CN107917797A - 一种活塞热疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞热疲劳试验装置，包括支撑架、非标活塞工装、被试活塞、冷却水支管、隔热板和冷却水总管；通过非标活塞工装完全模拟被试活塞在实际装配情况下所受的机械约束，通过冷却管路配合隔热板和外部加热器完全模拟被试活塞在实际工作情况下的温度场，通过支撑架和工装的灵活搭配，可实现对不同数目活塞的热疲劳试验。本发明所述的活塞热疲劳试验装置能够充分模拟活塞的实机装配情况和冷却环境，能够根据被试活塞数量灵活调整排布情况，合理控制活塞热疲劳试验的进度，优化使用能源，极大提高了活塞热疲劳试验结果的可信程度。

Description

一种活塞热疲劳试验装置

技术领域

本发明属于发动机检测技术领域，尤其是涉及一种活塞热疲劳试验装置。

背景技术

活塞是发动机中工况最恶劣的零部件之一，而随着发动机强化程度的提高，特别是增压等技术的普及发展，活塞的热负荷和机械负荷日益增大，直接影响到其使用寿命。为了更好地对活塞进行研发设计，必须准确评估活塞在工作中的热状态和热疲劳可靠性。

现有的活塞热疲劳试验装置，被试活塞通常处于自由态，当产生热变形时并未产生与实际工况相符合的热应力，仅考虑了活塞内部的热应力，降低了疲劳试验的可信度。同时，现有的活塞热疲劳试验装置的冷却通常都是外部冷却，通过外部喷水或喷气的方式，使活塞头部进行冷却，这样的冷却方式不仅效率较低，也与实际工况下的冷却方式不符合，会导致试验所得热疲劳寿命与实际热疲劳寿命之间出现误差。除此之外，现有的活塞热疲劳试验装置结构都比较固定，多数只能进行单个活塞的试验，而可进行多个活塞同时试验的装置又不能灵活调整被试活塞数量，存在着浪费试验资源的情况，未能达到良好的资源利用率，增加了试验成本。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种活塞热疲劳试验装置，能够减小模拟试验状态和实际工作状态的差异，真实模拟活塞的实际工作情况下的装配情况及热状态，并能够快速充分冷却，加快试验进程。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种活塞热疲劳试验装置包括支撑架和设置在支撑架上的非标活塞工装、被试活塞、冷却水支管、隔热板、冷却水总管；所述被试活塞装配活塞环后装入非标活塞工装内，冷却水总管包括冷却水进水总管和冷却水出水总管，冷却水进水总管和冷却水出水总管上均设有若干外螺纹进出水口，部分外螺纹进出水口与冷却水支管相连，剩余外螺纹进出水口由内螺纹堵头进行密封，所述的非标活塞工装和被试活塞都具有与外界相连的冷却水内腔，非标活塞工装和被试活塞的冷却水内腔的进水口通过冷却水支管与冷却水进水总管相连，出水口通过冷却水支管与冷却水出水总管相连，冷却水进水总管和冷却水出水总管与试验***恒温冷却水路相连构成循环管路，外部***通过水泵驱动冷却水循环；所述的隔热板固定在支撑架底部活塞头部方向，隔热板的开孔位置和尺寸与活塞的位置尺寸相对应。

优选的，所述的活塞热疲劳试验装置还包括假活塞销，假连杆小头端和假连杆固定端，假活塞销***被试活塞销孔中，假连杆小头端端部为空心圆孔，假活塞销穿过被试活塞销孔和假连杆销孔固定，假连杆固定端通过螺栓连接与假连杆小头端及非标活塞工装形成固定连接，对被试活塞进行固定。所述的假活塞销、假连杆小头端和假连杆固定端均与被试活塞匹配的活塞销、连杆小头端和连杆固定端结构相同，只是为粗加工而成，仅用于试验。使得试验过程中约束方式与被试活塞在相应气缸中所受约束完全相同，活塞环装配位置与实机状态相同。

优选的，所述的非标活塞工装的冷却水腔为环形，位于活塞环外侧位置。冷却水腔横截面可以为矩形，在不同设计中，横截面可变换为不同形状。

优选的，所述的支撑架又空心型钢和角钢组装而成，使用螺栓固定，冷却水总管通过相应的支架固定于支撑架上，非标活塞工装通过与支撑架上的定位孔配合，用螺栓固定在支撑架上，所述支撑架通过螺栓固定到试验台架上。可承载更大载荷，也能够在平动和转动时不会产生位移。

优选的，所述的非标活塞工装的外壁设有工装螺堵，其螺纹孔与冷却水腔相通。工装螺堵用于在工作状态下对该孔进行密封，在试验结束或调整装置时拧开工装螺堵，通过该孔排出非标活塞工装中剩余的冷却水。

本发明所述的活塞热疲劳试验装置能够充分模拟活塞的实机装配情况，模拟出实际工作过程中的机械约束，能够由燃气燃烧对活塞进行加热，通过隔热板限制只有活塞火力面受热，配合工装确保活塞热量传递途径与实际工作情况相同，只能通过两个途径传播，其一是通过活塞环传递至虚拟缸套，其二是直接由火力面传导至活塞内冷却水腔，两部分的热量最终都由冷却水循环***带走。

所述非标活塞工装完全复制实际工况下气缸对活塞的机械约束，由内外两部分空心圆柱形主体过盈配合而成，通过螺栓紧定，内部空心圆柱形主体内圈尺寸与被试活塞对应的气缸内圈尺寸相同，与装上活塞环后的被试活塞形成过盈配合。活塞工装内圈的约束，使被试活塞通过活塞环所承受的机械约束与实际工况相同，在进行热疲劳试验时，所产生的热应力也与实际工况下相同。

被试活塞工装通过冷却水腔配合冷却水循环维持工装温度处于稳定值，模拟被试活塞实际工况下的气缸温度，所述非标活塞工装内外两部分圆柱形主体之间设计有环形冷却水腔，能够对工装整体进行充分冷却，隔绝工装受外界加热和持续通入外部恒温冷却水的情况下，使工装温度一直与实际工况下气缸温度相同。所述环形冷却水腔通过装配O型硅胶密封圈进行密封，工装上端面布置两个中心对称的直孔直达冷却水腔，孔内加工内螺纹，安装外螺纹接头，与冷却水支管相连，完成恒温冷却水循环。同时，在工装外表面打通与冷却腔相连的排水口，用于试验结束后排出工装中的残余冷却水，工作中排水口通过螺堵进行密封。

本装置支撑架上的工装数目可以为三个或少于三个，只对一个活塞或两个活塞进行试验，对应的，对一个或两个活塞进行试验时候，工装的位置布置和冷却水支路的布置也有对应的方案，使负荷对称，冷却充分。具体实施方式为：对一个活塞进行试验时，只在支撑架的中间工位装配工装，装入活塞，只将中间工位连入冷却水循环***中，屏蔽其他冷却水支路。对两个活塞进行试验时，只在支撑架的左右两边工位装配工装，装入活塞，只将左右两边工位连入冷却水循环***中，屏蔽中间工位冷却水支路。对三个活塞进行试验时，所有工位都投入使用，所有冷却水支路都接入，然后进行试验。

所述支撑架底部设计有一块隔热板，隔热板为大小与支撑架底面相同的厚金属板，在板上对应活塞工装中被试活塞的位置开圆孔，圆孔尺寸与被试活塞端面尺寸相同，且通过螺栓配合长垫片装配到工装定位孔上，孔的位置与活塞端面位置重合，燃烧器从垂直于支撑架底面方向对底面进行加热，通过这样的方式可将燃气火焰燃烧的热量收束到只对活塞火力面进行加热，而与活塞火力面平齐的非标活塞工装下端面不会受到火焰的直接加热，保证了机械约束的可靠性与热应力的真实性。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

1)本发明所述的一种活塞热疲劳试验装置，在对被试活塞进行热疲劳测试的时候，能够充分模拟活塞所受的机械约束，预紧状态与实机一致，温度状态和实机一致，使被试活塞试验时的热应力状态与实际工况一致。

2)本发明所述的活塞热疲劳试验装置，对活塞的冷却是通过向活塞内部冷却水道通入冷却水实现的，相比于现有的试验装置，这样的冷却方式更为可靠，冷却效率也更高，配合工装的冷却水腔布置，能够模拟出被试活塞工装时的温度场分布，更有利于研究被试活塞的热应力状态。

3)本发明所述的活塞热疲劳试验装置，所使用的非标活塞工装与支撑架相互配合，可以实现最多三个活塞，最少一个活塞的热疲劳试验，灵活性强，有利于合理安排试验计划。

4)本发明所述的活塞热疲劳试验装置，其冷却***中的支路水管可根据实际试验情况自行拆装，有对应堵头可以选择性屏蔽某一支路，可以结合实际工况灵活使用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，被发明的示意性实施及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。附图中：

图1为本发明所述的活塞热疲劳试验装置总体结构示意图；

图2为本发明所述的非标活塞工装示意图，左图为俯视图，右图为A-A剖视图；

图3为本发明所述的隔热板示意图；

附图标记说明：1-支撑架；2-冷却水总管；3-冷却水支管；4-被试活塞；5-内螺纹堵头；6、7-非标活塞工装；8-工装冷却水腔；9-假连杆小头端10-假活塞销；11-工装螺堵；12-假连杆固定端；13-隔热板。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细表述，但不作为对本发明的限定。

如图1-3所示，一种活塞热疲劳试验装置包括支撑架1和设置在支撑架1上的非标活塞工装6、被试活塞4、冷却水支管3、隔热板、冷却水总管2；所述被试活塞4装配活塞环后装入非标活塞工装6内，冷却水总管2包括冷却水进水总管和冷却水出水总管，冷却水进水总管和冷却水出水总管上均设有若干外螺纹进出水口，部分外螺纹进出水口与冷却水支管3相连，剩余外螺纹进出水口由内螺纹堵头5进行密封，所述的非标活塞工装和被试活塞都具有与外界相连的冷却水内腔，非标活塞工装和被试活塞的冷却水内腔的进水口通过冷却水支管3与冷却水进水总管相连，出水口通过冷却水支管3与冷却水出水总管相连，冷却水进水总管和冷却水出水总管与试验***恒温冷却水路相连构成循环管路；所述的隔热板固定在支撑架底部活塞头部方向，隔热板的开孔位置和尺寸与活塞的位置尺寸相对应。所述的活塞热疲劳试验装置还包括假活塞销10，假连杆小头端9和假连杆固定端12，假活塞销10***被试活塞销孔中，假连杆小头端9端部为空心圆孔，假活塞销穿过被试活塞销孔和假连杆销孔固定，假连杆固定端12通过螺栓连接与假连杆小头端9及非标活塞工装7形成固定连接，对被试活塞进行固定。所述的假活塞销、假连杆小头端9和假连杆固定端12均与被试活塞匹配的活塞销、连杆小头端9和连杆固定端12结构相同，只是为粗加工而成，用于试验目的。使得试验过程中约束方式与被试活塞在相应气缸中所受约束完全相同，活塞环装配位置与实机状态相同。

如图3所示，所述支撑架底部设计有一块隔热板，隔热板为大小与支撑架底面相同的厚金属板，在板上对应活塞工装中被试活塞的位置开圆孔，圆孔尺寸与被试活塞端面尺寸相同，且通过螺栓配合长垫片装配到工装定位孔上，孔的位置与活塞端面位置重合，燃烧器从垂直于支撑架底面方向对底面进行加热，通过这样的方式可将燃气火焰燃烧的热量收束到只对活塞火力面进行加热，而与活塞火力面平齐的非标活塞工装下端面不会受到火焰的直接加热，保证了机械约束的可靠性与热应力的真实性。

本实施例的工作过程如下：

底部火焰从活塞头部方向对进行加热，通过隔热板将火焰限制为只加热活塞，冷却水由试验***提供，通过进水法兰进入一侧冷却水总管，经过冷却水总管分流后进入冷却水支管，然后进入非标活塞工装和被试活塞的内部冷却水腔，再从另一侧的冷却水支管流出，在另一侧的冷却水总管汇流后从法兰接口流出，进入试验***冷却水循环水路，实现对活塞和工装的冷却。试验过程中，火焰加热的时间和强度，冷却水的温度和流量，都可在试验台***内进行调节。每一次加热和冷却过程算作一个热状态的循环，可以设置经过规定次数的循环后暂停试验，检查被试活塞4是否出现损伤，直至被试活塞4出现失效或满足试验循环次数为止。

Claims (5)

1.一种活塞热疲劳试验装置，其特征在于包括支撑架(1)和设置在支撑架(1)上的非标活塞工装(6)、被试活塞(4)、冷却水支管(3)、隔热板(13)、冷却水总管(2)；

所述的被试活塞(4)装配活塞环后装入非标活塞工装(6)内，冷却水总管(2)包括冷却水进水总管和冷却水出水总管，冷却水进水总管和冷却水出水总管上均设有若干外螺纹进出水口，部分外螺纹进出水口与冷却水支管(3)相连，剩余外螺纹进出水口由内螺纹堵头(5)进行密封，所述的非标活塞工装和被试活塞都具有与外界相连的冷却水内腔，非标活塞工装和被试活塞的冷却水内腔的进水口通过冷却水支管(3)与冷却水进水总管相连，出水口通过冷却水支管(3)与冷却水出水总管相连，冷却水进水总管和冷却水出水总管与试验***恒温冷却水路相连构成循环管路；所述的隔热板固定在支撑架底部活塞头部方向，隔热板的开孔位置和尺寸与活塞的位置尺寸相对应。

2.根据权利要求1所述的活塞热疲劳试验装置，其特征在于还包括假活塞销(10)，假连杆小头端(9)和假连杆固定端(12)，假活塞销(10)***被试活塞销孔中，假连杆小头端(9)端部为空心圆孔，假活塞销穿过被试活塞销孔和假连杆销孔固定，假连杆固定端(12)通过螺栓连接与假连杆小头端(9)及非标活塞工装(7)形成固定连接，对被试活塞进行固定。

3.根据权利要求1所述的活塞热疲劳试验装置，其特征在于所述的非标活塞工装(6)的冷却水腔为环形，位于活塞环外侧位置。

4.根据权利要求1所述的活塞热疲劳试验装置，其特征在于所述的支撑架由空心型钢和角钢组装而成，使用螺栓固定，冷却水总管通过相应的支架固定于支撑架上，非标活塞工装通过与支撑架上的定位孔配合，用螺栓固定在支撑架上，所述支撑架通过螺栓固定到试验台架上。

5.根据权利要求1所述的活塞热疲劳试验装置，其特征在于所述的非标活塞工装的外壁设有工装螺堵(11)，其螺纹孔与冷却水腔相通。