[發(fā)明專利]激光加熱活塞熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

在審

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• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN107941516A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐熠;劉旭;董晶瑾
• 申請（專利權(quán)）人: 中船動力研究院有限公司
• 主分類號: G01M15/00
• 分類號: G01M15/00;G01N3/60
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)31317
• 代理人: 張寧展

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)的活塞，特別是一種激光加熱活塞熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

活塞在實(shí)際工作中，主要承受爆發(fā)壓力所產(chǎn)生的交變載荷以及燃燒火焰產(chǎn)生的熱載荷。因此，在活塞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證其具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度。而在實(shí)際工作過程中，活塞的失效一般以熱損傷為主，即活塞頂部的燒蝕損傷。因此在活塞的疲勞失效分析中，以其熱疲勞失效機(jī)理分析和熱強(qiáng)度的提升為主。為準(zhǔn)確評估活塞的熱狀態(tài)和疲勞強(qiáng)度，必須對活塞進(jìn)行熱疲勞的可靠性試驗(yàn)。

現(xiàn)階段的活塞熱疲勞試驗(yàn)臺，采用的加熱方式大致可分為：

1)、電磁加熱：該種加熱方式雖然具有相應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但具有慣性大、干擾強(qiáng)、非線性的缺點(diǎn)，且只能對鑄鐵類零件加熱，對鋁合金類零件不適用；

2)、火焰加熱：該種加熱方式以氣態(tài)燃料(如液化氣、天然氣等)為燃燒介質(zhì)，設(shè)備簡單，但存在因氣體泄漏而引起的安全隱患、熱量分配控制難、燃料更換周期短等缺點(diǎn)。

通過透鏡聚焦激光，可將能量集中到一定面積上，產(chǎn)生巨大的熱量，可以作為很好的熱源。同時(shí)激光具有高可控性，通過系統(tǒng)自帶的軟件可以方便的設(shè)置激光脈沖的周期、占空和波形，從而準(zhǔn)確的控制活塞表面的溫度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述活塞熱疲勞損傷導(dǎo)致活塞失效的問題，提出一種激光加熱活塞熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法，該系統(tǒng)采用激光器進(jìn)行活塞的熱負(fù)荷模擬，可以更為真實(shí)地模擬活塞的熱疲勞現(xiàn)象，為研究活塞熱疲勞機(jī)理提供了有效的方法與手段。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種激光加熱活塞熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，包括激光加熱系統(tǒng)、強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于：

所述的測量系統(tǒng)，包括試件臺，在該試件臺的正上方為安裝臺，裝有紅外測溫儀、CCD相機(jī)，所述的紅外測溫儀、CCD相機(jī)的輸出端經(jīng)信號線與顯示電腦相連，在所述的試件臺上放置活塞試件；

所述的激光加熱系統(tǒng)包括激光器，位于活塞試件正上方；所述的激光器由控制電腦控制運(yùn)行；

所述的控制系統(tǒng)包括控制電腦、單片機(jī)和激光器自帶PLC控制模塊；

所述的強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)包括水冷系統(tǒng)與風(fēng)冷系統(tǒng)；所述的水冷系統(tǒng)包括水池、水泵、水管、冷卻水回路電磁閥、溢流閥、水箱、固定及活動裝置構(gòu)成水冷系統(tǒng)，通過水泵從水池抽水至所述的水箱，所述的水箱經(jīng)由冷卻水回路、冷卻水回路電磁閥調(diào)節(jié)水壓，冷卻水經(jīng)水管進(jìn)入所述的活塞試件內(nèi)腔，所述的單片機(jī)觸發(fā)冷卻水回路電磁閥將冷卻水噴至活塞試件的內(nèi)腔頂面進(jìn)行冷卻；

所述的風(fēng)冷系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、壓縮空氣管路電磁閥、氣管、固定及活動裝置構(gòu)成風(fēng)冷系統(tǒng)，所述的壓縮空氣管路電磁閥由單片機(jī)控制通斷，所述的空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣由氣管輸送到活塞試件的頂面進(jìn)行冷卻。

所述的活塞試件包括安裝活塞的假缸體活塞工裝，用于對試件施加不同的約束方式，以模擬真實(shí)受力情況。

采用上述激光加熱活塞熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)對活塞的試驗(yàn)方法，包括下列步驟：

1)加熱：根據(jù)柴油機(jī)啟動前缸套水溫設(shè)定啟動時(shí)活塞整體溫度為T_1,min，根據(jù)活塞頂面最高溫度設(shè)定為加熱過程結(jié)束溫度為T_1,max，由加熱過程所施加的激光功率計(jì)算得到加熱時(shí)間t1；

2)保溫：根據(jù)加熱時(shí)間t1設(shè)置保溫時(shí)間t2＝t1，以保持活塞溫度場穩(wěn)定狀態(tài)，在保溫過程中，根據(jù)加熱、冷卻系統(tǒng)所能達(dá)到的功率疊加一定頻率的高周熱疲勞，并設(shè)定溫度波動幅值為T_h，min～T_h，max；

3)冷卻：通過風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)快速冷卻活塞，以模擬活塞從穩(wěn)態(tài)工況至停機(jī)的過程，通過調(diào)整冷卻效果來控制冷卻時(shí)間t3的大??；

4)返回步驟1)，重復(fù)加熱-保溫-冷卻循環(huán)過程，總循環(huán)周期達(dá)到3000次自動停機(jī)，循環(huán)過程中，實(shí)時(shí)檢測活塞試件表面裂紋情況，檢測到長度大于10mm，寬度大于0.3mm裂紋時(shí)自動停機(jī)，并保存數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、試驗(yàn)系統(tǒng)采用激光加熱方式，能準(zhǔn)確的控制活塞表面熱負(fù)荷，可控性高。

2、試驗(yàn)系統(tǒng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷和強(qiáng)制水冷兩種冷卻方式，能更為準(zhǔn)確地模擬活塞加熱過程，迅速冷卻活塞，從而縮短冷卻時(shí)間。

3、試驗(yàn)系統(tǒng)包括假缸體活塞工裝，采用與實(shí)際缸體一致結(jié)構(gòu)材料、材料，假缸體內(nèi)也留有冷卻水通道，確?；钊臒崞谠囼?yàn)結(jié)果更加接近真實(shí)工作狀況。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)平面示意圖。