一種連杆液壓疲勞試驗系統的製作方法

2023-08-10 00:31:26

專利名稱：一種連杆液壓疲勞試驗系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於發動機連杆的試驗設備，特別涉及一種以液壓進行拉壓加載對發動機連杆疲勞特性進行檢測的試驗系統。
背景技術：
自從發動機產生發展至今，機械負荷不斷的提高，對於發動機的可靠性和強化指標也相應的提高。連杆無疑式是發動機中十分重要的運動零件，其作用是連接活塞與曲軸，將作用在活塞上的力傳給曲軸，使活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，對外輸出作功。連杆工作的小端作往復運動，大端作旋轉運動，桿身作複雜的平面運動，因此連杆的受力情況十分複雜，在其桿身的每一個截面上都會有彎矩、剪力和法向力，但彎矩和剪力都不大，桿身的主要載荷是交變的拉壓載荷。連杆是承受負荷最嚴重的零件之一，同時承受著活塞傳來的氣體壓力、往復慣性力和它本身擺動時所產生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化，易引起連杆的疲勞破壞。據統計，連杆60%到90%的破壞都是疲勞破壞，後果極其嚴重。因為不論是韌性材料還是脆性材料在疲勞破壞前都沒有明顯的徵兆不易察覺，容易造成意外事故。因此在連杆的設計和檢測中，疲勞強度成為其重要性能指標。在連杆所受載荷中， 最主要的是拉壓載荷，因此通過拉壓疲勞試驗對連杆的疲勞性能做測試對於連杆的疲勞評定很有研究價值。既可以使零件保證發動機正常工作，又可以避免使連杆偏重安全。

實用新型內容本實用新型的目的在於針對現有技術中的不足，提供一種連杆液壓疲勞試驗系統，本實用新型以液壓進行拉壓加載對發動機連杆疲勞特性進行檢測。為解決該技術問題，本實用新型的技術方案是一種連杆液壓疲勞試驗系統，它主要由試驗臺架和控制系統兩大部件組成；試驗臺架包括泵站機構、液壓加載機構、試驗臺臺體、裝夾及承載機構；泵站機構、液壓加載機構、裝夾及承載機構均固定在試驗臺臺體上， 液壓加載機構與泵站機構相連，裝夾及承載機構與液壓加載機構相連。進一步地，所述試驗臺臺體主要由試驗臺框架和試驗臺移動面組成，試驗臺框架由上下兩個金屬板以及連接兩個金屬板的四個金屬柱導軌組成，試驗臺移動面包括上下兩個金屬面，均與四個金屬柱導軌連接。所述泵站機構包括液壓泵站、油箱和電動機，液壓泵站油箱管道連接，液壓泵站由電動機驅動。所述液壓加載機構包括第一蓄壓器、第二蓄壓器、伺服電磁閥、液壓放大器、液壓缸，同時還包括第一濾油器、第二濾油器、第三濾油器、單向閥、溢流閥等輔助液壓器件；液壓伺服電磁閥為三位四通閥，其四個油路分別為高壓油路P、回油油路τ和兩個工作油路A、B,兩個工作油路A和B通過液壓放大器與液壓油缸相連；回油油路T與油箱管路連接，高壓油路通過單向閥與液壓泵站管路連接，溢流油路一端接伺服電磁閥的高壓油路P上，另一端與油箱相連，溢流閥固定在溢流油路上；第一蓄壓器和第二蓄壓器用於保持試驗系統壓力穩定，第一蓄壓器與伺服電磁閥的回油油路T相連， 第二蓄壓器與伺服電磁閥的高壓油路P相連，第一濾油器、第二濾油器、第三濾油器分別固定在回油油路T、高壓油路P和溢流油路上，用於過濾液壓油。所述裝夾及承載機構包括承載機構、小頭夾具、大頭夾具、小頭卡套、大頭卡套和負荷傳感器；其中，承載機構與液壓缸相連，並固定在試驗臺移動面的下金屬面上，負荷傳感器固定在試驗臺移動面的上金屬面上，小頭夾具通過小頭卡套緊固在承載機構上，小頭卡套通過小頭夾具緊固在承載機構上， 大頭卡套通過大頭夾具緊固在負荷傳感器上。所述控制系統包括上位機、下位機和應變片， 應變片和負荷傳感器分別與下位機相連，下位機與上位機相連。本實用新型的有益效果在於1、本實用新型屬於國內相關領域首個自主研發的試驗系統，可以代替連杆疲勞的實機試驗，具有較高的參考價值，大大節約了成本。2、本試驗系統對連杆的拉壓加載為非對稱加載，實現任意負荷比，可以模擬較多工況進行加載，因此可以應用於很大範圍內的連杆疲勞試驗。3、本試驗系統在試驗過程中，通過負荷傳感器和美國m信號採集設備隨時對連杆所加載的拉壓力進行採集並顯示出加載的波形。這樣，試驗人員可以更好地監測試驗的加載情況，保證試驗準確良好的運行。4、本試驗系統既可以用於發動機連杆疲勞試驗，又可以用於發動機連杆等零部件靜載試驗，實現了功能多樣化。

圖1為試驗系統示意圖；圖2液壓加載機構示意圖；圖3控制系統功能框圖；圖4試驗程序框圖。圖中的附圖標記試驗臺框架1、液壓泵站2、第一蓄壓器3、第二蓄壓器4、伺服電磁閥5、液壓放大器 6、液壓缸7、承載機構8、小頭夾具9、小頭卡套10、連杆試件11、大頭卡套12、大頭夾具13、 負荷傳感器14、試驗臺移動面15、油箱16、電動機17、第一濾油器18、第二濾油器19、第三濾油器20、單向閥21、溢流閥22。
具體實施方式
以下結合附圖詳細描述本實用新型。一、發動機連杆液壓疲勞試驗系統的總體構成試驗系統由試驗臺架和控制系統兩大部件組成。根據功能分，試驗臺架包括泵站機構、液壓加載機構、試驗臺臺體、裝夾及承載機構。試驗系統如圖1所示。二、試驗系統各部分介紹泵站機構如圖2所示，泵站機構包括液壓泵站2、油箱16和電動機17，泵站機構的主要作用
4是為系統提供液壓動力，向液壓加載機構提供一定壓力、一定流量的液壓油。本試驗系統的液壓泵站2為壓力流量複合控制柱塞泵構成的可卸荷恆壓變量泵，在電動機17的驅動下， 液壓泵站2由油箱16中吸油向共軌閥組提供壓力油。液壓加載機構如圖1、2所示，液壓加載機構包括第一蓄壓器3、第二蓄壓器4、伺服電磁閥5、液壓放大器6、液壓缸7，同時還包括第一濾油器18、第二濾油器19、第三濾油器20、單向閥21、 溢流閥22等輔助液壓器件。液壓伺服電磁閥5為三位四通閥，其中P為高壓油路、T為回油油路、A與B為工作油路，伺服電磁閥5有三個狀態非工作狀態(P、Τ、A、B都不接通)，P與A、T與B接通狀態，P與B、T與A接通狀態；液壓放大器6用於對液壓壓力的放大，以提供更大的加載載荷； 液壓油缸7為單杆雙作用活塞液壓缸，用於執行對發動機機體的加載；第一蓄壓器3和第二蓄壓器4用於保持試驗系統壓力穩定，其中，第一蓄壓器3位於回油油路，第二蓄壓器4位於高壓油路；第一濾油器18、第二濾油器19、第三濾油器20用於過濾液壓油；單向閥21用於防止壓力油回流到液壓泵站；溢流閥22用於防止壓力過高，使系統壓力保持在規定值以下。具體實施過程為液壓泵站2在電動機17的帶動下，從油箱16中吸油，產生高壓油，高壓油經過第二濾油器19和單向閥21進入高壓油路(當此時高壓油壓力過高超過溢流閥22的設定壓力時，溢流閥22打開，高壓油經第三濾油器20流回油箱16)；第二蓄壓器4 與高壓油路相連，穩定高壓油路內壓力；當伺服電磁閥進入工作狀態，P與A、T與B接通時， 高壓油經液壓放大器6注入液壓缸7下部，上部處於回油狀態，液壓缸7活塞有向上運動趨勢，產生對連杆試件的壓力，通過設定值便實現對連杆試件的壓縮載荷加載；當P與B、T與 A接通時，高壓油經液壓放大器6注入液壓缸上部，下部處於回油狀態，液壓缸活塞有向下運動趨勢，產生對連杆試件11的拉力，通過設定值便實現對連杆試件的拉伸載荷加載。整個液壓加載系統在控制下可以實現不同頻率、不同載荷、不同應力比的加載方式。試驗臺臺體如圖1所示，試驗臺臺體主要由試驗臺框架1和試驗臺移動面15組成，試驗臺臺體用於固定連杆試件以及其它機構。試驗臺框架1由上下兩個矩形金屬板以及連接兩個矩形金屬板的四個金屬柱導軌組成。試驗臺移動面15分為上下兩個金屬面，可以沿著導軌上下移動，移動到指定位置後可以固定，以針對不同長度的連杆試件進行疲勞試驗。裝夾及承載機構如圖1所示，裝夾機構包括承載機構8、大頭夾具13、小頭夾具9、大頭卡套12、小頭卡套10和負荷傳感器14。在工況下，連杆小頭孔與活塞銷之間一般為間隙配合且有潤滑油並帶有襯套。在疲勞試驗過程中，連杆的裝夾方式應儘量模擬連杆實際工作中的受載環境，並加注潤滑油。 在使用高頻疲勞試驗機進行試驗時，由於試驗設備要求連杆小頭孔與銷之間必須採用過盈配合，所以連杆小頭孔與活塞銷之間不能加注潤滑油，連杆孔在試驗過程中的受載情況與實際工況有較大差別，影響了試驗結果。本試驗系統頻率基本在15HZ以下，所以不採用高頻疲勞試驗的裝夾方式。[0036]試驗時，大頭用尺寸與曲軸連杆軸頸相同的大頭銷替代，小頭孔與活塞銷可採用間隙配合方式連接。然後大頭裝入大頭卡套12，小頭裝入小頭卡套10，最後由大頭夾具13 和小頭夾具9緊固，就可以保證連杆在疲勞試驗過程中保持靜止。承載機構8用於把液壓加載系統的拉壓載荷傳遞給連杆試件，所以它上面與裝夾機構的小頭夾具9相連，下面與液壓缸7相連，試載荷穩定平均的加載到連杆試件11。信號測量與監測系統本試驗系統的信號測量與監測主要分為應變信號的測量與監測和負荷信號的測量與監測。對於應變信號，通過應變片、應變儀以及美國NI公司的9237應變模塊、下位機 (CRI0控制器)和上位機(PC機)完成。對於負荷信號，通過負荷傳感器14、美國NI公司的 920IAD模塊、位機(CRI0控制器)和上位機(PC機)完成。所採集的信號通過信號線依次連接上位計算機和下位控制計算機。對於應變信號的監測，主要用於對機體試件疲勞破壞的判定，當應變變化連續超出預定的範圍後，系統就會判定機體試件發生疲勞破壞。對於負荷信號的監測，主要是為了觀察加載到連杆試件的實際載荷大小，這樣能更加準確的反應疲勞試驗系統的加載情況。控制系統液壓疲勞試驗臺的控制系統功能框圖如圖3所示，本系統採用上下位機結構，上位計算機為PC機，下位控制器採用美國NI公司的嵌入式控制器CRI09014，它包含一個實時控制器與三百萬門可重配置的現場可編程門陣列(FPGA)晶片，並且包含8個熱插拔工業 I/O插槽，可容易實現對應變、拉壓負荷等信號的測量和伺服電磁閥的控制輸出。試驗過程中，下位機將控制過程中的應變(通過NI9237模塊採集)、負荷等信號(通過NI9201模塊採集)通信給上位機以供上位機顯示、存儲、分析；上位機又將控制參數(包括FPGA程序)通信給下位機，通過下位機控制液壓加載系統(通過NI9263實現)和安全報警系統(通過和NI9401模塊和NI9485SSR模塊實現)。整個控制程序基於NI公司的LabVIEW 開發平臺完成，具有較高的可靠性和準確性。安全及報警系統為保證試驗的安全進行，試驗系統設有多重報警裝置。主要有液壓油洩漏、管路堵塞、油箱液位、油箱溫度、加載壓力、試驗試件疲勞破壞、試驗超時。當出現異常時，報警系統進行故障報警，並自動切斷試驗系統電源，停止整個系統的一切動作，並在PC機上顯示故障類別。數據存儲分析系統試驗中所有的測量結果，包括最終的試驗結果，都保存於上位機指定的位置。上位機軟體中數據的管理都是在資料庫中進行的，既便於操作，也保證了數據的安全性。數據操作生成兩個文件，一個為試驗信息，另一個為試驗數據。試驗信息包括試驗編號、試驗日期、試件參數、試驗人員、試驗地點等試驗相關信息；試驗數據主要是試驗系統試驗過程中採集的試驗數據，主要有應變信號、拉壓負荷信號、循環次數、疲勞狀態等。試驗數據的分析主要是在試驗過程中進行監測時疲勞破壞的判斷和拉壓負荷監測，以及試驗結束後對數據的過後分析，得出試驗試件的疲勞特性相關參數。三試驗系統實施[0051]1.試驗準備工作首先，調試準備液壓系統，包括泵站機構和液壓加載機構。確保管路通常、液壓油壓力溫度正常、油箱液位正常、蓄壓器工作指標正常、伺服電磁閥狀態正常、電氣控制系統正常。其次，試件的安裝。(1)將與曲軸連杆軸頸相同的大頭銷安裝到連杆試件大頭；(2)將活塞銷安裝到連杆試件小頭；(3)安裝後加注潤滑油；(4)將大頭裝入大頭卡套12，由大頭夾具13夾緊；小頭裝入小頭卡套10，由小頭夾具9夾緊；( 5 )在連杆試件11各採集部分粘貼應變片；(6)檢查負荷傳感器14與承載機構與裝夾機構以及連杆試件11的連接狀態，確保良好；(7)連接好液壓加載系統的各管路； (8)試件應變採集和拉壓負荷採集連接線接入控制櫃內採集模塊，確保連線正確。( 9 )最後，完成上位機軟體安裝，整個控制系統自檢正常。2.試驗過程準備過程完畢後，將進行試驗過程，試驗流程圖如圖4所示。( 1)整個系統開啟並進行自檢。(2)對試驗參數進行設置，包括試驗編號、試驗日期、試驗人員、試驗地點、試驗單位等試驗相關信息；連杆型號、缸徑、標定轉速、最大轉速、曲柄半徑、活塞組質量、連杆組質量、最大爆發壓力、連杆長度等試驗試件相關信息；加載頻率、循環次數、最大壓縮載荷、最大拉伸載荷等疲勞試驗信息。(3)試驗系統各部分開始工作，進行連杆疲勞試驗。試驗過程中，上位機監測界面顯示各部分監測信息，試驗連續進行直到系統發生故障、連杆疲勞破壞判定成功、指定試驗循環結束或者人為關閉系統。試驗數據進行保存完成試驗。最後，以上公布的僅是本實用新型的具體實施例。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種連杆液壓疲勞試驗系統，其特徵在於，它主要由試驗臺架和控制系統兩大部件組成；其中，試驗臺架包括泵站機構、液壓加載機構、試驗臺臺體、裝夾及承載機構；泵站機構、液壓加載機構、裝夾及承載機構均固定在試驗臺臺體上，液壓加載機構與泵站機構相連，裝夾及承載機構與液壓加載機構相連。
2.根據權利要求1所述連杆液壓疲勞試驗系統，其特徵在於，所述試驗臺臺體主要由試驗臺框架(1)和試驗臺移動面(15)組成，試驗臺框架(1)由上下兩個金屬板以及連接兩個金屬板的四個金屬柱導軌組成，試驗臺移動面(15)包括上下兩個金屬面，均與四個金屬柱導軌連接。
3.根據權利要求1所述連杆液壓疲勞試驗系統，其特徵在於，所述泵站機構包括液壓泵站(2)、油箱(16)和電動機(17)，液壓泵站(2)油箱(16)管道連接，液壓泵站(2)由電動機(17)驅動。
4.根據權利要求1所述連杆液壓疲勞試驗系統，其特徵在於，所述液壓加載機構包括第一蓄壓器(3)、第二蓄壓器(4)、伺服電磁閥(5)、液壓放大器(6)、液壓缸(7)、第一濾油器(18)、第二濾油器(19)、第三濾油器(20)、單向閥(21)和溢流閥(22)；液壓伺服電磁閥(5) 為三位四通閥，其四個油路分別為高壓油路、回油油路、兩個工作油路，兩個工作油路通過液壓放大器(6)與液壓油缸(7)相連；回油油路與油箱(16)管路連接，高壓油路通過單向閥 (21)與液壓泵站(2)管路連接，溢流油路一端接伺服電磁閥(5)的高壓油路上，另一端與油箱(16)相連，溢流閥(22)固定在溢流油路上；第一蓄壓器(3)與伺服電磁閥(5)的回油油路相連，第二蓄壓器(4)與伺服電磁閥(5)的高壓油路相連，第一濾油器(18)、第二濾油器(19)、第三濾油器(20)分別固定在回油油路、高壓油路和溢流油路上。
5.根據權利要求1所述連杆液壓疲勞試驗系統，其特徵在於，所述裝夾及承載機構包括承載機構(8)、小頭夾具(9)、大頭夾具(13)、小頭卡套(10)、大頭卡套(12)和負荷傳感器 (14);其中，承載機構(8)與液壓缸(7)相連，並固定在試驗臺移動面(15)的下金屬面上，負荷傳感器(14)固定在試驗臺移動面(15)的上金屬面上，小頭夾具(9)通過小頭卡套(10) 緊固在承載機構(8)上，小頭卡套(10)通過小頭夾具(9)緊固在承載機構(8)上，大頭卡套 (12)通過大頭夾具(13)緊固在負荷傳感器(14)上。
6.根據權利要求1所述連杆液壓疲勞試驗系統，其特徵在於，所述控制系統包括上位機、下位機和應變片，應變片和負荷傳感器(14)分別與下位機相連，下位機與上位機相連。
專利摘要本實用新型公開了一種連杆液壓疲勞試驗系統，它主要由試驗臺架和控制系統兩大部件組成；試驗臺架包括泵站機構、液壓加載機構、試驗臺臺體、裝夾及承載機構；泵站機構、液壓加載機構、裝夾及承載機構均固定在試驗臺臺體上，液壓加載機構與泵站機構相連，裝夾及承載機構與液壓加載機構相連；本試驗系統對連杆的拉壓加載為非對稱加載，實現任意負荷比，可以模擬較多工況進行加載，因此可以應用於很大範圍內的連杆疲勞試驗。
文檔編號G01N3/36GK202229995SQ20112032465
公開日2012年5月23日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者俞小莉, 劉宏瑞, 劉海軍, 劉震濤, 李建鋒 申請人:浙江大學