[发明专利]活塞热负荷试验装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热疲劳实验装置，特别是涉及一种根据活塞实际工况下温度场特征设计光学转换片，以激光为热源的活塞热疲劳实验装置。

背景技术

目前，对于活塞热疲劳的测试装置的已知技术，如浙江大学等许多研究机构，已经相继建立起以电磁感应线圈、石英灯、电阻加热器或燃气火焰喷射器等为加热方式的热疲劳模拟实验平台。一般来说，这类测试装置的不足在于：实验周期比较长，加热区域不可控。

已知的技术中，有采用激光进行材料试样的热疲劳试验装置，如文献1，M.Kutsuna，S.Fujita，Y.Sugita，et al.Thermal fatiguetest for turbine housing by a pulse YAG laser[C].SPIE，1999，3888，该文献中公开了采用1.2kW的脉冲式YAG激光器作为加热源的热疲劳测试装置，实验平台为一紫铜热沉，其下通以冷水，作为测试装置的冷却装置，待测试件放于紫铜上，采用热电偶监测试件的温度。文献2，Schaus，Mand Pohl，M.Nd-YAG-laser simulated thermal shockand thermal fatigue behavior of railroadsteel.Metall，1998，52(7-8)，该文献中公开了采用脉冲式YAG激光器作为加热源、压缩空气或冷水作为冷却介质、红外测温仪作为测温手段的热疲劳测试系统。但是它们共有的缺点在于：不能对活塞整体进行激光诱发热疲劳测试，只能进行局部的疲劳测试，并且温度场控制不精确。

因此，现有技术的不足就需要提供一种改进的活塞热疲劳实验装置。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的实验周期长、加热区域不可控、温度控制不精确的缺点，从而提供一种实验周期短、加热区域可控、控制温度更精确、对活塞整体测试的激光诱发活塞热疲劳实验装置。

为此，本发明提供了一种激光诱发活塞热疲劳的实验装置，包括：支架，用于支撑待测活塞(100)；

加热装置(2)，用于对活塞(100)的不同区域分别进行加热，以模拟活塞真实工况下的受热状况；冷却装置(5)，用于对活塞(100)进行冷却；测温装置(3)，用于测量活塞(100)受热区域的温度；

监视装置(4)，用于监视活塞(100)表面的变化；以及控制装置，该控制装置分别与所述加热装置(2)、冷却装置(5)、测温装置(3)和监视装置(4)相连，用于分别执行加热控制、冷却控制、测量的读数采集和采集活塞表面变化图像。

本发明还提供了一种利用如上所述激光诱发活塞热疲劳的实验装置来执行激光诱发活塞热疲劳实验的方法，包括时间控制模式和/或温度控制模式，

对于时间控制模式，包括如下步骤：

1)通过控制装置(1)预设加热装置(2)的加热时间与冷却装置(5)冷却时间，以及循环次数；

2)设定加热装置(2)的激光器(21)输出激光的波形；

3)控制激光器(21)出光，以多个同心环形激光斑的形式照射到活塞(100)的上表面上，以模拟活塞真实工况条件下的受热情况；

4)判断出光时间，当大于等于设定的加热时间时，关闭激光器(21)，然后对活塞(100)进行冷却；

5)判断冷却时间，当大于等于设定的冷却时间时，关闭冷却装置；

6)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束实验；如果否，则返回步骤3)；

对于温度控制模式，包括如下步骤：

a)设定活塞(100)上某一观测点或某些观测点为控制参考点，并设定该点的温度变化范围的上限温度与下限温度，设定循环次数；

b)控制装置(1)控制加热装置(2)的激光器(21)出光；

c)判断控制参考点的温度；当从测温装置(3)中观测到参考点温度低于下限温度时，关闭冷却装置(5)，激光器(21)光闸打开，激光束作用于活塞(100)上，活塞(100)表面温度上升；当该点温度高于上限温度时，激光器(21)光闸关闭，冷却装置(5)打开，活塞(100)表面温度下降；

d)判断是否达到设定的循环次数；如果是，则结束操作；如果否，返回步骤b)。

与现有技术相比，本发明通过对激光束的空间变换能够实现对活塞整体进行疲劳测试。利用激光光源使得试验周期短，而且可以使活塞表面预热到给定温度分布，温度控制更准确，可选择加热区域，可控性好。实验过程中全部采用数字化装置进行控制、采集、参数设定、记录等工作。

附图说明