活塞热负荷增加的尤其严重，功率密度和转速的不断提高，活塞头部位置所承受的最高温度达350-400℃，承受的最大爆发压力超过了22mpa，势必导致活塞等与热负荷有关零部件工作条件极度恶化，从而造成活塞的失效，而活塞的失效主要是由热损伤造成的，其主要包括热疲劳和热变形等。要解决活塞的热损伤问题，就首先要知道活塞的热流分配情况，计算机仿真分析法可以较为形象的模拟出活塞的温度分布，但是其分析结果的精确性需要试验验证，才使分析结果更具有说服力。活塞温度的测量是对活塞关键点位置进行的测量，活塞温度测量一是在整机试验中测量，整机试验能够真实的反应出活塞的工作情况，得到的热负荷最为真实，但是整机试验的周期长，成本高，试验样本单一，现在内燃机的研发和更新速度较快，这种方法已经不能满足时下的设计要求。另一种是模拟试验法，这种方法是在内燃机外，对活塞进行加热和冷却来模拟活塞的工作状况，这种法通用性好，能快速、准确的反应出活塞的关键点位置温度分布情况，从而更好的反应出活塞热损伤机理，因此研发出精确的活塞热模拟试验台非常有必要。

通常来讲，研究活塞的热损伤大都是在活塞热疲劳模拟试验台上进行的。采用的加热方式大致可分为(1)激光加热，该种加热方式利用转光片对活塞顶面进行加热，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，设备维修难度大；(2)红外线加热，该种加热方式是利用的热辐射效应，将物体加热到一定温度，使组成该物体的原子最外层的价电子受到激励而发生移动或跃迁，从而产生发光现象，辐射出红外线对物体进行加热，但是该加热方式受到功率的限制，使得不能提供试验机活塞所需要的热流密度。(3)火焰加热，该加热方式是利用燃气燃烧的火焰直接或者间接加热活塞的一种方式，加热方式与活塞的实际情况比较相似。但是该加热方式存在热量分配控制难、燃料更换周期短等诸多不便。然而高频感应加热具有加热功率大、操纵控制简单、对受热件温度场模拟精度好等优点。通过对加热器形状和冷却工装的设计可以准确地模拟活塞的整体温度分布状况。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种活塞温度场模拟试验装置及试验方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种活塞温度场模拟试验装置，包括：蜗轮螺杆式升降装置1、纵横向移动平台2、冷却工装3、计算机4、热电偶温度采集仪5、控制器6、离心鼓风机7、电动风量调节阀8、热敏式风速仪9、活塞10、感应加热器11、高频感应加热设备12和水冷系统13；

所述蜗轮螺杆式升降装置1上安装纵横向移动平台2，纵横向移动平台2上安装冷却工装3，蜗轮螺杆式升降装置1能够控制冷却工装3上下运动，调节纵横向移动平台2能够控制冷却工装3左右运动；所述冷却工装3用于固定活塞10；

计算机4连接热电偶温度采集仪5和控制器6，热电偶温度采集仪5连接冷却工装3，控制器6连接并控制离心鼓风机7和高频感应加热设备12的工作；高频感应加热设备12与水冷系统13连接，水冷系统13对感应加热器11进行冷却。高频感应加热设备12连接感应加热器11；高频感应加热设备12给感应加热器11加热。

所述离心鼓风机7通过气管连接冷却工装3，气管上安装电动风量调节阀8和热敏式风速仪9；

活塞10固定在冷却工装3中，冷却工装3通过蜗轮螺杆式升降装置1和纵横向移动平台2使活塞10的顶面与感应加热器11的距离达到实际工作中加热的距离，由于实现对活塞10顶面有较高的热流输入，则感应加热器11与活塞10之间的距离保持在1mm到2mm之间；

所述冷却工装3的主体由两个对称部分通过螺栓18进行紧固组成，冷却工装3上设有环槽进风口14、裙部进风口15、底部进风口16、裙部出风口17、环槽出风口19、底部出风口20和底部挡板21。

活塞10安装在冷却工装3中，活塞10与冷却工装3的同心，其中两个环槽进风口14和两个环槽出风口19所组成的空气腔体a对应的是对活塞环槽区域的冷却，两个裙部进风口和两个裙部出风口所组成的空气腔体b对应的是对活塞裙部区域的冷却。由底部出风口20和底部挡板21所组成的空气腔体c对应的是活塞底部内腔区域的冷却。

所述的感应加热器11为空心铜管，感应加热器11由环形铜管a26、环形铜管b27和连接铜管28组成，环形铜管a26通过连接铜管28与环形铜管b27连通，环形铜管b27设有出水口24，环形铜管a26设有进水口25；进水口25和出水口24与水冷系统13连接；

感应加热器11安装时需与活塞10保持同心，环形铜管a26贴近于活塞的顶面中心区域23，环形铜管b27贴近于活塞的燃烧室喉口边缘22，高频感应加热设备12工作时，能实现活塞10顶面的燃烧室喉口边缘22和顶面中心区域23为主要的热流输入区域，

在活塞10的燃烧室喉口边缘22上分别均匀布置四个测温点，分别为测温点e、f、g、h。在活塞10的顶面中心区域23按不同径向布置4个测温点，分别为测温点a、b、c、d，其中a点在活塞10的中心，为了实现控制器6对感应加热设备12的控制，可将测温点c设置为温度控制点。在活塞10轴向方向上，针对不同的冷却区域，第一环槽底部设测温点i，第二环槽底部设测温点j，油环槽底部设测温点k，活塞10裙部区域的中心点设测温点l，活塞10裙部区域的底部设有测温点m，而在活塞10的底部布置3个测温点，分别是底部中心点的测温点n与侧面径向布置的测温点o和p。

每个测温点都对应安装一个热电偶，并通过计算机4和热电偶温度采集仪5的配合对活塞10各个区域的温度进行采集和监控；

进一步地，为了防止在感应加热工作过程中感应加热器11与活塞10之间产生短路或大电流拉弧击穿现象，需要在感应加热器11的表面上粘贴有厚度为1mm的耐高温绝缘的玻璃纤维高温布来进行防护。

进一步地，为了使感应加热器11与活塞10的喉口边缘和顶面中心保持均匀的1mm到2mm贴合间隙，针对活塞10的几何尺寸，对环形铜管b27的接触面进行圆角处理，对环形铜管a26的接触面进行圆角处理斜边处理。

进一步地，在测温点安装热电偶时，需要在测温点位置加工直径0.9mm的孔，并将孔的上端扩为直径1mm、深为2mm的沉头孔。然后热电偶紧靠焊点处的部分导线涂沫适量的高温密封胶，以保证活塞10与热电偶之间保持良好的接触，以减少和活塞10表面传热的接触热阻。

本发明还公开了一种活塞温度场模拟试验方法，试验开始时将活塞10固定在冷却工装3中，工装3安装在纵横向移动平台2上，然后通过调节固定活塞10的平台与活塞10顶面之间的距离，使感应加热器11和活塞10顶面的距离达到实际工作中加热的距离，由于实现对活塞10顶面有较高的热流输入，则感应加热器11与活塞10之间的距离比较近。其中可以先调节固定活塞10平台的升降调节机构的四个蜗轮螺杆式升降装置1来实现活塞10的上下运动，然后通过调节纵横向移动平台2的滚珠丝杠来实现平台上的左右移动，或者两种调节机构同时配合调节来实现所需要的感应加热距离。依次打开高频感应加热设备12的总电源和控制器6的电源，通过控制器6对离心鼓风机7和感应加热设备12的控制，开始加热时先通过调节控制器6上的电位器对高频感应加热设备12的高频电压进行调节，从0kv开始调节逐渐增加电压，每次电压增加0.2kv，主要观察热流输入区域的温度值，即温度采集仪5所记录的燃烧室喉口边缘的四个测温点和顶面中心的温度值，以多组不同电压重复试验并记录温度数据，得到加热电压与活塞10顶面特征点温度之间的关系。根据仿真模拟出的活塞10实机工况情况时的所需要的特征点温度分布情况，选定该温度分布情况下温度达到平衡时的加热电压，然后在该电压下，记录达到温度场平衡时活塞10各个区域的温度值。为了实现活塞10环槽、裙部以及底部温度要求，可以调节各个通道的电动风量调节阀，并记录相关区域温度特征点的温度值，得到该特征点在给定加热电压下，温度与电动风量调节阀设置的开合角度之间的关系。采用所选定的加热电压和各个通道电动风量调节阀的开合角度，在加热到活塞10热平衡状态时，得到所需要的活塞10温度梯度。

进一步地，试验过程中，通过热电偶温度采集仪5监测各个区域温度测温点的温度值变化来调节相应通道的调节阀8开合角度，同时记录相应通道的热敏式风速仪9的数值，可得出该开合角度对应的通道内空气的流动速度，由于在冷却腔体中流体流动的起因为强制对流传热，在换热表面的几何因素一定的情况下，冷却空气的流动状态为湍流形式，而风速越大湍流现象也就越加的明显，对流换热系数就越大，造成活塞10壁面温度越低，从而可以建立活塞10的冷却区域特征点的温度值与相应冷却通道的调节阀开合角度之间的关系。

进一步地，而为了控制活塞特定区域冷却能力的强弱，可对电动风量调节阀8进行0°到90°范围内的调节设置。

进一步地，水冷却系统13对感应加热器11的冷却水的温度不宜过高，需要对冷却水的温度控制在34℃。

与现有技术相比本发明的优点在于：

为了保持感应加热与活塞顶面之间有足够的小间隙以达到稳定的热流输入，设计的多自由度调节平台可以对活塞的位置进行柔性调节，以达到所需要的间隙距离。

感应加热器的形状的设计与活塞工作状态下主要热流输入的区域有关，加热器尺寸的设计保证了在活塞燃烧室喉口边缘与活塞顶面中心区域是最大的热流输入。

设计的空气冷却系统实现对活塞的不同区域冷却能力的可控，能够准确的模拟出活塞的热流分配模型。

采用热电偶法测量活塞的温度场。与其它测温方法相比，具有测量范围宽、便于实现多点测量、热惯性小及结构简单等优点。

附图说明

图1：本发明所述的活塞温度场模拟试验装置总体结构示意图；

图2：本发明所述的活塞冷却工装结构示意图；

图3：本发明图2的a-a剖视图；

图4：本发明所述的感应加热器结构示意图和相应的截面剖视图；

图5：本发明所述的感应加热器轴侧视图；

在图中：1-蜗轮螺杆式升降装置；2-纵横向移动平台；3-冷却工装；4-计算机；5-热电偶温度采集仪；6-控制器；7-离心鼓风机；8-可调节风量的调节阀；9-热敏式风速仪；10-活塞；11-感应加热器；12-高频感应加热设备；13-水冷系统；14-环槽进风口；15-裙部进风口；16-底部进风口；17-裙部出风口；18-冷却工装紧固螺栓；19-环槽出风口；20-底部出风口；21-底部挡板；22-活塞燃烧室喉口边缘；23-活塞燃烧室中心区域；24-出水口；25-进水口；26-中心的环形铜管；27-边缘的环形铜管；28-连接铜管；

图6：本发明所述的活塞热电偶温度测温点布置的俯视图；

图7：本发明所述的活塞热电偶温度测温点布置的正视图；

图8：本发明所述的活塞热电偶温度测温点布置的仰视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列结合附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种活塞温度场模拟试验装置，包括：蜗轮螺杆式升降装置1、纵横向移动平台2、冷却工装3、计算机4、热电偶温度采集仪5、控制器6、2.2kw的离心鼓风机7、电动风量调节阀8、热敏式风速仪9、活塞10、感应加热器11、gp100kw高频感应加热设备12和水冷系统13；

所述蜗轮螺杆式升降装置1上安装纵横向移动平台2，纵横向移动平台2上安装冷却工装3，蜗轮螺杆式升降装置1能够控制冷却工装3上下运动，调节纵横向移动平台2能够控制冷却工装3左右运动；所述冷却工装3用于固定活塞10；

计算机4连接热电偶温度采集仪5和控制器6，热电偶温度采集仪5连接冷却工装3，控制器6连接并控制离心鼓风机7和高频感应加热设备12的工作；高频感应加热设备12与水冷系统13连接，水冷系统13对感应加热器11进行冷却。高频感应加热设备12连接感应加热器11；高频感应加热设备12给感应加热器11加热。

所述离心鼓风机7通过气管连接冷却工装3，气管上安装电动风量调节阀8和热敏式风速仪9；

活塞10固定在冷却工装3中，冷却工装3通过蜗轮螺杆式升降装置1和纵横向移动平台2使活塞10的顶面与感应加热器11的距离达到实际工作中加热的距离，由于实现对活塞10顶面有较高的热流输入，则感应加热器11与活塞10之间的距离保持在1mm到2mm之间；

为了防止在感应加热工作过程中感应加热器11与活塞10之间产生短路或大电流拉弧击穿现象，需要在感应加热器11的表面上粘贴有厚度为1mm的耐高温绝缘的玻璃纤维高温布来进行防护。

所述冷却工装3的主体由两个对称部分通过螺栓18进行紧固组成，冷却工装3上设有环槽进风口14、裙部进风口15、底部进风口16、裙部出风口17、环槽出风口19、底部出风口20和底部挡板21。

为了起到冷却工装3对活塞10的各个区域冷却作用。需要将活塞10安装在冷却工装3中，且在安装时要保持活塞10与冷却工装3的同心，由于在活塞10头部温度测温点较多，则热电偶线要在活塞10头部侧面引出，因此在安装时要保持活塞10头部顶面与冷却工装3的端面距离在10mm到15mm，然后用在冷却工装上端和下端安装螺栓18对活塞进行紧固，其中为了起到良好的密封效果，冷却工装的内径与活塞的裙部外圆的直径相等，另外在冷却工装内圆上有两个凹槽，由于凹槽与活塞的外圆之间流通空气，需要设置进风口和出风口，两个进风口和两个出风口分别呈180°对称布置。其中两个环槽进风口14和两个环槽出风口19所组成的空气腔体a对应的是对活塞环槽区域的冷却，两个裙部进风口和两个裙部出风口所组成的空气腔体b对应的是对活塞裙部区域的冷却。由底部出风口20和底部挡板21所组成的空气腔体c对应的是活塞底部内腔区域的冷却。

而为了控制活塞特定区域冷却能力的强弱，可对电动风量调节阀8进行0°到90°范围内的调节设置。

水冷却系统13主要有水泵、闭式冷却塔、管道以及储水箱组成。其中，对感应加热器11的冷却水的温度不宜过高，需要对冷却水的温度控制在34℃左右，对水温的控制主要由闭式冷却塔的内部控制系统完成。

如图4所示，所述的感应加热器11由环形铜管a26、环形铜管b27和连接铜管28组成，环形铜管a26通过连接铜管28与环形铜管b27连通，环形铜管b27设有出水口24，环形铜管a26设有进水口25；进水口25和出水口24与水冷系统13连接；

感应加热器11安装时需与活塞10保持同心，环形铜管a26贴近于活塞的顶面中心区域23，环形铜管b27贴近于活塞的燃烧室喉口边缘22，高频感应加热设备12工作时，能实现活塞10顶面的燃烧室喉口边缘22和顶面中心区域23为主要的热流输入区域。

为了使感应加热器11与活塞10的喉口边缘和顶面中心保持均匀的1mm到2mm贴合间隙，针对活塞10的几何尺寸，对环形铜管b27的接触面进行圆角处理，对环形铜管a26的接触面进行斜边处理。

为了保证感应加热器11与活塞10喉口边缘有更好的贴合间隙，需要根据活塞10喉口边缘的圆角对感应加热器11边缘的环形铜管作圆角处理，其半径值比活塞10喉口边缘圆角半径值大1mm，而活塞10燃烧室中心区域23是凸起的斜面，则感应加热器11中心的环形铜管作斜边处理。

活塞10顶面的热流输入是由感应加热器11来实现的。为了减小高频电流的流动损失，就必须降低感应加热器11材料的高频电阻。由于铜的电阻系数较小，因此可以采用铜做高频载流体即感应加热器11的材料，试验中为了便于通水冷却，选用空心铜管做高频载体，而矩形截面铜管的冷却效果更好。再用铜制螺栓将感应加热器11与高频变压器连接以保证其强度。在发动机工作状态下，活塞的燃烧室喉口边缘22和活塞10的顶面中心区域23是温度最高的区域，因此，为了实现此区域是主要的热流输入，感应加热器11在活塞10喉口边缘和顶面中心保持距离最近，由于集肤效应的存在，感应加热器11所覆盖的区域磁场是最强的，能量最为密集，此表层的热量主要来源为电磁感应涡流中的焦耳热，最高温度也产生在此区域，热流输入亦最多。

如图5所示，结合活塞10的结构特点，为了准确反映活塞10顶面的温度分布情况，在活塞10燃烧室喉口边缘22上分别均匀布置四个测温点，分别为测温点e、f、g、h。在顶面中心区域23按不同径向布置4个测温点，分别为测温点a、b、c、d，其中a点在活塞10的中心，为了实现控制器6对感应加热设备12的控制，可将测温点c设置为温度控制点。在活塞10轴向方向上，针对不同的冷却区域，第一环槽底部设测温点i，第二环槽底部设测温点j，油环槽底部设测温点k，活塞10裙部区域的中心点设测温点l，活塞10裙部区域的底部设有测温点m，而在活塞10的底部布置3个测温点，分别是底部中心点的测温点n与侧面径向布置的测温点o和p。

每个测温点都对应安装一个热电偶，并通过计算机4和热电偶温度采集仪5对活塞10各个区域的温度进行采集和监控；

本试验采用热电偶法测量活塞10的温度场。与其它测温方法相比，热电偶具有测量范围宽、便于实现多点测量、热惯性小及结构简单等优点。在安装热电偶时，为了保护热电偶导线的绝缘层，常常在导线外套装直径为1mm的聚四氟乙烯细管。为了得出准确的热流分配模型，需要对活塞10顶面、环岸环槽、裙部以及底部多个位置布置热电偶来采集温度值。加热的控制主要由控制器6来完成。首先要选取出一个热电偶的位置为温度参考点，即测温点c，由该参考点的温度值来控制加热，控制模式为温度控制。通过调节控制器上面的高压调节电位器来控制加热的时间。

在测温点安装热电偶时，需要在测温点位置加工直径0.9mm的孔，并将孔的上端扩为直径1mm、深为2mm的沉头孔。然后热电偶紧靠焊点处的部分导线涂沫适量的高温密封胶，以保证活塞10与热电偶之间保持良好的接触，以减少和活塞10表面传热的接触热阻。

试验开始时将活塞10固定在冷却工装3中，工装3安装在纵横向移动平台2上，然后通过调节固定活塞10的平台与活塞10顶面之间的距离，使感应加热器11和活塞10顶面的距离达到实际工作中加热的距离，由于实现对活塞10顶面有较高的热流输入，则感应加热器11与活塞10之间的距离比较近。其中可以先调节固定活塞10平台的升降调节机构的四个蜗轮螺杆式升降装置1来实现活塞10的上下运动，然后通过调节纵横向移动平台2的滚珠丝杠来实现平台上的左右移动，或者两种调节机构同时配合调节来实现所需要的感应加热距离。依次打开高频感应加热设备12的总电源和控制器6的电源，通过控制器6对离心鼓风机7和感应加热设备12的控制，开始加热时先通过调节控制器6上的电位器对高频感应加热设备12的高频电压进行调节，从0kv开始调节逐渐增加电压，每次电压增加0.2kv，主要观察热流输入区域的温度值，即温度采集仪5所记录的燃烧室喉口边缘的四个测温点和顶面中心的温度值，以多组不同电压重复试验并记录温度数据，得到加热电压与活塞10顶面特征点温度之间的关系。根据仿真模拟出的活塞10实机工况情况时的所需要的特征点温度分布情况，选定该温度分布情况下温度达到平衡时的加热电压，然后在该电压下，记录达到温度场平衡时活塞10各个区域的温度值。为了实现活塞10环槽、裙部以及底部温度要求，可以调节各个通道的电动风量调节阀，并记录相关区域温度特征点的温度值，得到该特征点在给定加热电压下，温度与电动风量调节阀设置的开合角度之间的关系。采用所选定的加热电压和各个通道电动风量调节阀的开合角度，在加热到活塞10热平衡状态时，得到所需要的活塞10温度梯度。

试验过程中，通过热电偶温度采集仪5监测各个区域温度测温点的温度值变化来调节相应通道的调节阀8开合角度，同时记录相应通道的热敏式风速仪9的数值，可得出该开合角度对应的通道内空气的流动速度，由于在冷却腔体中流体流动的起因为强制对流传热，在换热表面的几何因素一定的情况下，冷却空气的流动状态为湍流形式，而风速越大湍流现象也就越加的明显，对流换热系数就越大，造成活塞10壁面温度越低，从而可以建立活塞10的冷却区域特征点的温度值与相应冷却通道的调节阀开合角度之间的关系。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。