專利名稱：發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于發(fā)動機試驗的設備，特別涉及一種以液壓進行加載對發(fā) 動機機體疲勞特性進行檢測的試驗系統(tǒng)。
背景技術：
機體是整個發(fā)動機的骨架，支承和固定著所有的零部件，結(jié)構(gòu)和負荷情況非常復 雜。機體的結(jié)構(gòu)包括氣缸體、曲軸箱和支撐底座(或油底殼)。它是一個內(nèi)部有很多隔板 的復雜箱形殼體結(jié)構(gòu)，其上裝有發(fā)動機的氣缸蓋、曲軸連桿機構(gòu)、所有的附件和附件傳動機 構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)基礎上按照其強度和剛度的要求布置了各種加強筋，并且各種運動件的潤滑、 受熱件的冷卻和發(fā)動機的固定安裝也都通過機體來實現(xiàn)。機體在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時承受很復雜的負荷各缸內(nèi)氣體對氣缸蓋底面和氣缸表面的 均布氣體壓力，經(jīng)活塞作用于各氣缸壁的側(cè)壓力，經(jīng)曲軸加在各主軸承上的力，支架對發(fā)動 機的支承反力和反力矩。這些力的大小、方向隨工況和曲軸轉(zhuǎn)角不斷變化，有些力的作用點 也在不斷變化。此外，即使在發(fā)動機不運轉(zhuǎn)時，各氣缸蓋螺栓、主軸承螺栓也使被緊固部分 受力。以上各種力和力矩使各部分受到交變的拉壓彎扭，產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài)。隨著現(xiàn)在發(fā)動機設計中輕量化和高負荷化的趨勢，機體工作可靠性得到越來越多 的關注。研究機體疲勞特性的目的在于保證發(fā)動機的正常工作、避免設計因偏重安全而浪 費材料。確定機體疲勞特性的方法不外乎兩類。一是利用模擬或模型實驗以至零件的實機 試驗來確定，二是利用計算來確定，這兩種方法互為補充。在實際工程中，計算方法本身需 要通過試驗驗證并提供定解的邊界條件，而試驗由于其精度和工作量的限制也往往需要通 過計算分析得出更為詳盡和全面的結(jié)果。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種發(fā)動機機體 液壓疲勞試驗系統(tǒng)，即以液壓進行加載對發(fā)動機機體疲勞特性進行檢測的試驗系統(tǒng)。為解決該技術問題，本實用新型的技術方案是提供一種發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，包括液壓泵站，還包括液壓脈沖加載機 構(gòu)、信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；其中，所述液壓脈沖加載機構(gòu)包括依次連接的液壓共 軌模塊、液壓伺服電磁閥、液壓放大器和液壓油缸，液壓油缸與待測發(fā)動機機體相連；所述 信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)包括依次電連接的應變片、應變儀、應變模塊，以及電連接的壓力傳感 器與AD模塊，應變模塊和AD模塊均經(jīng)下位機連接至上位機；所述控制系統(tǒng)包括前述下位機 和上位機，其中下位機為采用美國NI公司的CRIO控制器，上位機為內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng) 的PC機；下位機通過信號線分別接于液壓共軌模塊、液壓放大器和液壓伺服電磁閥。液壓共軌模塊是一個具有一路高壓油路進口通道和多路與液壓伺服電磁閥連接 的出口通道，并具有一定內(nèi)腔容積的金屬模塊(其內(nèi)腔容積大小應與整個液壓系統(tǒng)的流量相匹配)。主要功能是穩(wěn)定液壓回路中的壓力，消除回路中的壓力波動，并完成高壓油路與 多個液壓伺服電磁閥聯(lián)通。本實用新型中，還包括高壓蓄能器和低壓蓄能器；所述液壓伺服電磁閥為三位四 通閥，在閥門不同的啟閉狀態(tài)下，閥門內(nèi)部通道與液壓共軌模塊的內(nèi)部通道分別組成高壓 油路和低壓油路；所述高壓蓄能器與高壓油路連通，低壓蓄能器與低壓油路連通，可分別接 于液壓共軌模塊的兩端。本實用新型中，還包括一個用于承載待測發(fā)動機機體的機械臺體；該機械臺體包 括支架、手柄、夾臂、導軌、減速機、傳動機構(gòu)和輪腳，可實現(xiàn)發(fā)動機機體的水平移動和翻轉(zhuǎn)。本實用新型中，還有一個安全及報警系統(tǒng)，包括用于檢測液壓油泄漏、管路堵塞、 油箱液位、油箱溫度、加載壓力不正常、試驗試件疲勞破壞或試驗超時的報警檢測單元中的 至少一個；報警檢測單元經(jīng)下位機連接至上位機，下位機同時還通過信號線連接至總控制 開關。本實用新型中，當所述試驗系統(tǒng)對待測發(fā)動機機體進行試驗時，在待測發(fā)動機機 體上裝有模擬活塞連桿、模擬曲軸和主軸承底座，所有螺栓連接的螺栓力矩都與實際發(fā)動 機裝配力矩相同。本實用新型中，當所述試驗系統(tǒng)對待測發(fā)動機機體進行試驗時，液壓油缸位于待 測發(fā)動機機體上并固定在一起，螺栓力矩與實際發(fā)動機缸蓋裝配力矩相同。本實用新型中，當所述試驗系統(tǒng)對待測發(fā)動機機體進行試驗時，在模擬活塞連桿 上和試驗缸主軸承座上安裝有應變片，該應變片依次電連接應變儀和應變模塊，并經(jīng)下位 機連接至上位機。實際運用時可通過應變儀及美國NI公司的信號采集系統(tǒng)進行應變采集， 利用所采集的應變信號作為試驗發(fā)動機機體的疲勞破壞的判據(jù)，即通過監(jiān)測試驗發(fā)動機機 體的應變變化來判斷機體是否產(chǎn)生裂紋發(fā)生疲勞破壞。本實用新型中，所述上位機中內(nèi)置有一個數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)，采用Labview軟 件編寫完成，采集的信號數(shù)據(jù)由下位控制器(美國NI公司的CRIO控制器)通過信號線傳 輸?shù)缴衔粰C進行存儲和分析。本實用新型中，所述液壓共軌模塊是六通道的液壓共軌模塊，共有六路液壓伺服 電磁閥與之相連?？梢詫崿F(xiàn)控制六路液壓伺服電磁閥和相對應的液壓放大器實現(xiàn)對機體的 單缸加載和多缸加載(最多可同時加載六缸)。試驗系統(tǒng)在對發(fā)動機機體加載時，可以根據(jù)試驗發(fā)動機設定不同的加載頻率、加 載載荷大小以及加載波形(正弦波、三角波、矩形波)。既可以用于發(fā)動機機體疲勞試驗，又 可以用于發(fā)動機零部件靜載試驗。本實用新型的有益效果在于本實用新型可以代替目前對機體疲勞的實機考核工作，大大節(jié)約了試驗成本。本實用新型可以實現(xiàn)對機體的單缸和多缸加載。目前在發(fā)動機機體疲勞試驗方面 主要只進行單缸加載試驗，再通過計算得出各缸的疲勞特性，這樣試驗本身存在很大的局 限性，不能模擬實際發(fā)動機機體所受的載荷，也不能同時對各缸進行疲勞強度的比較。通過 單缸和多缸加載的方式可以彌補以上局限，提高試驗的準確性。試驗系統(tǒng)采用所采集的應變信號作為試驗發(fā)動機機體的疲勞破壞的判據(jù)。目前在 發(fā)動機機體疲勞試驗方面主要采用使試件完成指定加載循環(huán)，試驗人員結(jié)束后檢查裂紋或加載中檢查裂紋的方法，由于裂紋產(chǎn)生的特性導致這種方法所反應的機體疲勞破壞與真實 破壞產(chǎn)生的時間有較大的誤差。本試驗系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測試件應變變化，可以在更準確的 時間內(nèi)反應試件疲勞破壞的產(chǎn)生。本實驗系統(tǒng)既可以用于發(fā)動機機體疲勞試驗，又可以用于發(fā)動機零部件靜載試 驗，實現(xiàn)了功能多樣化。

圖1為試驗系統(tǒng)示意圖；圖2機械臺體示意圖；圖3液壓脈沖加載機構(gòu)示意圖；圖4控制系統(tǒng)功能框圖。圖中的附圖標記1液壓泵站、2高壓蓄能器、3液壓伺服電磁閥、4共軌模塊、5低壓蓄能器、6液壓放 大器、7液壓缸；8傳動機構(gòu)、9手柄、10減速器、11支架、12導軌、13輪腳、14夾臂；15單向 閥、16溢流閥、17單向閥、18濾油器、19濾油器、20電動機、21油箱。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，對本實用新型的具體實施方式
進行詳細表述。一、發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)的總體構(gòu)成試驗臺由試驗臺架和控制系統(tǒng)兩大部件組成。根據(jù)功能分，它包括液壓泵站1、 液壓脈沖加載機構(gòu)、機械臺體、信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全及報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲 分析系統(tǒng)等。試驗系統(tǒng)如圖1所示。二、試驗系統(tǒng)各部分介紹1、液壓泵站如圖3所示，液壓泵站1主要作用是為系統(tǒng)提供液壓動力，向液壓加載機構(gòu)提供一 定壓力、一定流量的液壓油。本試驗系統(tǒng)的液壓泵站為壓力流量復合控制柱塞泵構(gòu)成的可 卸荷恒壓變量泵，在電動機20的驅(qū)動下，液壓泵站1由油箱21中吸油向共軌閥組提供壓力 油。2、液壓脈沖加載機構(gòu)如圖1、3所示，液壓脈沖加載機構(gòu)主要包括共軌模塊4、六路液壓伺服電磁閥3、液 壓放大器6、液壓油缸7、高壓蓄能器2和低壓蓄能器5組成。共軌模塊4與高壓蓄能器2和低壓蓄能器5組成壓力穩(wěn)定系統(tǒng)，保持一定的加載 壓力，其中高壓蓄能器2位于高壓油路，低壓蓄能器5位于低壓油路；液壓伺服電磁閥為三 位四通閥，其中P為高壓油路、T為回油油路、A為加載油路、X路封閉，P與A連通時高壓油 進入液壓缸進行加載，T與A連通時液壓缸回油到低壓油路，P或T與X接通時都處于封閉 狀態(tài)；液壓放大器用于對液壓壓力的放大，以提供更大的加載載荷；液壓油缸執(zhí)行對發(fā)動 機機體的加載。具體實施過程為液壓泵站1在電動機20的帶動下，從油箱21中吸油，產(chǎn)生高壓 油，高壓油經(jīng)過濾油器19和單向閥15進入高壓油路(當此時高壓油壓力過高超過溢流閥16的設定壓力時，溢流閥16打開，高壓油經(jīng)濾油器18流回油箱21)；高壓蓄能器2與高壓 油路相連，穩(wěn)定高壓油路內(nèi)壓力；當指定六路中的液壓伺服電磁閥(圖中省略的電磁閥與 其它電磁閥一樣)加載時，電磁閥接通P與A路通道，液壓壓力經(jīng)過液壓放大器6放大，由 液壓缸7加載到發(fā)動機機體上；加載完畢后，T與A接通，液壓缸回油到低壓油路；低壓油通 過單向閥17和濾油器流回到油箱21。通過對液壓伺服電磁閥和液壓油路壓力的控制可以實現(xiàn)在加載過程中加載頻率、 加載載荷、加載波形的控制。3、機械臺體如圖2所示，機械臺體包括支架11、手柄9、夾臂14、導軌12、減速器10、傳動機構(gòu) 8和輪腳13。夾臂14可以沿導軌12移動，根據(jù)試件大小進行調(diào)整，將試件夾緊后夾臂與 試件間用螺栓連接，每個夾臂有三個連接螺栓。整個臺體有四個輪腳，可以通過輪腳13水 平移動，也可以通過轉(zhuǎn)動手柄9實現(xiàn)試件的翻轉(zhuǎn)。試驗準備過程中，用夾臂14夾緊試件，再通過移動臺體，翻轉(zhuǎn)試件完成與其他試 驗設備的裝配；試驗時，將發(fā)動機機體試件轉(zhuǎn)到正常的水平位置，上面安裝液壓油缸。4、信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)本試驗系統(tǒng)的信號測量與監(jiān)測主要分為應變信號的測量與監(jiān)測和壓力信號的測 量與監(jiān)測。對于應變信號，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。對于壓力信號，通過壓力傳感器、美國NI公司的 9201AD模塊、位機(CRI0控制器)和上位機(PC機)完成。所采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。對于應變信號的監(jiān)測，主要用于對機體試件疲勞破壞的判定，當應變變化連續(xù)超 出預定的范圍后，系統(tǒng)就會判定機體試件發(fā)生疲勞破壞。對于壓力信號的監(jiān)測，一是為了對 載荷進行反饋控制，一是為了出現(xiàn)異常時報警、停機。5、控制系統(tǒng)液壓疲勞試驗臺的控制系統(tǒng)功能框圖如圖4所示，本系統(tǒng)采用上下位機結(jié)構(gòu)，上 位計算機為PC機，下位控制器采用美國NI公司的嵌入式控制器CRI09004，它包含一個實 時控制器與三百萬門可重配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片，并且包含8個熱插拔工業(yè) I/O插槽，可容易實現(xiàn)對應變、壓力等信號的測量和伺服閥的控制輸出。試驗過程中，下位機將控制過程中的應變、壓力等信號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(shù)(包括FPGA程序)通信給下位機，通過下位機控制 液壓加載系統(tǒng)和安全報警系統(tǒng)。整個控制程序基于NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺完成，具有 較高的可靠性和準確性。6、安全及報警系統(tǒng)為保證試驗的安全進行，試驗系統(tǒng)設有多重報警裝置。主要有液壓油泄漏、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(xiàn)異常時，報警系 統(tǒng)進行故障報警，并自動切斷試驗系統(tǒng)電源，停止整個系統(tǒng)的一切動作，并在PC機上顯示 故障類別。7、數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)試驗中所有的測量結(jié)果，包括最終的試驗結(jié)果，都保存于上位機指定的位置。上位機軟件中數(shù)據(jù)的管理都是在數(shù)據(jù)庫中進行的，既便于操作，也保證了數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)操 作生成兩個文件，一個為試驗信息，另一個為試驗數(shù)據(jù)。試驗信息包括試驗編號、試驗日期、試件參數(shù)、試驗人員、試驗地點等試驗相關信 息；試驗數(shù)據(jù)主要是試驗系統(tǒng)試驗過程中采集的試驗數(shù)據(jù)，主要有應變信號、壓力信號、循 環(huán)次數(shù)、疲勞狀態(tài)等。試驗數(shù)據(jù)的分析主要是在試驗過程中進行監(jiān)測時疲勞破壞的判斷和壓力狀態(tài)判 斷，以及試驗結(jié)束后對數(shù)據(jù)的過后分析，得出試驗試件的疲勞特性相關參數(shù)。三試驗系統(tǒng)實施1.試驗準備工作首先，調(diào)試準備液壓系統(tǒng)，包括液壓泵站1和液壓脈沖加載機構(gòu)。確保管路通常、 液壓油壓力溫度正常、油箱液位正常、蓄能器工作指標正常、各個電磁閥狀態(tài)正常、電氣控 制系統(tǒng)正常。其次，試件的安裝。1)將機體固定在支架11上；2)在試驗缸主軸承座粘貼應變片；3)在試驗用模擬活塞連桿上粘貼應變片；4)完成模擬活塞連桿與模擬曲軸裝配，并裝入試驗缸內(nèi)；5)將主軸承底座安裝于機體上，螺栓力矩與發(fā)動機裝配力矩相同；6)搖動手柄，將機體調(diào)整至垂直位置；7)安裝支撐底座；8)安裝液壓增壓油缸到機體上，確保液壓油缸底面與模擬活塞頂面可靠性接觸， 通過螺栓將液壓油缸與機體固定在一起，螺栓力矩與發(fā)動機缸蓋安裝力矩相同；9)安裝缸內(nèi)壓力傳感器；10)連接共軌模塊與液壓油缸高壓油管；11)試件應變采集和壓力采集連接線接入控制柜內(nèi)采集模塊，確保連線正確。最后，完成上位機軟件安裝，整個控制系統(tǒng)自檢正常。2.試驗過程準備過程完畢后，將進行試驗過程。首先，對試驗參數(shù)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、安全系數(shù)、動態(tài)系數(shù)、液壓放大器載荷放大倍數(shù)等試驗相關信息；還包括試驗發(fā)動機 相關信息，如型號、缸徑、供油方式、沖程、標定功率和標定轉(zhuǎn)速、壓縮比、汽缸數(shù)、氣門數(shù)、 最大轉(zhuǎn)矩等。其次，設置完畢后，系統(tǒng)進行自檢，判斷是否正常。最后，試驗系統(tǒng)各部分開始工作，進行發(fā)動機機體疲勞試驗。試驗過程中，上位機 監(jiān)測界面顯示各部分監(jiān)測信息，試驗連續(xù)進行直到系統(tǒng)發(fā)生故障、機體疲勞破壞判定成功、 指定試驗循環(huán)結(jié)束或者人為關閉系統(tǒng)。試驗數(shù)據(jù)進行保存完成試驗。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(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，包括液壓泵站，其特征在于，還包括液壓脈沖加 載機構(gòu)、信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；其中，液壓脈沖加載機構(gòu)包括依次連接的液壓共軌模塊、液壓伺服電磁閥、液壓放大器和液 壓油缸，液壓油缸與待測發(fā)動機機體相連；信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)包括依次電連接的應變片、應變儀、應變模塊，以及電連接的壓力 傳感器與AD模塊，應變模塊和AD模塊均經(jīng)下位機連接至上位機；控制系統(tǒng)包括前述下位機和上位機，其中下位機為CRIO控制器，上位機為內(nèi)置數(shù)據(jù)存 儲分析系統(tǒng)的PC機；下位機通過信號線分別接于液壓共軌模塊、液壓放大器和液壓伺服電 磁閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，還包括高壓蓄 能器和低壓蓄能器；所述液壓伺服電磁閥為三位四通閥，在閥門不同的啟閉狀態(tài)下，閥門內(nèi) 部通道與液壓共軌模塊的內(nèi)部通道分別組成高壓油路和低壓油路；所述高壓蓄能器與高壓 油路連通，低壓蓄能器與低壓油路連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個機 械臺體；該機械臺體包括支架、手柄、夾臂、導軌、減速機、傳動機構(gòu)和輪腳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，還有一個安全 及報警系統(tǒng)，包括用于檢測液壓油泄漏、管路堵塞、油箱液位、油箱溫度、加載壓力不正常、 試驗試件疲勞破壞或試驗超時的報警檢測單元中的至少一個；報警檢測單元經(jīng)下位機連接 至上位機，下位機同時還通過信號線連接至總控制開關。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，當所述試驗系 統(tǒng)對待測發(fā)動機機體進行試驗時，在待測發(fā)動機機體上裝有模擬活塞連桿、模擬曲軸和主 軸承底座，所有螺栓連接的螺栓力矩都與實際發(fā)動機裝配力矩相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，當所述試驗系 統(tǒng)對待測發(fā)動機機體進行試驗時，液壓油缸位于待測發(fā)動機機體上并固定在一起，螺栓力 矩與實際發(fā)動機缸蓋裝配力矩相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，當所述試驗系 統(tǒng)對待測發(fā)動機機體進行試驗時，在模擬活塞連桿上和試驗缸主軸承座上安裝有應變片， 該應變片依次電連接應變儀和應變模塊，并經(jīng)下位機連接至上位機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機中 內(nèi)置有一個數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓共軌 模塊是六通道的液壓共軌模塊，共有六路液壓伺服電磁閥與之相連。
專利摘要本實用新型涉及用于發(fā)動機試驗的設備，旨在提供一種發(fā)動機機體液壓疲勞試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括液壓泵站、液壓脈沖加載機構(gòu)、信號測量與監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；其中液壓脈沖加載機構(gòu)包括依次連接的液壓共軌模塊、液壓伺服電磁閥、液壓放大器和液壓油缸，液壓油缸與待測發(fā)動機機體相連。本實用新型可以代替目前對機體疲勞的實機考核工作，大大節(jié)約了試驗成本，實現(xiàn)對機體的單缸和多缸加載。試驗系統(tǒng)采用所采集的應變信號作為試驗發(fā)動機機體的疲勞破壞的判據(jù)。既可以用于發(fā)動機機體疲勞試驗，又可以用于發(fā)動機零部件靜載試驗，實現(xiàn)了功能多樣化。
文檔編號G01N3/12GK201876393SQ20102066260
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者俞小莉, 劉宏瑞, 劉震濤, 張鵬偉, 沈瑜銘, 齊放 申請人:浙江大學