一种活塞热疲劳实验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种以激光为热源的活塞热疲劳实验装置，该装置包括：支架、控制装置、加热装置、测温装置、监视装置和冷却装置；加热装置由一激光器和一光束整形器组成，激光器发出的激光通过光束整形器后照射垂直照射到活塞表面，光束整形器将激光器发出的一束激光变换成为一束具有多个同心环形光斑的激光。本实用新型专利技术具有能够模拟实际工况下活塞表面的温度场分布、实验周期短、可控性好的优点。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种热疲劳实验装置，特别是涉及一种以激光为热源的活塞热疲劳实验装置。
技术介绍
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 fatigue test for turbine housing by a pulseYAG laser.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 shock and thermal fatigue behavior ofrailroad steel.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。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。激光光束具有光束能量集中、可进行空间分布变换等优点，将其用于热疲劳模拟实验平台，可大大提高系统的整体性能。
技术实现思路
本技术的目的是克服上述现有技术的实验周期长、加热区域不可控的缺点，从而提供一种实验周期短、加热区域可控、对活塞整体测试的激光诱发活塞热疲劳实验装置。为了实现上述目的，本技术采取的技术方案如下 一种活塞热疲劳实验装置，如图1所示，包括一支架(图中未示出)，待测的活塞100通过一个夹具或其它固定装置被固定在支架上；一个控制装置1，安置在所述支架上或设置在所述支架附近，用于对整个实验装置的工作过程和状态的控制。一个加热装置2与所述控制装置1连接，固定在所述支架上面位于所述活塞100的上方，用于对活塞100加热；一个测温装置3与所述控制装置1连接，固定在所述支架上，位于所述活塞100受热表面的斜上方；一个监视装置4，固定在所述支架上，位于所述活塞100受热表面的斜上方，用于监视活塞100上表面的变化。进一步地说，在上述技术方案中，所述加热装置2由一激光器21和一光束整形器22组成，所述控制装置1控制所述激光器21的开启和关闭，所述激光器21发出的激光通过所述光束整形器22后照射垂直照射到所述活塞100表面；所述光束整形器22将所述激光器21发出的一束激光变换成为一束具有多个同心环形光斑的激光，圆环的径向宽度和个数取决于光束整形器的选择，针对不同试验要求应选用不同参数的光束整形器。在上述技术方案中，还包括一个冷却装置5与所述控制装置1连接，固定在所述支架上位于所述活塞100附近，用于对活塞100冷却；所述冷却装置5采用风冷或水冷或者两者结合的方式；所述冷却装置5由空气压缩机51通过一个管道53和一个喷头52连接组成，喷头52将冷却气体喷到所述活塞100的上表面；或者，所述冷却装置5结构设置为将活塞100放置在铺设好管路的一个水箱上，活塞100的底部有空洞，管路过来的冷水从活塞100底部通入，喷射到活塞100内表面，从活塞100内表面流下的水落入活塞100下面回水收集槽内，并顺着回水出口流走。在上述技术方案中，所述测温装置3由热电偶组成，为避免激光直接作用于其上，在活塞底部打一个靠近活塞上表面的小孔，将热电偶埋于有激光作用的活塞上表面之下，并将测得的温度数据输入到所述控制装置1；或所述测温装置3由至少一个红外测温仪组成，设置在所述活塞100上表面的斜上方来测量活塞100表面的温度并将温度数据输入到所述控制装置1；最好是，所述测温装置3采用两个红外测温仪组成，对称地分布在所述活塞100上表面斜上方的两侧。在上述技术方案中，所述监视装置4由至少一个摄像头组成，将所得活塞100上表面的图像输入到所述控制装置1进行处理，来判断活塞100的疲劳状态；最好是，所述监视装置4由三个CCD(Charge Coupled Device，简称CCD)摄像头组成，并等间距设置在所述活塞100上方的一个圆上。在上述技术方案中，所述控制装置1由至少一台PC机，一图像采集卡，一输入输出(IO)卡和一现场总线卡组成，上述PC机和各个功能卡采用已知技术进行连接。在上述技术方案中，所述现场总线卡是PROFIBUS现场总线卡。与现有技术相比，本技术的有益效果是1)充分利用了激光能量集中，便于参数设定的优点，借助光束整形器，模拟了实际工况下活塞表面的温度场分布；2)实验周期短、可控性好；3)为活塞的热疲劳研究提供了有效、可靠的实验条件。附图说明图1表示本技术激光诱发活塞热疲劳实验装置的装置示意图；图2(a)(b)表示本技术激光诱发活塞热疲劳实验装置的部分连接示意图；图3表示激光诱发活塞热疲劳实验方法的流程图；图4表示一实施例的温度控制模式低周热疲劳典型实验结果；图5表示一实施例的时间控制模式高周热疲劳典型实验结果；图6表示一实施例中在活塞表面的激光光斑示意图；具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细描述如图1所示，制作本技术的激光诱发活塞热疲劳实验装置。其中，控制装置1，包括一块图像采集卡，一块IO卡，一块PROFIBUS现场总线卡和两台PC机。加热装置2，主要包括激光器21和光束整形器22。本实施例采用德国HAAS公司的HL 3006D工业用Nd-YAG连续激光器，最大功率为3000W。自带的Winlas软件可通过网线对激光器21进行操控，同时也支持基于Profibus-DP协议的控制软件的开发。由控制装置1来控制激光器21的出光时间和强度等。本实施例选用的激光器21支持Profibus-DP，本技术采用单主站的线型网络拓朴结构，将嵌入在PC机中的现场总线卡设置为主站，激光器21设置为从站，通过Profibus就能实现上位机对激光器21的控制。为了使模拟实验所得数据更贴近于实际，实验系统需要按照活塞100的实际工况设计温度场分布。在实际工作环境中，实验测得活塞100顶部的温度分布近似为环状分布，根据该实验数据，设计了一种多圆环光束整形器22，激光经过该整形器后，在活塞100表面投射成三个同心圆环，使得活塞100顶部温度分布接近实际工况。光束整形器22采用市场所售的常规产品或由本领域技术人员熟知的方法做成具有该功能的光束整形器；在测试不同的活塞时，应选择不同的光束整形器，以使得激光经过光束整形器后产生的同心圆环的数目和宽度，满足活塞顶部温度分布接近实际工况。冷却装置5，在本实施例中，采用风冷装置，将空气压缩机51送出来的气流，经过管道53的引导，从架设在活塞100斜上方的喷头52吹出，喷出的气流作用于活塞100的上表面。当然，也可以采用水冷装置，其设计可为利用活塞的结构特点，将活塞放置在铺设好管路的水箱上，活塞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活塞热疲劳实验装置，包括：一支架，待测的活塞（１００）通过一个夹具固定在所述支架上；一个用于控制整个实验装置的工作过程和状态的控制装置（１），安置在所述支架上或设置在所述支架附近；其特征在于，还包括：一个用于对活塞（１００）加热的加热装置（２）与所述控制装置（１）连接，固定在所述支架上面位于所述活塞（１００）的上方；一个用于测量活塞（１００）受热区域的温度的测温装置（３）与所述控制装置（１）连接；一个用于监视活塞（１００）上表面变化的监视装置（４），固定在所述支架上，位于所述活塞（１００）受热表面的斜上方；所述控制装置（１）由至少一台ＰＣ机，一图像采集卡，一输入输出卡和一ＰＲＯＦＩＢＵＳ现场总线卡组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：虞钢，周良，宋宏伟，郑彩云，王立新，宁伟健，张金城，李少霞，王建伦，庞铭，刘兆，王恒海，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[]