CN103175667A - 叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法 - Google Patents

Abstract

一种叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，包括：将叶片固定于一电动振动台的工作台面上，并以一测量控制单元控制该电动振动台进行正弦扫频；以测量控制单元控制电动振动台在叶片共振点振动，同时测量叶片的应力和叶片上选定部位的振幅，以确定应力与叶片选定部位的振幅的对应关系，进而确定给定应力所对应的叶片选定部位的给定振幅，并开始循环计数；将叶片选定部位的振幅保持于给定振幅，同时根据设定判别依据和叶片共振频率的变化，判定叶片是否出现裂纹或失效，或者当达到目标循环数，而叶片共振频率无变化，使电动振动台停机。本发明能实现全自动化运行，可减轻试验人员的劳动强度，并有效提高控制精度和测量精度，保证试验数据的精准性。

Description

叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法

技术领域

本发明涉及一种叶片振动疲劳的方法，尤其涉及一种非接触测量实现闭环振动完成叶片疲劳的测试方法。

背景技术

在航空发动机运行过程中，常常会因为叶片失效而导致各类故障，甚至会产生机毁人亡的后果，其失效主要表现为叶身裂纹、折断，叶尖磨损，叶片变形等。而叶片失效在很大程度上与叶片结构和叶片材料的耐疲劳程度有关。为此，在叶片设计过程中会对叶片的结构和叶片的材料进行疲劳测试，最大限度的提高叶片的使用寿命。

现有叶片疲劳测试主要有二种方法，一是采用液压伺服作动器加力，同时测量叶片的应变量，通过调节加裁力的大小来达到叶片所需的应变量，当叶片的应变量确定后液压伺服作动器进行往复运动，从而实现叶片的疲劳测试。采用此类方法对叶片进行疲劳测试周期长，效率低；同时受到液压伺服作动器尺寸的限制，无法对小叶片进行疲劳测试；二是采用振动台来实现叶片的疲劳测试，此方法是将叶片固定在工作台面上，采用激光位移传感器进行监测，根据监测数据来调整振动台的振动量级，属于开环测试，在整个测试过程中要不断通过人工调整才能完成一个叶片的测试，测试的效率较低。因此寻求一种操作简单，高效快捷的测试方法来对叶片进行疲劳测试是业内人员迫切需求的。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其操作简单，高效快捷，能自动完成测试过程，并获得真实、准确的测试结果，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，包括：

（1）将叶片固定设置于一电动振动台的工作台面上，并在所述工作台面上安装至少一加速度传感器，且将所述加速度传感器输出的信号输入至少用以控制所述电动振动台进行正弦扫频的测量控制单元中，形成闭环控制；

（2）以所述测量控制单元控制所述电动振动台在所述叶片的共振点进行振动，同时在所述叶片受力部位设置至少一应变传感器以测量叶片的应力，并将测得的应力与所述叶片上一选定部位的振幅比较，以确定应力与所述叶片选定部位的振幅的对应关系，进而确定给定应力所对应的所述叶片选定部位的给定振幅，继而采用至少一传感单元测量所述叶片选定部位的振幅并输入到所述测量控制单元中形成闭环控制，开始循环计数；

（3）将所述叶片选定部位的振幅保持于所述给定振幅，继续在所述叶片的共振频率上进行振动试验，同时依据所述叶片共振频率的变化，以所述测量控制单元实时调整所述电动振动台的激振频率至与所述叶片的共振频率一致，并且在调整过程中保持所述叶片选定部位的振幅与所述叶片应力的对应关系；

（4）分别设定与所述叶片的共振频率相关的第一设定值和一第二设定值作为叶片出现裂纹的判别依据和叶片失效的判别依据，并且：

当与所述第一设定值为相同性质的测定值和所述第一设定值的差值在一第一阈值范围内并稳定一设定时间后，以所述测量控制单元记录当前循环数，

以及，当与所述第二设定值为相同性质的测定值和所述第二设定值的差值在第二阈值范围内时，以所述测量控制单元记录当前循环数并至少使所述电动振动台停机；

或者，当达到目标循环数，而与所述第一设定值及第二设定值为相同性质的测定值和第一设定值及第二设定值的差值与第一阈值范围及第二阈值范围无关时，则至少以所述测量控制单元使所述电动振动台停机；

所述测定值是由测量控制单元在测试过程中测得，并与叶片共振频率相关。

进一步的，所述测量控制单元包括至少用以测量加速度、速度、位移和应力中的任意一种的测量模块。

优选的，所述叶片的选定部位选用叶尖。

所述传感单元包括非接触测量单元，所述非接触测量单元包括激光位移传感器。

所述应变传感器包括贴在所述叶片受力部位的应变片。

作为较佳实施方案之一，所述第一设定值和第二设定值分别采用第一设定频率值和第二设定频率值，

其中，当所述叶片的共振频率与所述第一设定频率的差值在第一阈值范围内并稳定一设定时间后，以所述测量控制单元记录当前循环数，

以及，当所述叶片的共振频率与所述第二设定频率的差值在第二阈值范围内时，则以所述测量控制单元记录当前循环数并至少使所述电动振动台停机；

或者，当达到目标循环数，而所述叶片的共振频率和所述第一设定频率及第二设定频率的差值与第一阈值范围及第一阈值范围均无关时，则至少以所述测量控制单元使所述电动振动台停机。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：通过将传感单元集成到振动控制系统闭环中，以给定的位移作为控制要求，保证叶片在共振频率进行定振幅振动，直至各判据出现或者其他因素停止，自动记录循环数据，无人值守，全自动化运行，可使试验人员远离高噪音试验环境，减轻试验人员的劳动强度，并能有效提高控制精度和测量精度，从而保证试验数据的精准性。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例中一种叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法的实现系统的结构示意图；

其中：1－电动振动台，11－工作台面，2－测量控制单元，3－加速度传感器，4－激光位移传感器，5－应变传感器，6－叶片，7－信号电缆，8－夹具，81－压紧螺钉。

具体实施方式

以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本实施例所涉及的一种叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法可借助图1所示系统实施，其可包括：

用于向叶片6提供激振力，并至少使叶片6在测试过程中保持共振状态的电动振动台1；

用于进行定振扫频的加速度传感器3；

用于夹持叶片6的夹具8和调节叶片6夹持力的压紧螺钉81；

用于监测叶片6的应力变化的应变传感器5；

用于监测叶片6的一选定部位的振幅的激光位移传感器4；以及，

用于接收和处理所述应变传感器5和激光位移传感器4的信号，并结合设定控制信号实时调整电动振动台工作状态的测量控制单元2。

进一步的，该叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法的实施过程可以包括：

用夹具8将叶片6利用压紧螺钉81刚性固定在夹具8上，将夹具8连同叶片6刚性固定在电动振动台1的工作台面11上；

首先将测量控制单元2设置成扫频形式，且上限频率大于叶片6的共振频率，将加速度传感器3的反馈信号作为控制信号，使电动振动台1进行定振扫频振动，测量控制单元2通过激光位移传感器4的测量信号判别出叶片6的共振频率；

测量控制单元2将控制信号从加速度传感器3的信号转换成激光位移传感器4的信号，并使电动振动台1在叶片6的共振频率点进行振动，测量控制单元2将激光位移传感器4的信号和应变传感器5的信号进行比较，使叶片6的应力在满足所需量值的工况下振动，直至完成叶片6的疲劳次数或由于叶片6的失效而导致共振频率下移，由测量控制单元2控制电动振动台1停止振动。

参阅图1，加速度传感器3、激光位移传感器4和应变传感器5的电信号分别通过信号电缆7输入给测量控制单元2。

作为较为优选的实施方案之一，所述叶片的选定部位选用叶尖，当然，本领域人员亦可依据实际应用的需要而另行选择叶片上的其它合适部位。

前述电动振动台中还可包括功放单元，所述电动振动台通过所述功放单元与测量控制单元连接。

更为具体的讲，本实施例可以包括：

（1）以测量控制单元驱使电动振动台进行扫频试验，特别是通过功放单元驱动电动振动台进行正弦扫频试验，测得叶片的初始共振频率，定义为基准频率f；

（2）在叶片的共振点进行共振驻留试验，同时测量应力与叶片上选定部位的振幅的对应关系，确定给定应力所对应的所述叶片选定部位的振幅，设为给定振幅，并开始循环计数；

（3）将所述叶片选定部位的振幅保持于所述给定振幅，继续进行共振驻留试验，且在试验过程中，依据叶片共振频率的变化（一般来说，测试过程中，当叶片发生本质性变化的时候，共振频率会降低），以所述测量控制单元实时自动调整所述电动振动台的激振频率至与叶片共振频率一致，以及，在调整过程中将所述叶片选定部位的振幅持续自动保持为给定振幅；

分别设定一第一频率（例如，f1）和一第二频率（例如，f2）作为叶片裂纹出现判据和叶片失效判据，并且：

当所述叶片的共振频率低于第一频率且稳定一设定时间后，记录当前循环数，

以及，当所述叶片的共振频率低于第二频率后，记录当前循环数并停机；

或者，当达到目标循环数，而所述叶片的共振频率仍大于第一频率和第二频率时，则停机。

需要指出的是，前述f1可根据实际需要改变，如f1为1hz，或者为基准频率的某个百分率，比如1%；前述f2亦可根据实际需要改变，如f2为15hz，或者为基准频率的某个百分率，比如10%。当共振频率低于f1且稳定一定时间后（时间可设定），记录当前循环数；当共振频率低于f2后，记录当前循环数并停机；而当达到给定目标循环数，但共振频率未满足f1、f2判据时，则自动停机。

又及，对于叶片出现裂纹和叶片失效的判据，本领域人员亦可根据实际应用的需要，选择除共振频率之外的其它可显现叶片本质变化的参数。

显然，藉由本发明的技术方案，操作人员只需将该叶片振动疲劳自动测试控制系统启动后，即可完全由系统自动完成试验过程，实现一键操作、无人值守，且获得精准可靠的测试结果。

需要指出的是，以上实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式。但是，凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其特征在于，包括：

（1）将叶片固定设置于一电动振动台的工作台面上，并在所述工作台面上安装至少一加速度传感器，且将所述加速度传感器输出的信号输入至少用以控制所述电动振动台进行正弦扫频的测量控制单元中，形成闭环控制；

（2）以所述测量控制单元控制所述电动振动台在所述叶片的共振点进行振动，同时在所述叶片受力部位设置至少一应变传感器以测量叶片的应力，并将测得的应力与所述叶片上一选定部位的振幅比较，以确定应力与所述叶片选定部位的振幅的对应关系，进而确定给定应力所对应的所述叶片选定部位的给定振幅，继而采用至少一传感单元测量所述叶片选定部位的振幅并输入到所述测量控制单元中形成闭环控制，开始循环计数；

（3）将所述叶片选定部位的振幅保持于所述给定振幅，继续在所述叶片的共振频率上进行振动试验，同时依据所述叶片共振频率的变化，以所述测量控制单元实时调整所述电动振动台的激振频率至与所述叶片的共振频率一致，并且在调整过程中保持所述叶片选定部位的振幅与所述叶片应力的对应关系；

（4）分别设定与所述叶片的共振频率相关的第一设定值和一第二设定值作为叶片出现裂纹的判别依据和叶片失效的判别依据，并且：

当与所述第一设定值为相同性质的测定值和所述第一设定值的差值在一第一阈值范围内并稳定一设定时间后，以所述测量控制单元记录当前循环数，

以及，当与所述第二设定值为相同性质的测定值和所述第二设定值的差值在第二阈值范围内时，以所述测量控制单元记录当前循环数并至少使所述电动振动台停机；

或者，当达到目标循环数，而与所述第一设定值及第二设定值为相同性质的测定值和第一设定值及第二设定值的差值与第一阈值范围及第二阈值范围无关时，则至少以所述测量控制单元使所述电动振动台停机；

所述测定值是由测量控制单元在测试过程中测得，并与叶片共振频率相关。

2.根据权利要求1所述的叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其特征在于，所述测量控制单元包括至少用以测量加速度、速度、位移和应力中的任意一种的测量模块。

3.根据权利要求1所述的叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其特征在于，所述叶片的选定部位选用叶尖。

4.根据权利要求1所述的叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其特征在于，所述传感单元包括非接触测量单元，所述非接触测量单元包括激光位移传感器。

5.根据权利要求1所述的叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其特征在于，所述应变传感器包括贴在所述叶片受力部位的应变片。

6.根据权利要求1所述的叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法，其特征在于，所述第一设定值和第二设定值分别采用第一设定频率值和第二设定频率值，

其中，当所述叶片的共振频率与所述第一设定频率的差值在第一阈值范围内并稳定一设定时间后，以所述测量控制单元记录当前循环数，

以及，当所述叶片的共振频率与所述第二设定频率的差值在第二阈值范围内时，则以所述测量控制单元记录当前循环数并至少使所述电动振动台停机；

或者，当达到目标循环数，而所述叶片的共振频率和所述第一设定频率及第二设定频率的差值与第一阈值范围及第一阈值范围均无关时，则至少以所述测量控制单元使所述电动振动台停机。

Images