一种发动机缸盖单品热疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及汽车制造行业的发动机试验技术领域，具体涉及一种发动机缸盖单品热疲劳试验装置及方法。

背景技术

热疲劳试验装置是对本待试验的零部件进行热疲劳试验的装置。

现有的测试发动机缸盖热疲劳性能的试验是热冲击台架试验，热冲击台架试验通常用来对发动机整机进行性能判定，它并不考验单个零件的极限性能，存在耗时、成本高的问题。热疲劳试验是通过模拟受热件的热状态并强化试验条件，在短时间内完成的热疲劳试验，涉及的零件主要有：缸盖、活塞、气门挺杆等；加热方法主要有：红外加热、火力加热等。

现有技术中通常使用的发动机热冲击台架试验只对发动机整机性能进行判定，不考验单个零件(缸盖)的极限性能；另外红外加热、火力加热方式模拟理论温度场十分困难，不能对缸盖的局部温度做到精确的控制。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种发动机缸盖单品热疲劳试验装置及方法，能够解决现有技术中模拟理论温度场十分困难，不能对缸盖的局部温度做到精确的控制的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种发动机缸盖单品热疲劳试验装置，包括：

缸盖支架，其用于支撑缸盖；

感应加热装置，其用于在设定时间给所述缸盖的待检区域按设定温度场进行加热；

冷却气路，其用于与所述缸盖的进气道和排气道连通，其用于在待检区域达到设定温度场并保持设定时间后，向所述进气道和排气道排入冷空气。

一些可选的实施例中，所述感应加热装置包括：

高频电源，其用于提供高频电流；

高频变压器，其与所述高频电源连接，用于调节所述高频电源输出设定的电压与电流；

感应加热器，其与所述高频变压器的输出端连接，用于在设定时间给所述缸盖的待检区域按设定温度场进行加热。

一些可选的实施例中，还包括高度调节结构，其用于调节所述感应加热装置的高度以匹配所述缸盖的高度。

一些可选的实施例中，所述高度调节结构包括：

基座，其设于所述缸盖支架一侧；

安装平台，其设于所述基座上方，用于支撑所述感应加热装置；

调节螺栓，其连接所述基座和安装平台，用于调节所述基座和安装平台之间的间距，以调节所述感应加热装置的高度。

一些可选的实施例中，所述缸盖支架包括：

支架座；

移动平台，其设于所述支架座上；

驱动机构，其与所述移动平台连接，用于驱动所述移动平台在所述支架座上移动。

一些可选的实施例中，还包括数据采集装置，其包括多个温度传感器。

另一方面，本发明提供一种发动机缸盖单品热疲劳试验方法，该方法利用发动机缸盖单品热疲劳试验装置实施，包括以下步骤：

S：配置感应加热装置，使其可给所述缸盖的待检区域按设定温度场进行加热；

S：利用所述感应加热装置加热所述缸盖的待检区域至设定温度场，并保持该设定温度场第一设定时间后，利用冷却气路冷却所述缸盖至冷却温度场；

S：重复步骤S设定次数或直到所述缸盖的待检区域出现裂纹，结束。

一些可选的实施例中，所述的配置感应加热装置，使其可给所述缸盖的待检区域按设定温度场进行加热，具体包括：

在作为样本的待检区域按预设位置设置多个温度传感器；

利用所述感应加热装置加热所述缸盖的设定区域，并用通过采集各个传感器的温度，调整所述感应加热器的形状，直至所述感应加热装置可给所述缸盖的待检区域加热至设定温度场。

一些可选的实施例中，所述的在作为样本的待检区域按预设位置设置多个温度传感器，具体包括：

在在作为样本的待检区域按预设位置加工多个测温孔；

向每一所述测温孔内安装温度传感器。

一些可选的实施例中，在步骤S中在所述缸盖的待检区域中设定温度场中的远离易裂区加工一至三个测温孔，并在测温孔内安装温度传感器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：首先配置感应加热装置，使感应加热装置可给缸盖的待检区域按设定温度场进行加热，再利用配置好的感应加热装置加热缸盖的待检区域至设定温度场，并保持该设定温度场设定时间后，最后利用冷却气路冷却缸盖至冷却温度场，重复循环加热冷却设定次数或直到缸盖的待检区域出现裂纹，完成缸盖的热疲劳实验。利用该试验装置可将缸盖的待检区域安装理论设计的温度场进行加热，这样可以使试验的结果更加精确。并且，该试验装置可以单独给缸盖加热，并不需要对整个发动机进行热疲劳试验，可以提高试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中实验装置的主视图；

图2为本发明实施例中实验装置的侧视图；

图3为本发明实施例中温度传感器的安装位置示意图；

图4为本发明实施例中实验方法的流程图；

图5为本发明实施例中加热保温冷却时间示意图。

图中：1、缸盖支架；11、支架座；12、移动平台；13、驱动机构；131、丝杠；132、调节轮；2、缸盖；21、进气道；22、出气道；3、感应加热装置；31、高频电源；32、高频变压器；33、感应加热器；4、高度调节结构；41、基座；42、安装平台；43、调节螺栓；5、温度传感器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本方案的设计原理：

热疲劳分为低周热疲劳和高周热疲劳。发动机启动时，缸盖的火力面部位受到高温高压燃气的直接冲击，温度很高，而具有冷却水一面的温度相对较低，使得火力面的“热胀”受到限制而产生很强的压应力，在高温条件下产生塑性变形；发动机停机时，缸盖的火力面又因冷缩而产生拉应力，由于热胀冷缩交变应力的反复作用，火力面最终由于热疲劳而产生裂纹失效，因此，发动机的“起动-运行-停车”循环属于低周热疲劳，其特点是温度及热应力变化幅度大，循环寿命低，是引起在高温、高负荷下工作的发动机缸盖鼻梁区疲劳裂纹的最主要因素；而发动机“运行”的过程，由于温度及热应力变化幅值较小，属于高周热疲劳，一般不予单独考虑。

因此，本技术方案采用“低周疲劳为主，高周疲劳为辅”的设计理念，将发动机的“启动-运行-停止”过程简化为“加热-保温-冷却”过程，同时满足两个条件：①温度循环变化；②零件热变形受到约束。

如图1和图2所示，一方面，本发明一种发动机缸盖单品热疲劳试验装置，包括：缸盖支架1、感应加热装置3和冷却气路。

其中，缸盖支架用于支撑缸盖2；感应加热装置3用于在设定时间给缸盖2的待检区域按设定温度场进行加热；冷却气路用于与缸盖2的进气道和排气道连通，其用于在待检区域达到设定温度场并保持设定时间后，向进气道和排气道排入冷空气。

在使用该试验装时，配置感应加热装置3，使感应加热装置3可给缸盖2的待检区域按设定温度场进行加热；利用配置好的感应加热装置3加热缸盖2的待检区域至设定温度场，并保持该设定温度场第一设定时间后，利用冷却气路冷却缸盖2至冷却温度场；重复循环设定次数或直到缸盖2的待检区域出现裂纹。利用该试验装置可将缸盖2的待检区域安装理论设计的温度场进行加热，这样可以使试验的结果更加精确。并且，该试验装置可以单独给缸盖2加热，并不需要对整个发动机进行热疲劳试验，可以提高试验效率。

在本实施例中，第一设定时间和第二设定时间根据试验的要求设定，例如第一设定时间设定为30秒，第二设定时间为140。并且还可以调整配置感应加热装置3的功率，以调整加热至设定温度场的所用时间，以更加接近真实的使用环境。

在一些可选的实施例中，感应加热装置3包括：高频电源31、高频变压器32和感应加热器33。其中，高频电源31用于提供高频电流，高频变压器32与高频电源31连接，用于调节高频电源31输出设定的电压与电流；感应加热器33与高频变压器32的输出端连接，用于在设定时间给缸盖2的待检区域按设定温度场进行加热。感应加热器33为是一个基本形状为圆形的多圈感应器，其外径比火力面卸载槽略小，内径与进、排气孔内沿相切。因火力面温度场呈梯度排列，所以多圈感应器的每一圈并不是在同一个平面上，而是依据温度场的需要前后错开，离火力面有远有近，加热鼻梁区的那一圈最近，温度最低的那一圈最远，具体错开间距通过试验确定。圈与圈之间的间隙大小也需要通过试验确定。

在本实施例中，通过高频电源31经高频变压器32变压后，输出给感应加热器33，由感应加热器33对缸盖2火力面的待检区域进行加热，使待检区域快速的达到预设的设定温度场。

在一些可选的实施例中，还包括高度调节结构4，其用于调节感应加热装置3的高度以匹配缸盖2的高度。

在一些可选的实施例中，高度调节结构4包括：基座41、安装平台42和调节螺栓43。其中，基座41设于缸盖支架1一侧，安装平台42设于基座41上方，用于支撑感应加热装置3，调节螺栓43连接基座41和安装平台42，用于调节基座41和安装平台42之间的间距，以调节感应加热装置3的高度。

在本实施例中，高频电源31设在安装平台42的上方，高频变压器32设在高频电源31的上方，感应加热器33设于高频变压器32的一侧。通过连接基座41和安装平台42的调节螺栓43，可调节基座41和安装平台42之间的间距，以调节感应加热装置3的高度，可使感应加热器33的高度匹配缸盖2的高度，这样可以使该试验装置匹配更多型号的缸盖2。

在一些可选的实施例中，缸盖支架1包括：支架座11、移动平台12和驱动机构13。其中，移动平台12设于支架座11上，驱动机构13与移动平台12连接，用于驱动移动平台12在支架座11上移动。

在本实施例中，移动平台12内设有螺纹，驱动机构13包括丝杠131和调节轮132，当需要调节移动平台12的位置时，通过旋转调节轮132带动丝杠131转动，从而驱动移动平台12的移动。这样的设计可以在不移动感应加热器33的情况下，给同一个缸盖2的不同的待检测区域加热，进行试验，可以提高试验效率。并且，采用丝杠131的驱动方式也可以使试验人员更加省力。

在一些可选的实施例中，还试验装置还包括数据采集装置，该数据采集装置包括多个温度传感器5。

在本实施例中，缸盖2为六缸发动机的缸盖，且每个气缸均有两个进气道和排气道，两个进气道和排气道呈正方形排列。两个进气道和排气道两两之间形成一个十字架形的缸盖体区域，气缸与缸盖对接的区域即为待检测的区域，十字架的中间部分即为鼻梁区。在试验前，为检测感应加热器33的感应线圈是不是满足要求，即感应加热器33是不是能将待检测区域加热至设定温度场，通常会在进气道和排气道两两之间形成的十字架上按预设位置间隔设置多个温度传感器5，通常是均匀设置，以便更准确的检测温度场。

测温孔位置如图3所示，图3中A图为样本中的温度传感器5的安装位置示意图，图3中B图为正式试验时的温度传感器5的安装位置示意图。本例中，设置温度传感器5之前，通常依据发动力缸盖火力面的其中一个待检测区域的理论温度场选择20个关键点，在其中一个火力面上加工20个测温孔，用于模拟理论温度场和试验参数的调试，以使感应加热器33的感应线圈满足要求，能将待检测区域加热至设定温度场。测温孔加工后，在测温孔内安装热电偶作为温度传感器5，热电偶由Ni-Cr和Ni-Al两根金属丝对焊而成，在800℃以下具有良好的线性度，在0℃—400℃内测量误差为±1℃，满足测量要求。

在正式测试时，20个关键点中选取1-3个点，在其余火力面的其他待检测区域加工1-3个测温孔，用于热疲劳试验。热疲劳裂纹经常出现在缸盖鼻梁区处，因此鼻梁区禁止打孔，1-3个热疲劳用测温点必须选在远离鼻梁区，即打孔处远离易裂区域，理论上设置一个温度传感器即可，为防止设置一个温度传感器时，该温度传感器失效，通常会设置1-2个备用的传感器。同时，将这些温度传感器设置在该温度场的同一条温度线上，这样可以在试验时，检测感应加热器33的感应线圈是否还继续满足要求。

如图4所示，另一方面，本发明还提供一种发动机缸盖单品热疲劳试验方法，包括以下步骤：

S1：配置感应加热装置3，使其可给缸盖2的待检区域按设定温度场进行加热。

在一些可选的实施例中，配置感应加热装置3包括以下步骤：

S11：在作为样本的待检区域按预设位置设置多个温度传感器5。

本例中，缸盖2为六缸发动机的缸盖，且每个气缸均有两个进气道和排气道，两个进气道和排气道呈正方形排列。多个温度传感器5按预设位置间隔设置在十字架区域，通常是均匀设置。当然针对其他形式的缸盖，同样采用均匀间隔的设置形式，可以满足检测需要加热到理论温度场即可。

S12：利用感应加热装置3加热缸盖2的设定区域，并用通过采集各个传感器的温度，调整感应加热器33的形状，直至感应加热装置3可给缸盖2的待检区域加热至设定温度场。

本例中，试验装置还包括测控系统，其硬件配置包括便携电脑、CompactDAQ数据采集卡、温度采集模块和数字量输出模块等。测控系统软件采用LabVIEW编程软件，测控系统与感应加热装置3、冷却气路和数据采集装置信号连接，通过接收数据采集装置的温度数据，控制感应加热装置3和冷却气路的加热和冷却时间。

温度场测试系统用于初始对理论温度场的模拟和试验参数的调试，共有20个温度指示，对应缸盖火力面上的20个温度检测点，同时记录时间；测控系统用来进行最终的热疲劳试验时，流程中设计了最高加热温度、最低冷却温度、保温时间、冷却时间、循环次数等参数。两个流程同时也都具备对高频电源和离心风机智能控制的功能，整个试验过程自动进行，无需人工干涉。

针对本例中的缸盖，缸盖火力面温度场分布呈梯度排列，鼻梁区温度最高，向内侧和外侧依次递减。与感应加热输出能量相关的主要参数有电源功率、感应器与火力面间距，其中最为关键的是感应器的形状。感应加热器33为圆形的多圈感应器，其外径比火力面卸载槽略小，内径与进、排气孔内沿相切。因火力面温度场呈梯度排列，所以多圈感应器的每一圈并不是在同一个平面上，而是依据温度场的需要前后错开，离火力面有远有近，加热鼻梁区的那一圈最近，温度最低的那一圈最远，具体错开多少通过试验确定。圈与圈之间的间隙大小也需要通过试验确定。

参数调试的最终结果，应使调试温度参数与理论温度参数之间的误差小于15％。温度场调试最终结果如表1所示。从表1中可以看出，模拟温度场与理论温度场平均温度偏差基本上控制在5％以内，最高温度点(排气门鼻梁区)的偏差小于1％，满足热疲劳试验的精度要求。

表1模拟温度场调试数值

S2：利用感应加热装置3加热缸盖2的待检区域至设定温度场，并保持该设定温度场第一设定时间后，利用冷却气路冷却缸盖2至冷却温度场。

在本实施例中，在正式测试时，20个关键点中选取1-3个点，在其余火力面的其他待检测区域加工1-3个测温孔，用于热疲劳试验。热疲劳裂纹经常出现在缸盖鼻梁区处，因此鼻梁区禁止打孔，1-3个热疲劳用测温点必须选在远离鼻梁区，即打孔处远离易裂区域。

由于本实验为加速热疲劳试验，因此根据试验的实际情况提高整个火力面的试验温度，失效判据以鼻梁区出现可见的贯穿裂纹为止，具体试验参数如表2所示。最后根据三个以上火力面的试验结果，对缸盖的热疲劳性能进行分析总结。

表2热疲劳试验参数

如图5所示，在试验中，具体的过程：开启高频电源，对缸盖活力面的外检测区域进行加热，加热到设定温度场后，此时设置在正式试验的待检测区域的温度传感器5检测到温度320℃，用时10秒，进入保温状态，此时高频电源断续加热，使缸盖火力面温度保持在320℃左右，保温时间30秒，保温时间到后，关闭高频电源，开启冷却泵通过冷却气路对缸盖进行冷却，冷却到冷却温度场，此时温度传感器5检测到温度120℃，用时140秒，一个循环结束，再次开始加热——保温——冷却。

S3：重复步骤S2设定次数或直到缸盖2的待检区域出现裂纹，结束。

隔一段时间观测缸盖火力面待检测区域的鼻梁区的裂纹情况，根据出现裂纹的循环次数判定热疲劳性能，循环次数越高，疲劳寿命越高。当然在其他实施例中，也可以通过设定次数的循环，检测缸盖是否满足循环次数。

在试验中还需注意以下事项：

由于感应加热的速度很快，短时间内有很高的温升，如果传感器失灵或电源故障，将影响试验的准确性，甚至对零件、电源造成破坏，因此，在流程中设计了以下保护功能：

1)加热温度最高不能超过560℃；

2)加热到高温点的时间不能超过20秒种；

3)在设定的时间内，譬如5秒种，温升应该超过200℃。

如果出现以上故障，程序将首先切断高频电源，随后记录故障点，并显示报警信息。

另外，高频感应加热会在线路周围将产生强烈的磁场，且在高频电源接通瞬间将产生较大的电压波动和高频震荡，这些情况会对台架的控制系统和试验的准确性产生影响，因此，我们对测控系统采取了预防干扰措施：

1)对于空间感应串入系统的干扰，采取的方法是良好的屏蔽和正确的接地，台架的控制柜，包括高频电源都屏蔽接地，工作台床身良好接地；

2)所有热电偶采用屏蔽电缆，补偿导线连接；

3)每个模块采用单独的数模转换器，并且模块之间相互隔离。以上措施保证了测控系统在强磁场环境下的正常工作。

试验的关键参数有加热最高温度、加热速度、保温时间、冷却速度、冷却最低温度等。确定各参数的制定原则如下：

1)加热最高温度＝实测温度+高频修正温度。高频修正温度值为高频温度波动幅值，中等缸径的发动机应为10℃～20℃，热疲劳试验取20℃。如某发动机火力面的实测最高温度出现在鼻梁区，为360℃，因此，加热最高温度理应不超过380℃，本技术方案为加速热疲劳试验，可在一定程度上提高加热温度，进行加速试验。

2)冷却最低温度。最低温度确定为120℃。该温度虽然略高于实际使用条件下除缸盖火力面外的零件的平均温度，但当缸盖冷却到100～120℃时，整个火力面的热应力已经趋于平衡，无需再继续冷却。

3)加热速度。零件寿命在100个循环以内时，材料的循环软硬化影响很大，造成疲劳寿命分散度较大，因此加热速度要保证零件寿命在100个循环以上。

4)冷却速度。由于实际发动机启动时的火焰加热速度远远大于停机时的自然冷却速度，因此可以不考虑冷却速度的动态效应，冷却速度及冷却方式以能保证温度场的模拟精度及试验时间而定。

5)保温时间。设置保温时间是为了使加热后的缸盖温度场有一个稳定的时间，经试验研究，缸盖温度场仅需几十秒(视零件大小)即可基本稳定，对中小缸径的发动机缸盖来说，保温时间可确定为30秒。

综上所述，该发动机缸盖单品热疲劳试验装置及方法，利用该试验装置可将缸盖2的待检区域安装理论设计的温度场进行加热，这样可以使试验的结果更加精确。并且，该试验装置可以单独给缸盖2加热，并不需要对整个发动机进行热疲劳试验，可以提高试验效率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。