CN102607951A - 一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构 - Google Patents

Abstract

一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构是这样实现的：该试验结构由叶片试验件(1)、卡具(2)、销钉(3)和受力件(4)构成，它们之间的位置连接关系是：试验进行时，将叶片试验件(1)两端)的榫头卡在卡具(2)的榫槽中，卡具(2)通过销钉3与两端的受力件(4)连接，两个销钉(3分别垂直于叶片试验件(1)的轴线且相互成正交分布。本发明结构简单，构思科学，它可以广泛用于叶轮机械中叶片(含榫头、榫槽)的拉伸静强度、疲劳、持久、蠕变、振动等试验，解决了叶片试验中试验夹具设计加工难度大、产生附加弯矩以及试验效率低下的问题。它在航空推进技术领域里具有较好的实用价值及良好的应用前景。

Description

一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构

(一)技术领域

本发明提供一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，属于航空推进技术领域。

(二)背景技术

榫连结构是航空发动机、地面燃机等动力设备中经常使用的结构，是将叶片固定在轮盘上的常用方式。

榫连结构由于其结构复杂，存在复杂的接触，并要承受叶片的离心拉伸载荷、气动载荷和热载荷，还可能承受振动载荷，因而在叶/盘结构中属于受力大、应力状态复杂、易失效的关键部位，需要采用大量的试验来预测或检验榫连部位的应力水平和寿命；同时，在测试和验证叶身的应力状态和寿命试验时，也需要利用榫连结构来固定叶片，因此，榫连结构在叶片试验中扮演着重要的角色。

传统的榫连结构试验件设计时，通常只是在叶片的单侧采用榫连结构，而在另一侧采用复杂设计的夹具来夹持，这种夹具需要设计成跟叶型相同的夹持型面，其不足在于：

(1)对设计和加工都提出了很高的要求，花费大量的试验成本和试验时间；

(2)夹具设计和加工不足时，会影响夹持力的均匀性，从而使夹具的拉伸力偏移设计点，在叶片试件上产生附加弯矩，从而改变叶片的受力状态和应力分布，影响试验的精度，有时甚至会导致试验结果错误；

(3)试验效率低，一次只能试验一个榫连结构，占用试验设备时间长。

目前也有双头的榫连结构设计，即两端都采用榫连结构，可以提高试验效率，但无法解决附加弯矩的问题，未能从根本上解决问题。

因此，需要发展一种既提高试验效率，又有效降低附加弯矩的榫连拉伸试验结构，提高试验效率、节省成本并提高试验精度。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，它可广泛用于叶轮机械中叶片(含榫头、榫槽)的拉伸静强度、疲劳、持久、蠕变、振动等试验，解决了叶片试验中试验夹具设计加工难度大、产生附加弯矩以及试验效率低下的问题。

2、技术方案：本发明一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构解决现有技术问题所采用的新的技术方案是这样实现的：

一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，它是由叶片试验件1、卡具2、销钉3和受力件4构成，它们之间的位置连接关系是：试验进行时，叶片试验件1两端的榫头卡在卡具2的榫槽中，卡具2通过销钉3与两端的受力件4连接，两个销钉3分别垂直于叶片试验件1的轴线且相互成正交分布，整个试验结构通过受力件4连接到拉伸试验机上，该试验结构的示意图见图1。

所述叶片试验件1是拉伸试验用的叶片模型，其形状为无扭等截面直叶片，叶片试验件两端带有相同形状的榫头M，榫头M的形状见图3，其结构形式及几何尺寸按具体试验要求给出；在拉伸试验时，该叶片试验件1位于拉伸试验结构的中部位置。

所述卡具2位于叶片试验件1的两端，外形为一长方体，其一端开有与叶片试验件1的榫头M相配的榫槽N，榫槽N的形状见图5，其结构形式及几何尺寸按具体试验要求给出，另一端开有与受力件4相配的U形槽，其中部位置设置有一销钉孔，以实现其与受力件4通过销钉3的连接。

所述销钉3是圆柱形加工件，其外形尺寸与卡具2上设置的销钉孔相吻合。

所述受力件4是截面为U形矩形板料，其一端的园弧体与受力件4的U形槽相配，其中部设置的销钉孔以实现与卡具2通过销钉3相连接。

其中，卡具2的数量是两件；

其中，销钉3的数量是两件；

其中，受力件4的数量是两件。

在形状、构造及其结合上，本发明与现有技术不同的技术特征是：首先，该试验结构采用双头榫连方式，试验件两端的卡具完全相同，可以避免叶片彼端夹具的设计和加工；其次，该试验结构的卡具通过销钉与受力件连接，其目的是释放沿销钉轴线方向的转动自由度，消除该方向的附加弯矩，并且，两销钉成正交分布，可以达到消除试验中各方向附加弯矩的目的；最后，该试验结构采用双头榫连方式，叶片试验件的两端有相同的榫头结构，其好处是在一次拉伸过程中可以进行两次榫连结构的拉伸试验，以达到提高试验效率的目的。

3、优点及功效：本发明一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构的优点在于：

第一，若采用传统的单侧榫连试验结构，则必须在叶片的另一端设计一个精确贴合叶片型面的夹具，将会带来很大的设计和加工难度，本发明试验结构的双头榫连结构可以避免上述夹具的设计和加工，节约试验成本；

第二，本发明试验结构的卡具与受力件之间采用垂直于叶片试验件轴线且成正交分布的两个销钉进行连接，可以释放沿销钉轴线方向的转动自由度，消除该方向的附加弯矩，并且，两销钉成正交分布，可以达到消除试验中各个方向附加弯矩的目的，大大提高试验的精确性；

第三，本发明的试验结构可以在一个拉伸过程中进行两次榫连结构试验，可以减少试验机的数量，提高试验效率，并能保证两个榫头载荷的一致性，为试验的加载方案设计带来方便。

(四)附图说明

图1是本发明一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构的示意图；

图2是本试验结构中的叶片试验件；

图3是一种燕尾形榫头结构及其几何参数；

图4是本试验结构中的卡具；

图5是一种燕尾形榫槽结构及其几何参数；

图6是本试验结构中的销钉；

图7是本试验结构中的受力件；

图1中零部件的标号说明：

1叶片试验件  2卡具  3销钉  4受力件

图2中叶片试验件被强调部分的符号说明：

M榫头

图3中榫头的几何尺寸符号说明：

L1榫头底部最大宽度  L2榫头底部宽度  L3榫头喉部宽度  H1榫头总高度  H2伸根段高度  A1榫头底部内角角度  A2榫头底部外角角度C1榫头喉部圆角半径  C2榫头底部圆角半径  C3榫头底部圆角半径

图5中榫槽的几何尺寸符号说明：

L4榫槽底部宽度  L5榫槽喉部平行段宽度  H3榫槽喉部平行段高度H4榫槽喉部收缩段高度  H5榫槽总高度  A3榫槽内角角度  A4榫槽喉部收缩段角度  C4榫槽内圆角半径

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体试验案例，对本发明一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构的技术方案做进一步说明。

本发明一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构解决现有技术问题所采用的新的技术方案是这样实现的：该试验结构由叶片试验件1、卡具2、销钉3和受力件4构成，如图1所示，它们之间的位置连接关系是：试验进行时，将叶片试验件1两端的榫头卡在卡具2的榫槽中，卡具2通过销钉3与两端的受力件4连接，两个销钉3分别垂直于叶片试验件1的轴线且相互成正交分布，整个试验结构通过受力件4连接到拉伸试验机上。

所述叶片试验件1是拉伸试验用的叶片模型，其形状为无扭等截面直叶片，叶片试验件1两端带有相同形状的榫头M，榫头M的形状见图3，其结构形式及几何尺寸按具体试验要求给出；在拉伸试验时，该叶片试验件1位于拉伸试验结构的中部位置。该件的具体形状见图2。

所述卡具2位于叶片试验件1的两端，外形为一长方体，其一端开有与叶片试验件1的榫头M相配的榫槽N，榫槽N的形状见图5，其结构形式及几何尺寸按具体试验要求给出，另一端开有与受力件4相配的U形槽，其中部位置设置有一销钉孔，以实现其与受力件4通过销钉3的连接。该件的具体形状见图4。

所述销钉3是圆柱形加工件，其外形尺寸与卡具2上设置的销钉孔相吻合。该件的具体形状见图6。

所述受力件4是截面为U形矩形板料，其一端的园弧体与受力件4的U形槽相配，其中部设置的销钉孔以实现与卡具2通过销钉3相连接。该件的具体形状见图7。

其中，卡具2的数量是两件；

其中，销钉3的数量是两件；

其中，受力件4的数量是两件。

图3为一种常用的燕尾形榫头结构，其主要几何设计参数有榫头底部最大宽度L1，榫头底部宽度L2，榫头喉部宽度L3，榫头总高度H1，伸根段高度H2，榫头底部内角角度A1，榫头底部外角角度A2，榫头喉部圆角半径C1，榫头底部两处圆角半径C2和C3。

图5为一种常用的燕尾形榫槽结构，与图3所示的燕尾形榫头结构相配，其主要几何设计参数有榫槽底部宽度L4，榫槽喉部平行段宽度L5，榫槽喉部平行段高度H3，榫槽喉部收缩段高度H4，榫槽总高度H5，榫槽内角角度A3，榫槽喉部收缩段角度A4，榫槽内圆角半径C4。

在形状、构造及其结合上，本发明与现有技术不同的技术特征是：首先，该试验结构采用双头榫连方式，试验件两端的卡具完全相同，可以避免叶片彼端夹具的设计和加工；其次，该试验结构的卡具通过销钉与受力件连接，其目的是释放沿销钉轴线方向的转动自由度，消除该方向的附加弯矩，并且，两销钉成正交分布，可以达到消除试验中各方向附加弯矩的目的；最后，该试验结构采用双头榫连方式，叶片试验件的两端有相同的榫头结构，其好处是在一次拉伸过程中可以进行两次榫连结构的拉伸试验，以达到提高试验效率的目的。

下面通过一轴向燕尾形榫连结构的拉伸试验方案来更进一步阐述本发明的技术特点。

现有一轴向燕尾形榫连结构，其榫头部分的几何参数如图3所示，其中，榫头底部最大宽度L1为17.55mm，榫头底部宽度L2为16mm，榫头喉部宽度L3为9.6mm，榫头总高度H1为11.2mm，伸根段高度H2为3.6mm，榫头底部内角角度A1为55°，榫头底部外角角度A2为60°，榫头喉部圆角半径C1为2mm，榫头底部两处圆角半径C2和C3都为1mm；其榫槽形状根据榫头形状进行设计，二者为间隙装配，榫槽部分的几何参数如图5所示，其中，榫槽底部宽度L4为22mm，榫槽喉部平行段宽度L5为11.78mm，榫槽喉部平行段高度H3为10mm，榫槽喉部收缩段高度H4为4.12mm，榫槽总高度H5为31.2mm，榫槽内角角度A3为55°，榫槽喉部收缩段角度A4为10°，榫槽内圆角半径C4为5mm；对该榫连结构进行拉伸试验以考核其静强度，考虑到由工艺等原因引起的试验结果的分散性，该试验需进行多次。

该轴向燕尾形榫连结构的拉伸试验总体方案图如图1所示，首先，根据本发明的技术特点，叶片试验件1为如图2所示的双头榫连结构，即在叶片试验件1的两端都有所要试验的榫头结构M，这样的设计将试验速度提高了一倍，另外，该试验中叶片试验件1两端的卡具2完全相同，避免了其它夹具的设计和加工，降低了试验成本并提高了试验效率；然后，卡具2通过销钉3与受力件4相连接，两销钉3分别垂直于试验件轴线并且相互正交分布，整个试验结构通过受力件4与拉伸试验机相连接，这样的连接方式可以释放沿销钉3轴向的转动自由度，从而消除了附加弯矩，大大提高了试验精度；最后，受力件4两端同时承受拉伸载荷，这样的加载方式可以保证试验件两端的榫连结构承受完全相同的载荷，便于加载方案的设计和实施。

Claims (4)

1.一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，其特征在于：它是由叶片试验件(1)、卡具(2)、销钉(3)和受力件(4)构成，试验进行时，叶片试验件(1)两端的榫头卡在卡具(2)的榫槽中，卡具(2)通过销钉(3)与两端的受力件(4)连接，销钉(3)分别垂直于叶片试验件(1)的轴线且相互成正交分布，整个试验结构通过受力件(4)连接到拉伸试验机上；

所述叶片试验件(1)是拉伸试验用的叶片模型，其形状为无扭等截面直叶片，叶片试验件两端带有相同形状的榫头M，榫头M的结构形式及几何尺寸按具体试验要求给出；在拉伸试验时，该叶片试验件(1)位于拉伸试验结构的中部位置；

所述卡具(2)位于叶片试验件(1)的两端，外形为一长方体，其一端开有与叶片试验件(1)的榫头M相配的榫槽N，榫槽N的结构形式及几何尺寸按具体试验要求给出，另一端开有与受力件(4)相配的U形槽，其中部位置设置有一销钉孔，以实现其与受力件(4)通过销钉(3)的连接；

所述销钉(3)是圆柱形加工件，其外形尺寸与卡具(2)上设置的销钉孔相吻合；

所述受力件(4)是截面为U形的矩形板料，其一端的园弧体与受力件(4)的U形槽相配，其中部设置的销钉孔以实现与卡具(2)通过销钉(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，其特征在于：该卡具(2)的数量是两件。

3.根据权利要求1所述的一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，其特征在于：该销钉(3)的数量是两件。

4.根据权利要求1所述的一种无附加弯矩双头榫连拉伸试验结构，其特征在于：该受力件(4)的数量是两件。 

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