考虑预紧力的缸盖热冲击试验台及其方法

摘要

本发明公开了一种考虑预紧力的缸盖热冲击试验台及其方法。包括试验装置和控制系统，其中试验装置包括待测缸盖、螺栓、气门机构、红外加热器、隔热垫、缸垫、感应加热线圈、假机体、固定用台架、感应加热器控制系统、红外加热器控制系统、水泵、水箱、加热器、温控器等；待测缸盖上加装气门机构，待测缸盖、隔热垫、缸垫、假机体顺次相连，并通过螺栓固定，待测缸盖前后两侧设置红外加热器，假机体内设有感应加热线圈，待测缸盖经水管与水箱连接，由水泵驱动，对待测缸盖进行强制水冷，试验装置由控制系统控制。本发明考虑了预紧力作为机械约束，可以更真实地模拟实际工况，准确研究分析缸盖的热疲劳、热冲击状态，从而提高试验结果的可信度。

权利要求

1.一种考虑预紧力的缸盖热冲击试验台，其特征在于包括试验装置和控制系统，其中试验装置包括第一旋钮开关（1）、待测缸盖（2）、螺栓（3）、气门机构（4）、红外加热器（5）、隔热垫（6）、缸垫（7）、感应加热线圈（8）、假机体（9）、固定用台架（10）、感应加热器控制系统（11）、红外加热器控制系统（12）、水泵（13）、出水管（14）、水箱（15）、加热器（16）、第二旋钮开关（17）、电线（18）、进水管（19）、回流管（20）、溢水管、第一手柄开关（21）、进水电磁阀（22）、第二手柄开关（23）、温控器（24）和热电偶；待测缸盖（2）上加装气门机构（4），待测缸盖（2）、隔热垫（6）、缸垫（7）、假机体（9）顺次相连，并通过螺栓（3）固定，待测缸盖（2）前后两侧设置红外加热器（5），假机体（9）内设有感应加热线圈（8），假机体（9）放置在固定用台架（10）上，红外加热器（5）与红外加热器控制系统（12）相连，水箱（15）内设有加热器（16）、温控器（24），加热器（16）经温控器（24）与可编程控制器相连，水箱（15）出水口经出水管（14）与待测缸盖（2）进水口相连，出水管（14）上设有水泵（13）、第一旋钮开关（1），水箱（15）回流管与待测缸盖（2）出水口相连，来自进水管的水分为两路，一路通往感应加热线圈（8），另一路经第一手柄开关（21）、进水电磁阀（22）控制，流入水箱（15），溢水管分为两路，一路通往水箱（15）上端的溢水口，另一路经第二手柄开关（23）连至水箱（15）下端，感应加热线圈（8）经电线（18）与感应加热器控制系统（11）相连，感应加热线圈（8）经回流管（20）与水箱（15）回流口相连，在进水管（19）上设有第二旋钮开关（17），待测缸盖（2）上设有热电偶，热电偶通过信号线依次连接至控制系统，感应加热器控制系统（11）和红外加热器控制系统（12）分别与可编程控制器相连，试验装置由控制系统控制；

所述的控制系统包括温度变送器、第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、继电器、可编程控制器、通讯模块、PC机、打印机、显示器；可编程控制器分别与第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、继电器、通讯模块相连，温度变送器分别与第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块相连，通讯模块与PC机相连，PC机与打印机、显示器相连。

说明书

考虑预紧力的缸盖热冲击试验台及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及考虑预紧力热冲击试验台，尤其涉及一种考虑预紧力的缸盖热冲击试验台及其方法。

背景技术

[0002] 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，发动机缸盖的热负荷和机械负荷问题日益突出，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，缸盖等受热部件大多同时承受交变热负荷和受预紧力约束引起的机械负荷的双重考验，比较容易出现热裂、烧损现象。缸盖的可靠性主要受热疲劳、热冲击、高温蠕变和机械疲劳等因素的综合作用和影响，缸盖在铸造过程中存在的不可避免的微小裂纹会在交变热应力和机械运动过程中，产生应力集中，进而在靠近火力面侧或火力表面上产生裂纹，并逐步扩展以致断裂，严重威胁内燃机的可靠性和安全性。如何综合考虑各种因素影响，在温度场及热应力的基础上综合考虑各种机械应力的耦合效应已成为目前发动机设计的热点。

[0003] 预紧力作为缸盖在正常工况下受到的主要应力，其大小将对缸盖的工作寿命产生不可忽略的影响。当发动机缸盖螺栓预紧力过小时，会使缸盖因为压不紧缸垫而导致从缸垫处漏气、漏油，并降低发动机的压缩比，使得发动机的动力性、经济性、工作可靠性下降。当预紧力过大时，容易使得螺栓产生永久的拉伸变形，预紧力反而下降，甚至造成滑扣或折断现象，且缸体螺纹易受损伤，从而影响缸体与机体的密封性。

[0004] 内燃机零部件的先期试验研究是内燃机产品开发的根本。热冲击模拟试验是模拟受热件的温度场，分析其所能承受的最大热应力、热应变及热疲劳寿命的有效手段之一。而缸盖的损伤问题更多的表现由于部件所承受的热负荷产生的，所以，热冲击模拟试验是研究缸盖可靠性的重要方法，只有真实地模拟缸盖温度场，才能准确评价其抗热负荷性能。因此设计成熟完备的热冲击试验系统，得出符合实际工况下的缸盖热疲劳、热冲击过程，已成为现代汽车行业的又一大重要课题。但是，目前零部件结构强度研究方面，预紧力只被应用于检测内燃机零部件的机械疲劳中，在热模拟试验中并没有涉及到，而内燃机缸盖在正常工况下是必然承受预紧力的。这种对预紧力影响的忽略，会造成与实际工况之间的误差，在有限元仿真计算中也发现了预紧力的约束对部件热变形产生影响，因此，缸盖热冲击模拟试验过程中忽略预紧力的约束会大大降低试验结果的可信度。

[0005] 基于以上原因，考虑预紧力的缸盖热疲劳、热冲击试验系统的研制对于更真实地模拟实际工况，准确研究分析缸盖的热状态，填补目前热疲劳、热冲击试验系统的科研盲点，对改进缸盖的设计，改善内燃机及其它构件工作可靠性和整体性能，提高经济效益等都具有重要意义。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种考虑预紧力的缸盖热冲击试验台及其方法。

[0007] 为解决该技术问题，本发明的技术方案是：

[0008] 考虑预紧力的缸盖热冲击试验台，包括试验装置和控制系统，其中试验装置包括第一旋钮开关、待测缸盖、螺栓、气门机构、红外加热器、隔热垫、缸垫、感应加热线圈、假机体、固定用台架、感应加热器控制系统、红外加热器控制系统、水泵、出水管、水箱、加热器、第二旋钮开关、电线、进水管、回流管、第一手柄开关、进水电磁阀、第二手柄开关、温控器和热电偶；待测缸盖上加装气门机构，待测缸盖、隔热垫、缸垫、假机体顺次相连，并通过螺栓固定，待测缸盖前后两侧设置红外加热器，假机体内设有感应加热线圈，假机体放置在固定用台架上，红外加热器与红外加热器控制系统相连，水箱内设有加热器、温控器，加热器经温控器与可编程控制器相连，水箱出水口经出水管与待测缸盖进水口相连，出水管上设有水泵、第一旋钮开关，水箱回流管与待测缸盖出水口相连，来自进水管的水分为两路，一路通往感应加热线圈，另一路经第一手柄开关、进水电磁阀控制，流入水箱，溢水管分为两路，一路通往水箱上端的溢水口，另一路经第二手柄开关连至水箱下端，感应加热线圈经电线与感应加热器控制系统相连，感应加热线圈经回流管与水箱回流口相连，在进水管上设有第二旋钮开关，待测缸盖上设有的热电偶，热电偶通过信号线依次连接至试验台控制系统，感应加热器控制系统和红外加热器控制系统分别与可编程控制器相连，试验装置由控制系统控制。

[0009] 所述的控制系统包括温度变送器、第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、继电器、可编程控制器、通讯模块、PC机、打印机、显示器；可编程控制器分别与第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、继电器、通讯模块相连，温度变送器分别与第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块相连，通讯模块与PC机相连，PC机与打印机、显示器相连。

[0010] 所述试验台的考虑预紧力的缸盖热冲击试验方法，包括如下步骤：

[0011] 1）将4个热电偶分别焊接在待测缸盖进排气门口附近靠近前后两侧面处、喷油嘴附近、鼻梁区中间位置处；

[0012] 2）选取一块长度和宽度尺寸分别与待测缸盖的长度和宽度尺寸相同的长方体铸铁制作假机体，在与待测缸盖进行螺栓连接处铸有螺纹孔，将假机体中部正对待测缸盖火力面处，以火力面为底圆，将假机体以圆柱体形式打穿，加装隔热垫、缸垫后，用螺栓与待测缸盖连接；

[0013] 3）在螺栓上施加与待测缸盖相等大小的预紧力；

[0014] 4）选择平面螺线式感应加热头，制作两个独立的半环形缠绕方式的感应线圈；

[0015] 5）在PC机上设置控制模式、试验编号、待测缸盖参数、循环次数、基础温度、待测缸盖加热温度或加热时间、待测缸盖冷却温度或冷却时间、冷却水温度、数据存储间隔； [0016] 6）开启红外加热器，当待测缸盖加热至设置的基础温度后，感应加热线圈通电，继续加热待测缸盖，当热电偶检测到待测缸盖的温度达到所设置的最高控制温度时，或达到加热时间时，则可编程控制器发出信号，感应加热线圈断电，启动水泵工作，将待测缸盖冷却至基础温度，或达到冷却时间后，可编程控制器发出信号立即关闭水泵，停止冷却水循环，至此完成一次工作循环；如此重复上述循环动作，直至设定循环次数。

[0017] 本发明提出了可以替代目前缸盖热冲击试验的实机考核系统。特别是目前阶段，热模拟试验都没有考虑机械约束的影响，本发明引入了预紧力作为机械约束，可以更真实地模拟实际工况，准确研究分析缸盖的热疲劳、热冲击状态，从而提高试验结果的可信度。

附图说明

[0018] 图1为考虑预紧力的缸盖热冲击试验台结构示意图；

[0019] 图2为本发明的感应线圈缠绕方式示意图；

[0020] 图3为本发明的感应加热示意图；

[0021] 图4为本发明的冷却示意图；

[0022] 图5为本发明的控制系统示意图；

[0023] 图中：第一旋钮开关1、待测缸盖2、螺栓3、气门机构4、红外加热器5、隔热垫6、缸垫7、感应加热线圈8、假机体9、固定用台架10、感应加热器控制系统11、红外加热器控制系统12、水泵13、出水管14、水箱15、加热器16、第二旋钮开关17、电线18、进水管19 、回流管20、第一手柄开关21、进水电磁阀22、第二手柄开关23、温控器24。

具体实施方式

[0024] 如图1、3、4所示，考虑预紧力的缸盖热冲击试验台包括试验装置和控制系统，其中试验装置包括第一旋钮开关1、待测缸盖2、螺栓3、气门机构4、红外加热器5、隔热垫6、缸垫7、感应加热线圈8、假机体9、固定用台架10、感应加热器控制系统11、红外加热器控制系统12、水泵13、出水管14、水箱15、加热器16、第二旋钮开关17、电线18、进水管19、回流管20、第一手柄开关21、进水电磁阀22、第二手柄开关23、温控器24和热电偶；

[0025] 待测缸盖2上加装气门机构4，待测缸盖2、隔热垫6、缸垫7、假机体9顺次相连，并通过螺栓3固定，待测缸盖2前后两侧设置红外加热器5，假机体9内设有感应加热线圈8，假机体9放置在固定用台架10上，红外加热器5与红外加热器控制系统12相连，水箱15内设有加热器16、温控器24，加热器16经温控器24与可编程控制器相连，水箱15出水口经出水管14与待测缸盖2进水口相连，出水管14上设有水泵13、第一旋钮开关1，水箱15回流管与待测缸盖2出水口相连，来自进水管的水分为两路，一路通往感应加热线圈8，另一路经第一手柄开关21、进水电磁阀22控制，流入水箱15，溢水管分为两路，一路通往水箱
15上端的溢水口，另一路经第二手柄开关23连至水箱15下端，感应加热线圈8经电线18与感应加热器控制系统11相连，感应加热线圈8经回流管20与水箱15回流口相连，在进水管19上设有第二旋钮开关17，待测缸盖2上设有的热电偶，热电偶通过信号线依次连接至试验台控制系统，感应加热器控制系统11和红外加热器控制系统12分别与可编程控制器相连，试验装置由控制系统控制。

[0026] 如图5所示，控制系统包括温度变送器、第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、继电器、可编程控制器、通讯模块、PC机、打印机、显示器；可编程控制器分别与第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块、继电器、通讯模块相连，温度变送器分别与第一AD模块、第二AD模块、第三AD模块相连，通讯模块与PC机相连，PC机与打印机、显示器相连。

[0027] 考虑预紧力的缸盖热冲击试验方法包括如下步骤：

[0028] 1）将4个热电偶分别焊接在待测缸盖2进排气门口附近靠近前后两侧面处、喷油嘴附近、鼻梁区中间位置处；

[0029] 2）选取一块长度和宽度尺寸分别与待测缸盖2的长度和宽度尺寸相同的长方体铸铁制作假机体9，在与待测缸盖2进行螺栓连接处铸有螺纹孔，将假机体9中部正对待测缸盖2火力面处，以火力面为底圆，将假机体9以圆柱体形式打穿，加装隔热垫6、缸垫7后，用螺栓3与待测缸盖2连接；

[0030] 3）在螺栓3上施加与待测缸盖2相等大小的预紧力；

[0031] 4）选择平面螺线式感应加热头，制作两个独立的半环形缠绕方式的感应线圈；

[0032] 5）在PC机上设置控制模式、试验编号、待测缸盖参数、循环次数、基础温度、待测缸盖加热温度或加热时间、待测缸盖冷却温度或冷却时间、冷却水温度、数据存储间隔； [0033] 6）开启红外加热器5，当待测缸盖2加热至设置的基础温度后，感应加热线圈8通电，继续加热待测缸盖2，当热电偶检测到待测缸盖2的温度达到所设置的最高控制温度时，或达到加热时间时，则可编程控制器发出信号，感应加热线圈8断电，启动水泵13工作，将待测缸盖2冷却至基础温度，或达到冷却时间后，可编程控制器发出信号立即关闭水泵13，停止冷却水循环，至此完成一次工作循环；如此重复上述循环动作，直至设定循环次数。

[0034] 考虑到试验台的通用性和简便性，采用了自行设计的假机体9与待测缸盖2进行螺栓连接，这样当采用不同型号的缸盖进行热冲击试验时，可以通过改变假机体9的尺寸和材料以适应试验系统多样化的要求。假机体9的形状为长方体，在与待测缸盖2进行螺栓连接处铸有相应的螺纹孔，为模拟缸盖火力面下方的燃烧室，将假机体中部以圆柱体形式打穿，用以放置感应加热线圈8。为更真实地模拟实际情况，在待测缸盖与假机体之间加入了缸垫6，在待测缸盖2与假机体9之间加入隔热垫6，置于缸垫7之上，这样可以隔绝缸盖火力面与假机体之间的热传递，使火力面在加热过程中可以在较短的时间内达到试验所设定的最高温度。

[0035] 考虑到缸盖表面分布着各种孔道，不利于均匀加热和冷却水的流通，因此在待测缸盖2上加装气门机构4，以使火力面基本封闭，在待测缸盖左右两表面打通冷却水进出水孔道，内部直接通向缸盖水道，同时将待测缸盖外表面多余孔道采用密封板封住。

[0036] 热电偶用于采集缸盖上各测点的温度值，作为热冲击试验台的主要控制信号。可以采用K型热电偶来检测缸盖温度，安装4个测点。热电偶通过热电偶焊接仪焊接在待测缸盖上。

[0037] 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。温度变送器将缸盖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冲击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。

[0038] 使用者可根据缸盖类型和试验需求自行设计感应加热器的加热头形状，以达到针对不同缸盖的受热部位模拟不同的加热范围和加热强度的目的。本试验台选用平面螺线式感应加热头，线圈的具体缠绕方式可根据缸盖类型和试验需要自行设定。为确保火力面的加热能力尽量均匀，本试验系统采用的感应线圈排布方式如图2所示，为两个独立的半环形缠绕方式并联在一起，其中箭头所指为电流方向，这样可以在不减少中央部位受热前提下加热整个待测缸盖的火力面，同时两个回形位置的中心分别对应着缸盖的两个气门中心，以达到本试验诉求。

[0039] 热冲击试验台采用冷却水循环对待测缸盖2和感应加热线圈8进行冷却。待测缸盖2左右两侧面打通有冷却水进出水孔道，内部与待测缸盖水道相通，通过水管与水箱15连接，由水泵13驱动，模拟实际工况下循环水冷却。冷却水温度可以在试验之前在温控器24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±5℃范围之内。为保证冷却水温恒定，水箱15内安装了加热器16、热水溢水口和冷水进水阀。温控器
24根据热电阻信号，控制加热器16和进水阀的动作。即当水温比所设置的冷却水温度低
5℃时，驱动继电器闭合，使冷却水加热器16通电，对水箱15内的冷却水加热；当水温比所设置的冷却水温度高5℃时，驱动冷水进水阀打开，随着冷水的加入，位于水箱15上部的热水则自动地沿着溢水口溢出，从而使水箱15内的冷却水温度下降。水箱15内温度控制自成系统，由温控器24控制。冷却示意图如图4所示。

[0040] （1）第一旋钮开关1，待测缸盖冷却水流量调节阀，用于调节待测缸盖冷却水流量，以调节冷却速率。

[0041] （2）第二旋钮开关17，感应加热线圈8冷却水流量调节阀，用于调节感应加热线圈8冷却水流量，以保证感应加热线圈8充分冷却。

[0042] （3）第一手柄开关21，冷却水箱15的手动进水阀，用于试验前向冷却水箱15加水，当溢水口有水溢出时，请关闭此阀。

[0043] （4）第二手柄开关23，冷却水箱15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15内的水。

[0044] （5）加热器16，当水箱15中水温低于设定温度时，加热器16由温控器24控制加热。

[0045] （6）进水电磁阀22，当水箱15中水温超过设定温度时，由温控器24控制其打开，向水箱15内充入冷水，以保持水箱15温度恒定。

[0046] 为保证试验安全进行，试验台还可以设置以下安全与报警装置：

[0047] （1）缸盖过热警报。当被加热的缸盖表面温度超过设置的最高控制温度30℃以上，且还没有自动切换至冷却过程时，安全与报警装置报警，关闭整个试验系统的动作，并在PC机上显示故障类别。否则可能烧蚀缸盖表面或烧坏热电偶。

[0048] （2）感应加热器冷却水路水压过低报警。当冷却水管道内水压过低，对感应加热器的冷却强度不够，安全与报警装置报警，关闭整个试验系统的动作，并在PC机上显示故障类别。

[0049] 控制系统示意图如图5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很高的稳定性和安全性。

[0050] 最后，以上公布的仅是本发明的具体实施方式，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如待测缸盖2不设有热电偶仅采用时间模式的考虑预紧力的缸盖热冲击试验台及其方法，也应认为是在本发明的保护范围之内。