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1、内嫩机工程以年第期活塞热疲劳试验技术温度分布模拟系统俞小莉沈瑜铭齐放严兆大浙江大学吻此一公叨碘田限众川叭恤场姆皿川呜毯此渔。刀画闭刀苟址川加七鱿仆吐屹以颇即咭毗吻斑】幽别以沁州功团陀伪阴恤沥皿卿别武功山成伽哑日助州四花己协侧阵功山陀佣山公司侧犯,诫址任沈帕卜苗仙正血浏因切阳加川五禅公屺脚户侧兑,泊如以妇钾拌摘要内燃机活塞热疲劳现象不仅与其表面温度的周期性波动有关,而且与其表面温度的非均分布也密切相关。在活塞热疲劳模拟试验技术的发展中,活塞温度状态模拟是最基础,也是最重要的部分。作者介绍一种特殊设计的加热系统,它可以有效地模拟活塞热疲劳过程 中的温度状态。叙词热疲劳温度模拟系统活塞内燃机众阴即协
2、们比刘目心粤玲公” 脚口加代加川垃粗民卿妞坛玩加均目叻曲胭由概述随着内燃机强化指标的不断提高,活塞的工作条件愈加严酷,高的机械负荷和热负荷常常导致活塞销座开裂、环槽早期磨损、顶面烧损以及燃烧室喉口边缘热裂等故障。活塞顶表面热裂纹的形成是一种典型的热疲劳现象,主要因表面温度分布的不均匀和表面温度的波动所致。从时间概念来区分,前者产生的是基本稳定的热应力,而后者包含了两种不同变化频率的热应力波动,一种是因内燃机运行工况突变,如启动、停车、加速、负荷突变等引起的热冲击,使活塞顶面产生大幅度的温度变化,形成相应的热应力低周热应力另一种是内燃机稳定运转时,工作循环的周期性变化引起活塞顶面温度波动,由此产
3、生 的热应力称高周热应力。就活塞热疲劳问题的研究现状看,有关寿命评估目前尚无完善的理论,也无统一的考核规范。国际上工 业发达国家,如美国、德国、俄罗斯和日本等国较早就开展了模拟试验技术的开发应用工作川,近年来国内也开展相关技术的开发与研究,。与内燃机整机热冲击试验相比,模拟试验具有高效节能、便利分析研究的特点。图所示为德国马勒公司所建立的热疲劳试验台,该试验台采用煤气喷灯加热,油冷和水冷并用的第作者俞小莉浙江大学动力机械及车辆工程研究所杭州市浙大路号邮编以收软盘稿日期犯一肠一年第期内燃机工程总体方案。煤气喷灯装于底面倾斜的加热炉侧壁,有利于加强燃烧气体的紊流,便于废气排出炉体,但侧燃不利于活塞
4、温度场的模拟,此外,还有其他加热方式的热疲劳试验台,如高频感应线圈加热、石英灯加热等,但均未能很好地模拟活塞的温度分布。冷却油管水套冷却若机油旅侧箱出水口加热炉图火焰直接加热活塞热疲劳模拟试验台如上所述,活塞的热疲劳现象不仅与其温度的周期性变化有关,而且还与其温度分布状态有着密切的关系。因此,进行活塞热疲劳模拟试验技术研究时,必须同时考虑以上两个重要的影响因素,这主要涉及试验装置加热冷却系统及温度控制系统的设计,作者主要介绍这方面的有关研究工作。活塞热疲劳试验装置简介活塞热疲劳试验装置,采取交替加热冷却的方式,使活塞温度在设置的最高控制温度和最低控制温度之间循环变化,直到规定的循环次数,然后进
5、行裂纹检测。试验装置工作原理示意图如图所示,其工作过程为 燃烧器加热活塞到所设置的最高控制温度后,起动伺服电机带动活塞右移,使之进人冷却工位,同时活塞进人加热工位开始加热,如果活塞加热到最高控制温度的时间比活塞冷却到最低控制温度的时间长,则活塞冷却到最低控制温度后 即关闭冷却气阀和冷却水阀,待活塞加热到最高控制温度后,起动伺服电机左移,活塞重新开始加热,如此完成一个工作循环。活塞热疲劳试验装置的加热冷却系统燃烧器采用燃气火焰加热方式可以更真实地模拟活塞在内燃机气缸内的受热情况。在加热系统设计 中,关键部件是燃烧器。燃烧器采用液化石油气或煤气为燃料,并辅以氧气助燃。图为燃烧器结构示意图。该燃烧器
6、共有三组环型火焰喷嘴,喷嘴端面设有沿圆周均布的一排价一似的小孔,所产生的三组环型火焰用来加热活塞顶面的不同部位。三组火焰强度独立可调,以实现不同类型活塞不 同温度分布的模拟。另外,喷嘴之间的位置还可同轴调节,轴向调节幅度为左右,以此改变活塞的加热深度,有利于形成活塞的轴向温度梯度分布。冷却系统活塞热疲劳试验装置的冷却方式采取顶面由压缩空气冷却,以模拟内燃机进气时对活塞顶面 的冷却条件活塞 内腔采用冷却水 或油 冷却,以模拟高强化发动机活塞底部的喷油冷却条件。温度控制系统热疲劳试验装置以温度作为系统的控制信号,采用型热电偶检测活塞的温度,在活塞顶部和第一环内燃机工程以年第期图热疲劳试验装置工作原
7、理示意图冷却气阅伺服电机燃烧器姗气控制电磁阔冷却气辉齿轮光电传感器齿条导轨冷却水阅限位开关活塞冷却水阔移动平合,活塞单向阔防止回火器沪洲洲戴级月月葺月月调节阀冷却水室图燃侥器结构示愈图槽等重要部位安装测点,使活塞的温度控制在设置的最高控制温度与最低控制温度之间。运行试验及其结果为了验证所研制的热疲劳试验装置对活塞温度状态的模拟效果,用一直径为伪彻的活塞进行了热疲劳试验。试验时,设置活塞的最高控制温度为印,最低控制温度为,采用燃烧器的最 内圈与最外圈火焰加热活塞顶面。在两个活塞的重要部位安装了多个热电偶,部分测点的安装位置及其温度测结果如图所示。图中直接标注的温度数值为发动机实际运行时活塞的温度
8、,在括号 内标注的数值为热疲劳试验过程达最大控制温度时活塞的温度。从图中可以看出,当活塞达到最大控制温度时,主要测点、的温度与实际测量的活塞温度比较接近。该试验结果表明 所研制的热疲劳试验装置对活塞温度状态的模拟是成功的。洲刃年第期内嫩机工程了翔塑匆七即 肥加,七印一成 刀,攀摘扭魔仍七、滋幻弋峭 进水一崖七七叨七气虹套冷却水侧图活塞温度分布的实测值与试验装置中的模拟值图为活塞热疲劳试验中部分循环的温度记录,它所反映的是试验装置对活塞温度波动状态的模拟。了丫氏朔翔幼图活塞热疲劳试验时测点的温度曲线侧点工一活塞侧点洲点一活塞侧点结论作者介绍的是一种高效率、高 自动化程度的活塞热疲劳模拟试验装置,
9、它能够比较真实地模拟活塞温度状态对热疲劳寿命的影响。研究工作表明,通过对加热与冷却系统的合理设计,可以达到预期的温度模拟效果。检索号州刀“参考文献施容才内燃机零部件的热模拟试验台简介内嫩机结构强度研究和振动、噪声侧控技术经验交流会,卯俞小莉,金瑞斌等内燃机活塞热疲劳模拟试验台内燃机工程,卯,李永祥活塞热疲劳试验台控制与检测系统的研制浙江天学硕士学位论文,卯请拨“”热线电话订阅内燃机工程杂志为了更好地为广大读者服务,上海邮政气客户服务中心”已于年月日起正式开通。该“中心”受理的业务之一是接受用户电话订阅邮发报刊,用户通过拨打“”热线电话,就能很方便地订阅所需要的邮发报刊。我刊国内邮发代号一,国外代号学,国内统一刊号一。请要订阅本刊的读者,拨打“”热线电话,邮局会积极做好收订工作。本刊通讯员
