发动机台架试验讲课教案.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。发动机台架试验-昆明理工大学交通工程学院学生实验报告实验课程名称：发动机试验技术开课实验室：内燃机实验室2013年5月29日年级、专业、班级学号姓名成绩实验项目名称内燃机可靠性试验研究指导教师教师评语教师签名：年月日目录1.实验目的2.实验内容3.实验进度安排4.结论目录一、 试验目的二、 试验内容1. 试验依据2. 试验条件3. 试验仪器设备4. 试验样机5. 试验内容与方案（1）交变负荷试验（2）混合负荷试验（3）全速负荷试验（4）冷热冲击试验（5）活塞机械疲劳试验（6）活塞热疲劳试验三、 试验进度安排试验结果的提供摘要国外在可靠性试验方面己做了许多有益的研究工作，但到目前为止尚未形成统一的试验方法，而且考虑到该试验的非普遍性及技术保密性，将来也不可能形成统一的试验规范。相对于热疲劳研究状况来讲，国内对机械疲劳的研究还比较少。为适应发动机比功率和排放法规日益提高的苛刻要求，发动机面临着更高机械负荷和热负荷的严峻考验。国内高强化发动机最大爆发压力已超过22Mpa。活塞的机械疲劳损伤主要体现在销孔、环岸等部位。活塞环岸、销座及燃烧室等部位由于在较高的工作温度下承受着高频冲击作用的爆发压力，润滑状况较差，摩擦磨损，其他破坏可靠性的腐蚀磨损(缸套一环换向区、排气门/排气门座锥面等)、疲劳磨损(挺杆、轴瓦、齿轮表面等)、微动磨蚀(轴瓦钢背、飞轮压紧处、飞轮壳压紧处、湿缸套止口处等)、电蚀(火花塞电极等)和穴蚀(水泵叶轮等)这些都是可靠性试验的主要目标，也是实施可靠性设计、试验研究的重点部位。众所周知，在内燃机整机上进行零部件可靠性试验成本昂贵。本文将参照原有的可靠性试验方法，通过看一些关于可靠性的零部件加速寿命实验技术制定一种评价内燃机可靠性的考核规范，包括活塞机械疲劳试验和活塞热疲劳试验，可迅速做出其可靠性恰当的评价，可以降低研发成本、缩短研发时间。一、试验目的1通过理解内燃机可靠性评估，评定发动机的可靠性。1.1了解评估的多种理论方法，如数学模型法、上下限法、相似设备法、蒙特卡洛法、故障分析(包括故障模式影响分析和故障树分析)等。并掌握故障分析法。1.2学会可靠性试验评估，为进行可靠性设计奠定基础理论，为发动机及相关零部件提供测试、验证以及改进的技术支持。2掌握可靠性试验方法2.1掌握内燃机可靠性综合性试验及专项试验。综合性试验的考核对象是零件的可靠性、零件表面性状的变化和发动机性能的保持性；专项试验是超水温(耐热性)、超负荷、混合负荷、交变负荷循环、超爆发压力、超速等试验。二、试验内容1试验依据参考的试验标准：GB/T19055-2003汽车发动机可靠性试验方法GB/T18297-2001汽车发动机性能试验方法JB/T5112-1999中小功率柴油机产品可靠性考核2试验条件一般试验条件：2.1燃料及机油:采用制造厂所规定的牌号，柴油中不得有消烟添加剂。2.2磨合:按制造厂规定的磨合规范进行。2.3冷却系温度:水冷机的冷却液的出口温度控制在361K±5K，必要时可减少温度允差。2.4机油温度:按制造厂的规定或控制在368K±5K，必要时可减少温度允差。2.5燃料温度:柴油温度控制在311K±5K;汽油温度控制在298K±5K。2.6排气背压:按制造厂的规定或低于6.7kPa。2.7发动机标准进气状态应按本标准进气状态，校正点燃机及压燃机油门全开时的实测有效功率、扭矩和压燃机实测燃料消耗率等。试验对仪表精度及测量部位的要求：2.8扭矩误差不超过所测发动机最大扭矩值的±1%。2.9转速误差不超过所测值的±0.5%。2.10燃料消耗量误差不超过所测值的±1%。2.11温度a)冷却液温度:在靠近发动机冷却液出口及人口两处测量;误差不超过±2K。b)机油温度:在主油道、主油道的入口或有代表性部位测量;误差不超过±2K。c)排气温度:传感器端头离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口50mm处测量，并位于排气连接管的中心，传感器逆气流方向插人;误差不超过±15K。d)燃油温度:柴油温度在燃油喷射泵进口处测量;汽油温度在靠近化油器或喷油器的人口处测量。若有困难，可按制造厂推荐有代表性的部位。误差不超过±2K。2.12压力a)进气管真空度及绝对压力:真空度在进气歧管进口(即化油器下法兰)的下游30mm左右处测量，测压头与管内壁齐平;进气管绝对压力按制造厂规定的位置测量，误差不超过±0.15kPa。b)进气连接管压降:在发动机进气口(即进气连接管、化油器、节气门体或空气滤清器的进气口)上游150mm左右处测量，测压头与管内壁齐平;误差不超过±0.05kPa。c)涡轮增压器的压气机进、出口压力:在压气机进、出口的管壁上有代表性的部位测量，测压头与管内壁齐平。进口压力测量误差不超过±0.1kPa;出口压力测量误差不超过±1kPa。d)排气背压:离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口下游75mm处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁齐平;误差不超过±0.2kPa。e)机油压力:在润滑系的主油道上或按制造厂推荐有代表性的部位测量;压力表精度1.5级。f)气缸压缩压力:在火花塞孔或喷油器孔处测量，除测量的气缸外，其他各缸的火花塞或喷油器等均装好;压力表精度1.5级。g)曲轴箱压力:在有代表性的部位测量，如加机油口、油标尺插人口等，误差不超过±0.02kPa。2.13点火、喷油及供油提前角:误差不超过士1°曲轴转角。2.14进气温度沿发动机进气口(即进气连接管、化油器、节气门体或空气滤清器的进气口)的轴线，在进气口上游3060mm处测量，若空气滤清器系周边进气结构，可在空气滤清器里面的中间位置测量;传感器不得受到热辐射，应采取措施进行热屏蔽;误差不超过士2K。2.15进气压力在试验室内不受阳光和热辐射的部位测量;误差不超过±0.1kPa。2.16进气湿度在试验室内不受阳光和热辐射的部位测量，采用抽风式干湿球温度计;温度误差不超过±0.5K。2.17发动机空气消耗量误差不超过所测值的±3%。2.18活塞漏气量误差不超过所测值的±5%。2.19测量数据的条件测量数据时的发动机运行转速与选定转速相差应不超过1%或±10r/min,待转速、扭矩及排气温度稳定1min后，方可进行测量。转速、扭矩、燃料消耗量及进气温度尽量同时测量。测量燃料耗时间应不少于20s,取连续测量两次测量的平均值，前后两次的扭矩及燃料消耗值相差应小于2%。两次测量的时间间隔约1min。2.20异常燃烧的避免点燃机在台架可靠性试验全过程中，不应发生爆震、早嫩及过高燃烧室温度，可按发动机制造厂的规定对火花塞热值、燃料辛烷值、点火提前角及混合气浓度进行适当调整，并在试验报告中注明。3试验仪器设备试验仪器设备除了一些发动机试验台架普片具有的设备外还有AVL冷热冲击试验装置、活塞液力疲劳试验装置（型号：SHE-A5）、高频感应加速热疲劳试验台、数字超声探伤仪（型号:CTS-4020）。4试验样机试验发动机2台(A发动机及B发动机)应符合发动机制造厂的技术条件，所有紧固件应拧紧至规定值，气门间隙调整至规定值，采用制造厂规定的润滑脂及密封胶。4100QBZL技术参数汽缸数4气缸排列形式直立排量3.298L最大输出功率81KW最大扭矩285N.m最大扭矩转速20002200压缩比17:1额定转速3200r/min气缸行程105cm气缸缸径100cm5试验内容与方案（1）交变负荷试验油门全开，从最大净扭矩的转速()均匀地升至最大净功率的转速(),历时1.5min;在稳定运行3.5min;随后均匀地降至，历时1.5min;在稳定运行3.5min,重复上述交变工况，运行到25min。油门关闭.转速下降至怠速()运行到29.5min;油门开大，无负荷，使转速均匀上升到105额定转速(105%)或上升到发动机制造厂规定的最高转速，历时0.25min±0.1min;随即均匀地关小油门，使转速降至，历时0.25min±0.1min,至此完成了一个循环，历时30min。运行800个循环，运行持续时间400h。（2）混合负荷试验混合负荷试验规范见图2及表，不同工况间转换在1min内完成，均匀地改变转速及负荷。每循环历时60min，共1000个循环，运行持续时间1000h。工况序号发动机转速负荷工况时间（min）1怠速052最大净扭矩的转速油门全开103最大净功率的转速油门全开404额定转速油门全开5（3）全速负荷试验转速：额定转速负荷：油门全开运行持续时间：1000h。（4）冷热冲击试验冷热冲击试验规范见图3及下表，表中工况1到2,2到3的转换在5s以内完成;工况3到4,4到1的转换在15s以内完成，均匀地改变转速及负荷。每循环历时6min。不同最大总质量汽车用发动机运行持续时间(h)，汽车总质量不大于3500kg的运行200（h）;汽车总质量大于3500kg到12000kg的为300h;汽车总质量大于12000kg的运行500h.工况顺序转速负荷冷却水出口温度K工况时间s1(热)最大净功率的转速油门全开升至378土2°或385士2°2怠速0自然上升15300自然上升154（冷）最高怠速0降至311°360-15-15a散热器盖在绝对压力150kPa放气时，冷却水温升至378K士2K，或按发动机制造厂的规定.b散热器盖在绝对压力190kP。放气时，冷却水温升至385K士2K>或按发动机制造厂的规定。C系发动机自行加热至规定出水温度所需的时间。（5）内燃机活塞机械疲劳试验活塞是可靠性实验研究的重点，它也是发动机最重要的部件之一。内燃机活塞的失效形式有高周疲劳失效、热负荷及机械负荷作用下的耦合应力超过材料的强度极限，使零件产生破坏、材料特性变化诱使部件失效、高温燃气的腐蚀作用促使活塞失效、高温蠕变影响活塞失效等。下图为活塞机械疲劳寿命评价流程图1.判断故障样件是否属于机械疲劳为主的破坏，确定主要影响因素*判断依据:a)经验:b)金相分析;c)计算模拟;d)同等载荷条件下试验，由试验损伤与实际损伤对比判断。2.测量发动机爆发压力，测量并计算活塞温度场、热机械应力3.根据活塞承受的负荷，设计并加工试验装置*等效试验:保证台架瞬态应力场与实际情况的同比性4.根据样件实际使用情况，制定疲劳试验规范*加载频率、载荷波形及幅值等5.液压疲劳试验或发动机耐久试验*原则:考核压力波动及减小情况。检查部件出现肉眼可见裂纹或出现贯穿性裂纹或着色裂纹6.对试验结果进行统计分析并修正*修正因素有:温度、材料裂纹扩展速度等7.利用试验寿命与实际寿命之间的关系及模拟计算，预测样件实际寿命*综合评价的资料来源:疲劳台架试验、计算仿真、实机测量试验、结构分析及实机故障分析等8.对该样件可靠性状况进行综合分析评价，并提出可行的改进措施9.尽可能进行样件实机使用跟踪10.机械疲劳可靠性问题总结（1）控制液压油温在330k左右，活塞试验温度333k,提高试验的可比性和准确度。（2）试验频率按照测量的转速换算，加载波形参照发动机爆发压力变化规律，通常取30Hz,循环次数为1×，但在实验中为了减少循环次数可采取了一定的换算即将最大爆发压力乘以一定的倍数（110倍）作为施加的载荷峰值，试验时间为100小时。(3)本实验有很多属于前期工作，可根据上述流程做性能试验，最后把此实验的活塞与台架试验的活塞进行比对分析。（6）内燃机活塞热疲劳试验加速寿命试验的定义：在不改变失效机理的情况下，用加大试验应力，使试件加速达到其本身寿命(即失效)的加速寿命试验。最高温度为原机实测温度十高频温度波动修正，最低温度为试件热应力为零，加热速度应尽可能模拟实际工况的加载过程，同时还要考虑其对试件温度场的影响。设置保温时间是为了使加热后试件的温度场有一个稳定的时间。冷却速度及冷却方式以能保证温度场的模拟精度及适当考虑试验时间而定。(超负荷%)×(被模拟循环数)=要求的超负荷循环数此实验Y取-11.一个循环加热时间去50s,保温时间取60s,冷却时间取100s.进行10000次循环。（7）进行整机试验过程中的检查与维护1随时的检查1.1采用故障诊断器、仪表和计算机等随时检查运行数据，若超过限值范围，根据故障严重程度，发出警报或紧急停车，进行处理和维护。若属于发动机故障，则计为故障停车。记录停车的运行时间、原因及处理情况。1.2判断有无异常燃烧，如爆震及早嫩等，若有应立即消除。1.3监听发动机运动件(如曲柄连杆机构和配气机构等)的运行异响，必要时采取措施。2每1h的检查2.1在1h内适时地记录校正最大净扭矩、校正最大净功率、额定净功率、点火提前角、燃料消耗量、机油压力及温度、进气管内压力及温度、排气温度、燃料温度、运行工况下全负荷活塞最大漏气量及运行持续时间(h)，并画在以运行持续时间为横坐标的监督曲线上。还需适时记录发动机相应转速及进气状态等。3每24h的检查及维护3.1停机静置16min后，用量杯加机油准确地至油标尺上限，所加机油的重量用来计算该24h平均机油/燃料消耗比，并画在监督曲线上。机油消耗量的测定还可用其他方法。3.2检查发动机向内向外漏油、漏水和漏气情况。如排气管开裂、法兰连接处漏气、气缸垫密封失效引起的机油乳化、缸筒内进水和气体窜人冷却系内等。保持发动机及其周围的清洁，以便及时发现泄露。3.3检查火花塞电极及瓷体，若有严重烧蚀及裂纹，换用冷一级的火花塞。3.4巡视发动机及试验设备，并检查紧固件、连接件及管路，尤其是软管。检查皮带张紧情况，必要时张紧。3.5检查所有液面高度。4每96h的检查及维护4.1使发动机怠速运行，从主油道取机油样，第一次放出的机油还回油底壳，再取一定数量的机油油样(不计人发动机机油消耗量)。油样取出后，关紧阀门。对油样进行分析，测定勃度、不溶解物百分数、总酸度、总碱度及金属元素含量、磨屑形貌等。4.2更换机油及机油滤芯。5每192h的检查及维护5.1测量气门间隙及气门下沉量(B发动机不测气门下沉量)，并将其间隙调整至规定值。5.2测量起动机拖动时气缸压缩压力，找出缸压远低于各缸平均值的个别气缸。测量时置节气门于全开位置，并拆去所有气缸的火花塞或喷油器。5.3检查喷油器开启压力、喷雾及滴漏等情况。6504h的检查及维护6.1更换空气滤清器及燃油滤清器的滤芯。7可靠性试验终了检测7.1取机油油样，测量机油消耗量、气缸压缩压力、气门间隙及气门下沉量(例行检查与终了检测时间靠近时，可一并进行)。（8）零部件试验的维护与检查1在耐久试验前后，对活塞头部进行外观检查和超声波探伤。2随时都应有摄像头监视，保证温度场和应力场合理性，每十小时都要检查活塞试验后活塞头部不发生裂纹或断裂为试验通过。三、试验进度安排由于可靠性试验的每个试验都需要几天甚至几十天，经计算此六项试验用150天来进行。1在实验之前应先做发动机的性能试验，也应该确保发动机已经磨合正常，在性能试验所测数据包括机械疲劳试验和热疲劳实验所需的示功图、最高爆发压力、转速、扭矩、功率、速度特性曲线、负荷特性曲线等等。2整机试验按照交变负荷（400h）、混合负荷(1000h)、全速负荷(1000h)、冷热冲击负荷(500h)的顺序做完。并逐一记录试验过程的情况及数据。3最后进行零部件试验，机械疲劳试验（100h）、热疲劳试验（278h）。4试验后把进行整机实验的活塞与零部件试验的活塞进行比较分析。四、试验结果的提供1依据发动机实际运行持续时间(h)，运行过程中所更换的零部件及其时间(h)，按附录进行评定。2绘制可靠性试验过程中，记录校正最大净扭矩、校正最大净功率、额定净功率、运行工况下全负荷最大活塞漏气量,24h平均机油/燃料消耗比与运行持续时间(h)的关系曲线，分析可靠性试验性能变化趋势。按照以下限值进行评定。2.1在运行过程中，校正最大净扭矩、校正最大净功率及额定净功率下降不应超过初始值的5%。2.2额定转速、全负荷时机油/燃料消耗比不得超过0.3%。2.3四冲程发动机在全负荷时最大活塞漏气量（Bmsx)不得超过限值(BL)。式中:C系数(选定为0.6%);四冲程发动机在标准状态下额定转速时的理论吸气量，单位为升每小时(L/min)，即充气系数=1;发动机排量，单位为升(L);额定转速，单位为转每分钟(r/min);额定转速、全负荷时增压机的压比，即压气机出口的绝对压力P。与压气机进口绝对压力，非增压机令=1;进气歧管内进气温度单位为开尔文(K)，非增压机令=298K。3记录故障停车、紧固件松动、密封失效、橡胶件老化、堵塞、变形、裂纹、断裂、零部件损坏发生的运行时间(h)及维护作业情况;提供损坏部位、裂纹、断口和窜漏印迹等照片;用精密测量数据分析变形量。按以下整理评定结果。3.1发动机可靠性试验故障用首次故障时间、故障停车次数及故障平均间隔时间即运行持续时间(h)与故障次数之比来评定。3.2根据紧固件的拧紧力矩松动量，分析松动原因及对发动机可靠性和密封性的影响。3.3发动机不得向内、向外漏油或漏水;空气不得渗人发动机负压系统。发动机内不得有燃气窜人油道或水道、油水混合等。主要评定缸垫、进排气管垫、排气管、油封等零部件的密封性。3.4零部件裂纹或断裂的严重程度按下表评定3.5分析零部件裂纹或断裂的原因由机械交变应力引起的疲劳裂纹或断裂，主要发生在连杆、曲轴、缸体、油底壳、齿轮、支架及高压油管等零部件上;由燃烧或摩擦产生的热疲劳裂纹或断裂，主要发生在缸盖、活塞、喷嘴、排气歧管及增压器等零部件上。4零部件磨损4.1依据机油油样分析结果，判断零部件磨损情况及机油品质。4.2整理精密测量数据，确定主要摩擦副的磨损量。4.3区分零部件磨损的形式，判定磨损的严重程度，提供磨损的照片，按表进行评定。4.4描述摩擦副表面接触情况并提供照片。5零部件表面沉积物5.1描述零部件表面沉积物的状态并提供照片，按下表进行评定。6机械疲劳试验完成后按3.4零部件裂纹或断裂程度评定，并用超声波探伤，提供高清照片。6.1简述寿命分布、疲劳强度及工作应力分布规律7活塞热疲劳试验的结果整理7.1评价加速寿命的合理性，提出改进措施。7.2建立了疲劳试验循环次数与活塞热疲劳寿命之间的关系。-