气缸套疲劳测试装置及气缸套测试方法

技术领域

本发明涉及发动机的气缸套疲劳试验技术领域，具体涉及一种气缸套疲劳测试装置及气缸套测试方法。

背景技术

气缸套是内燃机内部的核心部件，在内燃机实际工作过程中，气缸套主要受到爆发压力以及由活塞施加的垂直于气缸套轴线的侧推力。气缸套在长期运转情况下，存在着因复杂受力而产生的疲劳断裂风险，继而影响到内燃机整体的工作可靠性和安全性。

现有气缸套疲劳测试的技术中只单纯考虑爆发压力作用下气缸套的疲劳强度，忽略了实际工作中活塞侧推力对气缸套的疲劳强度的影响，这样必然造成试验结果与真值偏差过大，即试验结果精确度差的问题。

更进一步的，最容易产生疲劳断裂风险的地方位于气缸壁的凸台过渡圆角处，气体压力使得气缸壁与气缸套的凸台过渡圆角处产生切向拉应力和径向压应力，这种应力都是高频脉动应力。因气缸壁内外温差产生极大会产生热应力，一般温度下内气缸套的表面产生压应力而冷却面存在拉应力。但在特别高的温度下，气缸套的内表面金属产生蠕变塑性变形，而冷却后即在内表面形成残余拉应力，这种随起动、停车变化引起的低频应力会使气缸套材料疲劳，造成凸台过渡圆角处疲劳开裂。所以，在测试气缸套疲劳强度的时候应重点关注气缸套的凸台过渡圆角处。

有鉴于此，在气缸套疲劳试验过程中，通过何种手段模拟气缸套所受的复合载荷来提高试验结果的精确性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是至少解决气缸套疲劳试验中不能模拟气缸套所受的复合载荷的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种气缸套疲劳测试装置，包括：

液压加载设备；

壳体，所述壳体内设有加压室和安装室，所述加压室设置在所述安装室的顶部并分别与所述安装室和所述液压加载设备相连通，所述安装室用于安装待测气缸套；

活塞，所述活塞用于可滑动地安装在所述待测气缸套内；

连杆，所述连杆的一端与所述活塞相连，所述连杆的另一端与所述壳体相连，所述连杆的延伸方向与所述待测气缸套的轴线之间成α夹角设置。

根据本发明的气缸套疲劳测试装置，连杆的延伸方向和气缸套的轴线成之间成α夹角，液压加载设备向加压室输入液压油后形成爆发压力，爆发压力作用于活塞的同时连杆向活塞施加垂直于气缸套轴向的侧推力，即气缸套会受到液压加载设备提供的液压油模拟的爆发压力和连杆通过活塞提供的侧推力，爆发压力及侧推力模拟了气缸套所受的复合载荷，通过施加大量重复的爆发压力及侧推力，直至气缸套在某一测试点出现断裂或达到预定的试验次数。通过这种疲劳测试，能够更为准确地评估和预测气缸套在实际工作中的疲劳寿命，从而为气缸套的设计制造和优化提供参考数据。

另外，根据本发明的气缸套疲劳测试装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述安装室与所述加压室连接的一端设有环形槽，所述环形槽用于配合所述待测气缸套的环形凸台及凸台过渡圆角，沿所述活塞的轴向，所述凸台过渡圆角的底部到所述加压室的顶部之间的距离为第一距离，所述活塞的顶部与所述加压室的顶部之间的距离为第二距离，所述第一距离等于所述第二距离。

在本发明的一些实施例中，还包括压力监控设备，所述压力监控设备连接所述加压室。

在本发明的一些实施例中，还包括曲轴和调节设备，所述曲轴的至少一端通过所述调节设备连接在所述壳体上，所述调节设备使所述曲轴在可转动状态与固定状态之间切换，所述连杆的另一端与所述曲轴连接。

在本发明的一些实施例中，所述气缸套疲劳测试装置还包括气缸盖，所述气缸盖设置在所述壳体的顶部，所述气缸盖内设有连通所述加压室和所述液压加载设备的贯通通道。

在本发明的一些实施例中，所述壳体的底部设有固定支座。

在本发明的一些实施例中，所述液压加载设备包括管道、液压泵和压力控制阀，所述管道上设有压力控制阀，所述管道分别与所述加压室和所述液压泵相连通。

本发明的第二方面提出了一种气缸套疲劳测试方法，通过上述的气缸套疲劳测试装置来实施，包括如下步骤：

将待测气缸套安装到壳体的安装室内，并将活塞安装到所述待测气缸套内；

根据发动机相关参数和CAE分析得到α夹角，将连杆与所述活塞和所述壳体连接，确保所述连杆的延伸方向与所述待测气缸套的轴线之间成α夹角；

将液压加载设备打开，向加压室提供液压油，所述液压油冲击活塞顶部产生平行于所述待测气缸套的轴向的爆发压力和垂直于所述轴向的侧推力；

收集并分析数据。

在本发明的一些实施例中，根据发动机相关参数和CAE分析得到α夹角的步骤包括：

获取发动机相关参数并通过CAE建模分析得到最大爆发压力和最大侧推力；

α＝arctan(F

其中，F

在本发明的一些实施例中，爆发压力依据所述液压加载设备提供的液压油产生的脉动载荷形成。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的气缸套疲劳测试装置的结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的气缸套疲劳测试装置的第一视角的剖视结构示意图(示出了部分结构)；

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的气缸套疲劳测试装置的第二视角的剖视结构示意图；

图4示出述连杆的轴线与气缸套的轴线之间形成的α夹角；

图5示出了图3中A处的局部放大图及受力分析示意图；

图6为本发明实施方式的气缸套疲劳测试方法的流程图。

附图标记如下：

100、气缸套疲劳测试装置；

10、壳体；11、固定支座；20、活塞；30、连杆；40、曲轴；50、调节设备；60、气缸盖；61、贯通通道；70、压力监控设备；

200、气缸套；201、凸台过渡圆角。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图5所示，根据本发明的实施方式，提出了一种气缸套疲劳测试装置100，该气缸套疲劳测试装置100包括液压加载设备、壳体10、活塞20和连杆30，壳体10内设有加压室和安装室，加压室设置在安装室的顶部并分别与安装室和液压加载设备相连通，安装室用于安装待测气缸套200。活塞20可滑动地安装在待测气缸套200内，连杆30的一端与活塞20相连，连杆30的另一端与壳体10相连，连杆30的延伸方向与待测气缸套200的轴线之间成α夹角设置。

根据本发明的气缸套疲劳测试装置100，连杆30的延伸方向和气缸套200的轴线成之间成α夹角，液压加载设备向加压室输入液压油后形成爆发压力，爆发压力作用于活塞20的同时连杆30向活塞20施加垂直于气缸套200轴向的侧推力，即气缸套200会受到液压加载设备提供的液压油模拟的爆发压力和连杆30通过活塞20提供的侧推力，爆发压力及侧推力模拟了气缸套200所受的复合载荷，通过施加大量重复的爆发压力及侧推力，直至气缸套200在某一测试点出现断裂或达到预定的试验次数。通过这种疲劳测试，能够更为准确地评估和预测气缸套200在实际工作中的疲劳寿命，从而为气缸套200的设计制造和优化提供参考数据。

可以理解的是，壳体10模拟的是内燃机中的气缸体，活塞20模拟的是内燃机中的活塞，连杆30模拟的是内燃机中的活塞连杆。加压室模拟的是内燃机中活塞顶部与气缸盖之间的燃烧室，在本实施方式中，通过高压的液压油代替气体燃烧加压。

可以理解的是，如图5所示，安装室和加压室连接的一端设有环形槽，该环形槽用于配合待测气缸套的环形凸台及凸台过渡圆角，环形凸台设于待测气缸套200的外周壁的顶部，凸台过渡圆角201设于待测气缸套200的外周壁与环形凸台的底部连接处。本实施方式想要测试待测气缸套200的凸台过渡圆角201处的疲劳强度，所以沿待测气缸套200的轴向，活塞20的顶部到加压室的顶部的距离(为第二距离)等于凸台过渡圆角201到加压室的顶部的距离(为第一距离)。这样确保在模拟爆发压力时，最大的应力可以集中于凸台过渡圆角201处。这就需要选择合适的α夹角，当液压油施加爆发压力时，活塞20受到的侧向力集中影响凸台过渡圆角201。这模拟了在实际运行中活塞20移动产生的侧向应力，也模拟了在凸台过渡圆角201产生的额外应力。通过专门测试凸台过渡圆角201处的疲劳性能，可以更早地预测和防止可能的机械故障，提高发动机的可靠性和安全性。对该部位的疲劳测试结果可以为发动机设计师提供关键的数据支持，帮助他们在未来的设计中进一步优化气缸套200的凸台过渡圆角201结构，减少应力集中，提高疲劳寿命。

根据本实施方式的气缸套疲劳测试装置100，凸台过渡圆角201处是待测气缸套200的结构上的变形区域。任何结构变化或突变处都容易成为应力集中点。在爆发压力和侧向推力的长时间作用下，这些应力集中区域更容易发生疲劳断裂。在内燃机的实际工作过程中，气缸套200的顶部受到高温和压力的影响。这使得凸台过渡圆角201处经常面临高温、高压和侧推力的综合作用，导致更高的疲劳风险。同时，由于凸台过渡圆角201处位于气缸套200的顶部，其疲劳开裂会直接影响到整个气缸套200的工作性能。一旦在这个地方出现裂纹，可能导致发动机失效、油气泄漏或其他严重的工作问题。所以，更应该针对凸台过渡圆角201处进行疲劳强度测试。

在一些实施方式中，壳体10的内部设有加压室，壳体10顶部开设有液压加载口，液压加载口和加压室相连通，液压加载设备直接通过液压加载口向加压室输入高压的液压油。

如图3所示，在更优的实施方式中，壳体10的顶部设有气缸盖60，该气缸盖60模拟的是内燃机中的气缸盖60。其中，气缸盖60内设有连通加压室和液压加载设备的贯通通道61。

具体的，气缸套疲劳测试装置100还包括压力监控设备70，压力监控设备70连接加压室。压力监控设备70可以具体为压力传感器，压力传感器监控加压室的液压油所模拟产生的爆发压力。

在一些实施方式中，壳体10的底部设有固定支座11。固定支座11可以防止加载液压油的时候壳体10晃动，导致影响气缸套200疲劳测试的数据。

可以理解的是，如图2和图3所示，气缸疲劳测试装置还包括曲轴40和调节设备50，曲轴40的至少一端通过调节设备50连接在壳体10上，调节设备50使曲轴40在可转动状态和固定状态之间切换，连杆30的另一端与曲轴40连接。曲轴40在测试时处于固定状态不转动的，当需要调整α夹角时才需要转动曲轴40。

具体的，由于连杆30的另一端与曲轴40连接，所以连杆30与气缸套200的轴线之间的偏差α夹角不仅受到侧推力和爆发压力的影响，还受到曲轴40的转角位置的影响。当曲轴40转动时，偏差α夹角会随着连杆30位置的变化而发生变化。这意味着，在一个完整的曲轴40旋转周期中，偏差α夹角会经历一个变化范围。当调节设备50使曲轴40处于固定状态时，偏差α夹角也将固定，模拟特定的工况。为了得到最大的疲劳影响，可以选择那些使偏差α夹角最大的曲轴40位置进行测试，因为这些位置可能会使气缸套200受到最大的应力。结合曲轴40和调节设备50，使得气缸套疲劳测试装置100可以更真实地模拟内燃机的工作情况，并对气缸套200在各种可能的工况下的疲劳强度进行评估。此外，通过调节偏差α夹角，可以模拟气缸套200在受到不同应力影响下的工作状况，为进一步的疲劳强度评估提供了更为准确的数据。

可以理解的是，液压加载设备包括管道、液压泵和压力控制阀，管道上设有压力控制阀，并且管道分别与加压室和液压泵相连通。

具体的，液压加载设备可以通道式液压疲劳试验设备。通道式液压疲劳试验设备可以具有一个或多个管道，这些管道可以同时或顺序地进行多种液压加载测试。每个管道都可能独立地模拟不同的工况或者提供不同的压力脉冲、频率等。液压加载设备通过液压油对气缸套200施加循环载荷，模拟真实工况中气缸套200可能遭受的应力。液压加载设备的主要目的是进行疲劳测试，即对气缸套200进行反复的、周期性的应力或应变加载，直至其失效或达到预定的试验周期。这帮助确定气缸套200在实际应用中的预期寿命和疲劳性能。

具体的，液压加载设备包括还脉冲发生器或调节阀、控制单元、数据收集系统和安全装置，其中，液压泵用于提供高压的液压油，脉冲发生器或调节阀用于产生或调节压力脉冲，控制单元用于设置和调整测试参数，如载荷幅值、频率、持续时间等，数据收集系统用于记录和分析测试数据，如压力、位移、时间等，安全装置用于保护操作人员和设备免受高压液体或失效部件的伤害。

具体的，液压加载设备还包括油箱、滤油器、压力表和控制系统。其中，油箱用于储存液压油，并通过油箱中的散热器或散热片进行液压油的冷却。滤油器用于清除液压油中的固体杂质，保护待测气缸套200，延长液压油的使用寿命。压力表用于监测液压加载设备的工作压力，保证液压加载设备在规定的工作压力下运行。根据需要，液压加载设备可能会配备手动或自动控制系统，如PLC或微机控制，用于精确控制液压加载设备的工作状态。

可以理解的是，在气缸套疲劳测试装置100具有多种传感器，多种传感器可以确保准确测量装置中产生的各种应力、应变、压力和其他相关参数。多种传感器可以包括压力传感器、应变计、温度传感器、加速度计或振动传感器、位移传感器和角度传感器。

具体的，压力传感器应连接加压室内，特别是靠近液压加载口的地方。用于测量和记录液压加载设备产生的爆发压力，确保它们在预定的范围内。

具体的，应变计可以直接附着在气缸套200的凸台过渡圆角201处，以测量这一关键区域的应变。提供有关材料变形的数据，从而可以计算出应力并评估疲劳寿命。

具体的，温度传感器应设置在气缸套200的内部和外部，确保对其整体温度和温度梯度有全面的了解。由于温差可能导致热应力，因此记录温度变化可以帮助分析其对疲劳的贡献。

具体的，加速度计或振动传感器可以附着在装置的壳体10上，特别是与气缸套200的连接部位。用于监测任何可能的振动或机械冲击，这些振动或冲击可能对疲劳测试结果产生影响。

具体的，位移传感器连接在连杆30或活塞20上，以监测其在气缸内的位置和移动范围。提供关于活塞20在气缸内移动的精确信息，从而帮助分析其对凸台过渡圆角201应力的影响。

具体的，角度传感器设置在曲轴40和连杆30的连接处，用于测量连杆30的轴线和气缸套200轴线之间的实际夹角。确保α夹角的准确性，并对其进行调整，以确保测试的准确性。

如图6所示，本实施方式还提出了一种气缸套200疲劳测试方法，应用于上述的气缸套疲劳测试装置100，包括如下步骤：

将待测气缸套200安装到壳体10的安装室内，并将活塞20安装到待测气缸套200内；

根据发动机相关参数和CAE分析得到α夹角，将连杆30与活塞20和壳体10连接，确保连杆30的延伸方向与待测气缸套200的轴线之间成α夹角；

将液压加载设备打开，向加压室提供液压油，液压油冲击活塞20顶部产生平行于待测气缸套200的轴向的爆发压力和垂直于轴向的侧推力；

收集并分析数据。

可以理解的是，爆发压力依据液压加载设备提供的液压油产生的脉动载荷形成。爆发压力的模拟是评估气缸套200疲劳性能的关键部分。通过液压加载设备，可以模拟内燃机中因燃烧而产生的爆发压力。首先，要选择合适的液压油，液压油需要具有良好的稳定性，抗泡性和抗氧化性，以确保在高压下可以产生稳定且重复的压力脉冲。另外，选择一个能够产生高压的液压加载设备，该液压加载设备应能够在短时间内快速提供高压液压油。使用脉冲发生器或特殊的液压阀门来控制液压油的流动，从而产生与内燃机工作相对应的压力脉冲。启动液压加载设备并通过脉冲发生器或阀门，将液压油以高速、高压的方式注入测试装置中的加压室，模拟真实的爆发压力。根据需要测试的内燃机的工况，调整脉冲的频率和幅值，以确保模拟的压力与实际工况下的压力相匹配。最后，使用压力传感器和数据收集系统记录每次脉冲的压力峰值、持续时间和频率。这些数据将用于评估气缸套200的疲劳性能。因此，液压加载设备可以产生与内燃机中的爆发压力相似的脉冲载荷，为评估气缸套200的疲劳性能提供了关键的数据。

可以理解的是，根据发动机相关参数和CAE分析得到α夹角的步骤包括：

获取发动机相关参数并通过CAE建模分析得到最大所述爆发压力和最大所述侧推力；

α＝arctan(F

其中，F

具体的，获取发动机相关参数并通过CAE建模分析得到最大爆发压力和最大侧推力通常涉及以下几个步骤，首先建立模型，在CAE软件中建立发动机的三维模型，特别是气缸套200、活塞20、连杆30和曲轴40的几何模型。这些模型应包括材料属性，如密度、杨氏模量、泊松比等。然后，设置工作边界条件，例如温度、压强和机械限制。根据发动机的工作参数，如最大爆发压力、最大转速等，为模型施加适当的载荷。由于活塞20在运动过程中会产生倾斜，其与气缸套200的接触点不是均匀分布的，因此会产生侧向的力。通过CAE分析，可以模拟这种力的大小和方向。接着，进行有限元分析，使用适当的有限元方法(FEM)对模型进行解算。这会产生详细的应力、应变和位移结果。特别关注那些应力集中的区域(如气缸套200的凸台过渡圆角201)，因为这些地方最有可能出现疲劳损伤。分析结果，确定气缸套200上的最大侧推力的位置和大小。

具体分析，如图5所示，在本实施方式中，连杆30的轴线与气缸套200的轴线之间存在一个固定的α夹角。这个α夹角实际上可以理解为因侧推力和爆发压力之间的平衡关系所产生的角度。为了得出这个偏差α夹角，我们可以依据以下的方法进行计算：

首先，通过实验或CAE分析，得到气缸套200在特定工况下所受的爆发压力和侧推力的大小。假设在某一特定时间点，活塞20受到的爆发压力为F

可以理解的是，在将液压加载设备打开之前初始化传感器，为所有传感器进行零点校准，包括压力、应变、温度、振动、位移和角度传感器。确保所有传感器的数据都能够被记录和存储，以供后续分析。

可以理解的是，初始化传感器后，加载爆发压力之前还可以加载初始压力，通过液压加载设备，向加压室施加一个初始的、较小的爆发压力，以确保系统没有泄露或其他问题。

可以理解的是，通过液压加载设备，向加压室施加预定的爆发压力，模拟真实的发动机工作条件。在固定曲轴40的情况下，观察并记录气缸套200的凸台过渡圆角201处的应变情况。根据需要，可逐渐增加压力，模拟不同的工作负荷。更可以提高爆发压力，提高加速系数进行疲劳测试。

可以理解的是，收集数据包括在测试过程中，持续地从各个传感器收集数据。记录在不同压力条件下的应变、压力、温度、振动、位移和夹角数据。

可以理解的是，分析数据包括分析收集到的数据，特别是气缸套200的凸台过渡圆角201处的应变数据。使用适当的疲劳分析软件或方法，评估气缸套200的疲劳强度和寿命。

具体的，分析气缸套200的凸台过渡圆角201处的数据，特别是应变数据，对于评估其疲劳性能和预测其寿命是至关重要的。首先，使用数字滤波技术处理原始数据，去除可能的噪声和干扰，确保得到的数据是真实和准确的。确保时间、应变、压力等数据之间的同步，使得后续的分析可以基于对齐的数据进行。根据收集到的应变数据，制定应变-时间曲线。这有助于了解在各种工况下，凸台过渡圆角201处的应变变化情况。再通过应变-时间曲线确定应变的最大值和最小值，进而确定应变幅度。应变幅度是评估疲劳性能的一个关键参数。接着，导入应变数据到疲劳分析软件中，如nCode或其他相关软件。使用软件的疲劳分析工具，基于S-N曲线(应力-寿命曲线)或ε-N曲线(应变-寿命曲线)计算出预期的疲劳寿命。然后，使用例如Palmgren-Miner线性损伤累积理论，结合不同工况下的应变数据，评估在实际使用过程中气缸套200的疲劳损伤累积情况。使用应变数据和相关材料性质，计算出凸台过渡圆角201处的应力状态。对比这些应力值与材料的许用应力或疲劳极限，可以评估凸台过渡圆角201处的疲劳强度。对分析得到的结果进行验证。这可以通过实验、其他计算方法或历史数据来实现。若有实际的疲劳裂纹产生或疲劳断裂的案例，那么可以与分析结果进行比较，验证分析的准确性。最后，根据以上分析，输出凸台过渡圆角201处的预期疲劳寿命、疲劳强度和可能的疲劳破坏位置。

可以理解的是，完成所有预定的测试周期后，停止液压加载设备。检查气缸套200(尤其是凸台过渡圆角201处)的物理状态，查找任何可见的裂纹或损伤。

可以理解的是，最后，将所有收集到的数据整合到一个报告中。基于数据分析，提出关于气缸套200疲劳性能的结论和建议。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。