一种对整体零部件进行耐热疲劳试验的系统及方法

摘要

本发明公开了一种对整体零部件进行耐热疲劳试验的系统及方法，所述方法包括：通过PLC控制器设置试验系统的试验模式，加热炉的预定加热温度、预定保温时间、容置装置在水箱中的预定冷却时间；将同一种类型的零部件组放置在容置装置的容置腔内，启动试验系统，将容置装置放置到加热炉内；将零部件加热至预定加热温度，并在加热炉内保温预定保温时间；将容置装置移动至加热炉外并吊运至水箱内；使容置装置在水箱内停留至预定冷却时间，然后将容置装置吊运至加热炉外；将容置装置放入加热炉内，对零部件进行加热；重复如上操作；评判零部件组。本发明对多种类型的多个零部件同时试验，可直观地对比各零部件的热疲劳性能，试验的准确度和效率更高。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别涉及一种对整体零部件进行耐热疲劳试验 的系统及方法。

背景技术

气缸体、气缸盖、排气管等是发动机的主要零部件，其耐热疲劳性能的 好坏直接影响发动机的整体品质。发动机的零部件一旦进行材料变更或结构 更改都必须进行模拟工况的可靠性试验。气缸体、气缸盖、排气管等零部件 需要在高温下工作，因此，对于这些零部件的材料变更或结构改进，均需要 进行耐热疲劳试验。目前对发动机气缸体、气缸盖、排气管等零部件的耐热 疲劳试验有如下方式。

第一种是在发动机台架试验机上做可靠性试验，这种方式需要针对每种 结构或材料的零部件装配到一台发动机上，然后连接到台架试验机上进行可 靠性试验。针对每种结构或材料的零部件装配一台发动机，试验成本很高； 并且一次试验只能对一个零部件进行试验，正常情况下每次试验需要耗时500 小时，对不同结构或材料的同一种零部件全部做一次试验，周期很长，效率 很低；不能同时对同一种零部件的不同结构或材料进行试验，无法保证试验 条件相同，且无法进行直接对比，这样的试验误差较大。

第二种是在将零部件的局部取薄片后加工为结构相同的标准试样，或将 与该零部件材质相同的试块加工成结构相同的标准试样，将标准试样在小型 加热装置（加热温度在200℃以下）内加热到设定温度后，再用水或空气的方 式冷却停留一段时间，如此反复做冷热冲击疲劳试验，根据热疲劳裂纹萌生 的早晚和扩展速率做出判定。

金属材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产 生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后发生部分或完全断裂，断裂包括 裂纹的萌生与扩展的过程。

由于这种方式中的小型加热装置的最高温度在200℃以下，而气缸体、气 缸盖、排气管的工作温度在500℃以上，因此无法模拟这些零部件在实际工况 下的零部件的热疲劳情况；这种方式无法反应同一种材料的不同结构的零部 件的热疲劳性能，因此试验结果准确度欠佳；试验时需要专人在现场操作， 每隔数分钟一个冷热循环，每次均需要操作人员从加热装置取出样件并放入 水中冷却，然后再放回加热装置内，工作强度高，且效率低。

另外，还有一种气缸盖的热疲劳试验机，根据气缸盖上的温度场分布情 况在相应位置钻出若干个通孔，用于安装热电偶，在PLC系统上设置各个部 位的加热温度和冷却时间等参数，然后通过线圈对缸盖底面的燃烧室区域进 行循环式的加热和空冷以评判裂纹萌生和扩展情况。这种方式只能对气缸盖 做试验，通用性差；每次仅能试验一缸，为避免对临近缸造成影响，只能对 不相邻的两个缸进行试验，如六缸的气缸盖只能对第二和第五缸进行试验， 无法确定未做试验的那些缸是否存在薄弱位置；不同的气缸盖的温度场分布 不同，需要准备专用的线圈，且热电偶仅能一次性使用，试验成本高；每次 仅能试验一个气缸盖，不能同时对采用不同结构或不同材料的气缸盖方案进 行试验，无法保证它们的试验条件完全相同，且无法直接对比，对评判各方 案的优劣有一定影响。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理 解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术 人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种零部件整体耐热疲劳的试验系统及方法，从 而克服发动机气缸体、气缸盖、排气管等零部件的耐热疲劳试验效率低、准 确度欠佳的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种对整体零部件进行耐热疲劳试验的 方法，方法包括如下步骤：提供试验系统，其包括PLC控制器、自动吊运机 构、加热炉、水箱和容置装置，容置装置设有多个容置腔；通过PLC控制器 设置试验系统的试验模式，加热炉的预定加热温度、加热炉的预定保温时间、 容置装置在水箱中的预定冷却时间；将同一种类型的零部件组放置在容置装 置的多个容置腔内，零部件组包括不同材料或不同结构的多个零部件，启动 试验系统，将容置装置放置到加热炉内；将容置装置内的零部件加热至预定 加热温度，并在加热炉内保温预定保温时间；将容置装置移动至加热炉外， 自动吊运机构将容置装置吊运至水箱内；使容置装置在水箱内停留至预定冷 却时间，然后通过自动吊运机构将容置装置吊运至加热炉外；将容置装置放 入加热炉内，对零部件进行加热；重复如上操作直至试验系统完成预定总循 环次数；通过确定零部件的裂纹情况或热疲劳裂纹萌生与扩展速率来评判零 部件组。

优选地，上述技术方案中，PLC控制器设有定时观察模式，定时观察模 式设置了多个循环节点，如果PLC控制器为定时观察模式，在多个循环节点， 当容置装置从水箱吊运至加热炉外时，试验人员观察每个零部件的裂纹萌生 与扩展情况。

优选地，上述技术方案中，PLC控制器设有自动模式，自动模式设置了 预定总循环次数，如果PLC控制器为自动模式，则在完成预定总循环次数后， 试验人员观察每个零部件的裂纹情况。

优选地，上述技术方案中，加热炉的加热温度为200℃-1000℃，水箱的 温度保持在70℃以下。

本发明还提供了一种对整体零部件进行耐热疲劳试验的系统，系统包括： 容置装置，设有多个容置腔，多个容置腔用于容置同一种类型的零部件组， 零部件组包括不同材料或不同结构的多个零部件；加热炉，容置装置容置在 加热炉内进行加热；水箱，其内设有水循环控制装置，容置装置内的零部件 在加热后放置在水箱内进行冷却；以及PLC控制器，其控制试验系统的运行。

优选地，上述技术方案中，耐热疲劳试验系统还包括与PLC控制器配合 运行的自动吊运机构，自动吊运机构包括吊钩，以及使吊钩横向滑动的横向 导轨和使吊钩上下运动的纵向导轨和滑枕；横向导轨通过横梁支撑，横梁上 设有用于指导吊钩的运行轨迹的编码器。

优选地，上述技术方案中，加热炉内设有可移动的安置台，容置装置放 置在安置台上。

优选地，上述技术方案中，容置装置上设有提梁和卡扣，提梁通过卡扣 固定在容置装置上，以用于运输容置装置。

优选地，上述技术方案中，加热炉固定在地面上。

优选地，上述技术方案中，加热炉部分地固定在地面下，且容置装置放 置在加热炉的底部。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的容置装置可一次性对不同结构或材料的同一类型的零部件组进 行试验，每种类型的零部件组具有不同结构或材料的多个零部件，保证它们 在相同条件下进行试验，可直观地对比不同结构或材料的同一类型的零部件 组的热疲劳性能，同时，加热炉的最高温度与待试验的零部件的工作温度适 配或更高，确保零部件在实际工况或更苛刻的条件下进行试验，因此与现有 技术相比，试验的准确度更高，且试验周期短，效率高。容置装置可适用于 多种类型的零部件组，应用范围广，大大降低了试验的成本和总体效率。PLC 控制器的两种模式更人性化，可根据零部件的特点设置适合的模式，在确保 试验结果准确度的同时保证了总体效率。

附图说明

图1是根据本发明的零部件耐热疲劳的试验系统的一个实施例的结构图。

图2是根据本发明的零部件耐热疲劳的试验系统的另一个实施例的结构 图。

图3是根据本发明的加热炉的加载状态的结构图。

图4是根据本发明的加热炉的加热状态的结构图。

图5是根据本发明的容置装置的主视图。

图6是根据本发明的容置装置的俯视图。

主要附图标记说明：

1-加热炉，101-安置台，102-炉门/盖，2-水箱，3-PLC控制器，4-容置装 置，41-容置腔，42-提梁，43-卡扣，5-吊钩，6-横向导轨，7-横梁，8-立柱， 9-纵向导轨，10-滑枕，11-减速机，12-调整机构，13-地面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本 发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，零部件耐热疲劳的试验系统包 括加热炉1、水箱2、容置装置4、PLC控制器3和自动吊运机构。

如图1和图2-3所示，加热炉1（加热温度为200℃-1000℃）固定在地面 13上，加热炉1上设有炉门102，加热炉1内设有安置台101，安置台101上 设有放置容置装置4的固定位置，安置台101可相对于加热炉1移动，用于 运输容置装置4，如图2和3所示。加热炉1上设有安置台感应装置，安置台 感应装置由PLC控制器3控制。

如图5、6所示，本实施例的容置装置4的外形为立方体，容置装置4内 设有多个容置腔41，可同时容纳一种类型的零部件组，每种零部件组包括不 同材料或结构的多个零部件，且待试验的零部件的重点观察位置朝上放置， 便于在试验过程中对比。容置装置4可适用于不同类型的零部件，如气缸体、 气缸盖、排气管。容置装置4上设有提梁42，便于在试验过程中通过自动吊 运机构进行吊运。容置装置4上设有卡扣43，试验前将卡扣43与提梁42处 于分离状态，便于向容置装置4内放置零部件，零部件放好后用卡扣43卡住 提梁42使卡扣43竖直固定，便于实现自动吊运。

如图1所示，自动吊运机构包括吊钩5，以及用于使吊钩5横向滑动的横 向导轨6和用于使吊钩上下运动的纵向导轨9。两条横向导轨6通过横梁7支 撑，纵向导轨9上设有滑枕10。横梁7上设有编码器（图中未示出），编码器 在PLC控制器3的控制下指导吊钩5的运行轨迹。当加热炉1的安置台101 带着电炉容置装置4运行出来后，横梁7上的编码器控制吊钩5沿导轨6运 行到接近提梁42正上方时滑枕10带动吊钩5向下运行至吊钩低于提梁42的 上顶点，吊钩5再沿导轨6向前运行至提梁42正下方，吊钩5和滑枕10沿 纵向导轨9上升，将容置装置4提升到一定高度，吊钩5吊运着容置装置4 沿导轨6向水箱2方向移动至水箱2正上方后将容置装置4放入水箱2中。 脱钩过程与吊起过程相反，容置装置4中的零部件在水箱2内到达预设的冷 却时间后吊钩5按吊起行程将容置装置4吊起并放置到安置台101上进入下 一个循环。立柱8将横梁7支撑在地面13上，立柱8上设有调整机构12，用 于调整整个自动吊运机构的高度平衡。

水箱2的一部分放置在预设的沉坑中，另一部分露出地面13，水箱2内 设有水循环控制装置（图中未示出），并设有外接水箱和水循环系统，循环水 泵推动水箱内的水与外接水箱循环流动。水箱内的水循环系统可加速水温冷 却，试验过程中水温保持在70℃以下，可据此设计水箱的大小，一般在2m× 3m×2m，根据现场要求可露出地面一定高度，剩余部分沉到地下沉坑中，确 保水温保持在一定范围以达到冷却效果。

图2示出了本发明的零部件耐热疲劳的试验系统的另一个实施例，与图1 所示的实施例的区别在于，加热炉1为井式加热炉，其一部分放置在预设的 沉坑中，炉盖102通过PLC控制器的感应自动开/关，省去了安置台101，容 置装置4的外形为圆柱形，加热时容置装置4放置在加热炉1的底部。

PLC控制器3具有两种试验模式：

一种为自动模式，即设置预定总循环次数，试验系统完成预定总循环次 数后，试验系统停止运行，PLC控制器提示结束，随后试验人员对比不同材 料或不同结构的同一类型的各个零部件的裂纹情况；

另一种为定时观察模式，即根据零部件的预估循环次数（在预估循环次 数后零部件产生裂纹），设置预定总循环次数，以及预定观察时间和需要观察 的多个预定循环节点，越接近预估循环次数，观察的频率越高。如，预估循 环次数为100次，则预定循环节点为第70次、第80次、第85次、第90-100 次，即在循环第70次、第80次、第85次、第90-100次、以及第100次之后 的每一次时，观察零部件的裂纹萌生与扩展情况。

本发明的零部件耐热疲劳的试验方法包括如下步骤：

通过PLC控制器3设置加热炉1的预定加热温度、加热炉1的预定保温 时间、容置装置4在水箱2中的预定冷却时间及试验模式；

使加热炉1的安置台101从加热炉1中移出，将容置装置4放置在安置 台101的固定位置上，将待试验的零部件组放置在容置腔41内，装载完毕后 用卡扣43将提梁42固定，启动试验系统，通过PLC控制器3使安置台101 带着安置装置4移动至加热炉1内，并自动关闭炉门102；

启动加热炉1，将容置装置4内的零部件加热至预定加热温度，并在加热 炉1内保温预定保温时间；

在PLC控制器3的控制下，炉门102自动打开，安置台101移动至预定 位置，吊钩5通过自动吊运机构将容置装置4吊运至水箱2内；

通过外接水箱和水循环系统，使水箱2内的水温保持在70℃以内，容置 装置4在水箱2内保持至预设冷却时间后，自动吊运机构通过吊钩5将容置 装置4吊运至安置台101上，并自动脱钩；

如果PLC控制器3为定时观察模式，则试验人员在预定循环节点，当容 置装置4从水箱2吊运至加热炉1外时，试验人员观察零部件的裂纹萌生与 扩展情况，评判不同结构或不同材料的零部件的优劣；

如果PLC控制器3为自动模式，则完成预定总循环次数后试验人员观察 零部件的裂纹情况，评判不同结构或不同材料的零部件的优劣。

预定加热温度可设置为零部件的工作温度，如气缸盖的预定加热温度为 500℃，或设置为更高的温度，以加快零部件的热疲劳速度，如气缸盖的预定 加热温度为700℃。

本发明的容置装置可一次性对不同结构或材料的同一类型的零部件组进 行试验，每种类型的零部件组具有不同结构或材料的多个零部件，保证它们 在相同条件下进行试验，可直观地对比不同结构或材料的同一类型的零部件 组的热疲劳性能，同时，加热炉的最高温度与待试验的零部件的工作温度适 配或更高，确保零部件在实际工况或更苛刻的条件下进行试验，因此与现有 技术相比，试验的准确度更高，且试验周期短，效率高。容置装置可适用于 多种类型的零部件组，应用范围广，大大降低了试验的成本和总体效率。PLC 控制器的两种模式更人性化，可根据零部件的特点设置适合的模式，在确保 试验结果准确度的同时保证了总体效率。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。