CN106441761A - 一种发动机叶片的疲劳试验装置 - Google Patents

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李�杰
朱正邦
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Abstract

本发明公开了一种发动机叶片的疲劳试验装置，包括振动试验台(3)，所述振动试验台(3)与一个功率放大器(2)通过信号线相连接，所述功率放大器(2)通过信号线与一个信号发生器(1)相连接；所述振动试验台(3)的顶部固定连接有放大工装(4)，所述放大工装(4)的顶部固定连接有夹持工装(5)，所述夹持工装(5)的左端固定连接需要进行振动疲劳试验的叶片(6)。本发明能够在保证高质、有效地完成叶片振动疲劳试验的情况下，降低所具有的振动试验台的负荷，保证振动试验台长时间正常工作且不容易出现故障，显著延长振动试验台的使用寿命，进而降低对发动机叶片进行振动疲劳试验的成本。

Description

一种发动机叶片的疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及疲劳试验技术领域，特别是涉及一种发动机叶片的疲劳试验装置。
背景技术
目前，疲劳试验装置是使试样或构件承受周期或随机变化的应力或应变，以测定疲劳极限和疲劳寿命等指标的装置。在产品投入使用前，在实验室中需要进行充分的疲劳性能试验考核，测得产品的疲劳极限和疲劳寿命，从而保证产品在实际使用过程中不会出现疲劳损伤故障。
对于航空航海等领域使用的发动机叶片，其是相关发动机中最关键的零件之一。由于叶片的振动疲劳失效，可能会造成发动机在运行过程中出现停车故障，有时甚至可能造成严重等级的事故，危及人们的重大人身财产安全。因此，在相关发动机的研制及制造成形阶段，通过进行发动机叶片的振动疲劳试验，查找出叶片在设计和制造中的各种缺陷，是十分必要的，而且意义重大。
目前，发动机叶片的疲劳试验的对象一般为单个叶片或者是整体叶轮，对于现有的发动机叶片的振动疲劳试验装置，其往往只有连接叶片和振动台的作用，并没有放大激励的作用。由于疲劳试验的振动试验次数一般为107量级，对于一阶弯曲频率较低的发动机叶片，意味着试验时间会比较长，因此，振动台会在较大的负荷下工作较长的时间，从而容易发生故障，显著增加了对发动机叶片进行振动疲劳试验的成本。
因此，目前迫切需要开发出一种疲劳试验装置，其能够降低所具有的振动台的负荷，可以保证振动台长时间正常工作且不容易出现故障，显著延长了振动台的使用寿命，进而降低对发动机叶片进行振动疲劳试验的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种发动机叶片的疲劳试验装置，其能够在保证高质、有效地完成叶片振动疲劳试验的情况下，降低所具有的振动试验台的负荷，可以保证振动试验台长时间正常工作且不容易出现故障，显著延长了振动试验台的使用寿命，进而降低对发动机叶片进行振动疲劳试验的成本，操作起来简单方便，有利于广泛的生产应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种发动机叶片的疲劳试验装置，包括振动试验台，所述振动试验台与一个功率放大器通过信号线相连接，所述功率放大器通过信号线与一个信号发生器相连接；
所述振动试验台的顶部固定连接有放大工装，所述放大工装的顶部固定连接有夹持工装，所述夹持工装的左端固定连接需要进行振动疲劳试验的叶片。
其中，所述振动试验台的顶部右端和所述夹持工装的顶部中心位置都设置有加速度传感器。
其中，所述叶片的顶部中间位置上设置有应变片，所述叶片的左端部具有叶尖，所述叶尖的正上方设置有一个激光位移传感器。
其中，所述加速度传感器、应变片和激光位移传感器分别通过一根信号线与一个数据采集仪相连接，所述数据采集仪与一个计算机相连接。
其中，所述放大工装包括基座、两个调节滑块和放大梁，其中基座的底部通过螺钉和振动试验台的顶部相连，所述放大梁底部左右两端通过两个调节滑块安装于基座的顶部，所述放大梁与所述夹持工装相连接。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种发动机叶片的疲劳试验装置，其能够在保证高质、有效地完成叶片振动疲劳试验的情况下，降低所具有的振动试验台的负荷，可以保证振动试验台长时间正常工作且不容易出现故障，显著延长了振动试验台的使用寿命，进而降低对发动机叶片进行振动疲劳试验的成本，操作起来简单方便，有利于广泛的生产应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验装置的结构示意简图；
图2为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验装置中放大工装与振动试验台、夹持工装和叶片之间的连接结构放大示意简图；
图中，1为信号发生器，2为功率放大器，3为振动试验台，4为放大工装，5为夹持工装，6为叶片，7为加速度传感器，8为应变片，9为激光位移传感器，10为数据采集仪，11为计算机，41为基座，42为调节滑块，43为放大梁。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验装置的结构示意简图。
参见图1，本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验装置，用于对发动机叶片进行振动疲劳试验。该疲劳试验装置具体包括振动试验台3，所述振动试验台3与一个功率放大器2通过信号线相连接，所述功率放大器2通过信号线与一个信号发生器1相连接；
所述振动试验台3的顶部固定连接有放大工装4，所述放大工装4的顶部固定连接有夹持工装5，所述夹持工装5的左端固定连接需要进行振动疲劳试验的叶片6。
在本发明中，具体实现上，所述夹持工装5可以与所述叶片6通过卡接、螺纹连接等多种方式进行固定连接。
对于本发明，需要说明的是，所述信号发生器1用于输出预设频率和幅值的电压信号给功率放大器2；所述功率放大器2用于在接收到所述信号发生器1发来的电压信号后，放大后输出给所述振动试验台3(也就是说放大了所述信号发生器1的输出功率)，从而驱动所述振动试验台3运行。因此，所述信号发生器1可以通过功率放大器2来控制振动试验台3的激振频率和激振力大小。
还需要说明的是，振动试验台是用于在实验室内模拟真实振动环境效应的常用试验设备。所述振动试验台3用于通过预设的频率和激振加速度(优选为叶片的一阶弯曲固有振动频率和相应的激振加速度)，通过放大工装4放大后对叶片进行激振(即激励振动)。
在本发明中，具体实现上，所述振动试验台3优选为能够提供正弦推力的振动试验台，其具有的正弦激励频率为2～4000Hz(需覆盖试验频率)，其正弦推力不小于1T。
在本发明中，所述放大工装4用于将所述振动试验台3输出的激励放大后传递给夹持工装5，由于夹持工装5连接所述叶片6，因此也将放大后的激励传递给所述叶片6。
具体实现上，所述放大工装4优选为可以调节放大频率范围的结构，其具有调节能力，能满足在某个频带内的放大激励，从而能满足多种一阶弯曲固有频率差距不太大的叶片的疲劳试验需求。
在本发明中，需要说明的是，参见图2所示，所述放大工装4主要分为三个部分，包括基座41、两个调节滑块42和放大梁43，其中基座41的底部通过螺钉和振动试验台3的顶部相连，所述放大梁43底部左右两端通过两个调节滑块42安装于基座的顶部(所示放大梁43的左右两端可以通过螺钉和滑动螺块与调节滑块42固定连接)，所述放大梁43与所述夹持工装5相连接(叶片安装于放大梁所连接的夹持工装5上)，类似于两端固定梁.对于本发明，所述放大梁的设计目的是确保其一阶弯曲频率和叶片的一阶弯曲频率(即试验频率)接近，另一方面放大梁的重量要远大于叶片的重量，因此，当放大梁和叶片发生耦合后，对各自的固有频率不会有影响。当振动试验台3以试验频率激励时，放大梁的自身临近共振状态，放大梁处的激励量级会明显高于基座，从而达到放大所述振动试验台3输出的激励的作用。
另一方面，放大梁43与基座41连接的位置(即调节滑块42的位置)是可以改变的(具体可以通过放大梁43两端的腰型孔，基座41的左右两端上开滑槽，两个所述调节滑块42可在所述滑槽3中左右移动)，因此可以调节放大梁43的左右两端的固定位置，即可以通过改变两个调节滑块42间的相对距离来改变放大梁43的固有频率。从而改变放大梁的固有频率，从而具有调节放大频率范围的能力。
在本发明中，具体实现上，所述振动试验台3的顶部右端和所述夹持工装5的顶部中心位置都设置有加速度传感器7，所述振动试验台3和夹持工装5上的加速度传感器7分别用于监测所述振动试验台3的最初输出激励和经过放大后的激励(即所述叶片接收到的实际激励)，并输出加速度信号，从而可以获得放大工装4的放大倍数。
在本发明中，所述叶片6的顶部中间位置上设置有应变片8，所述叶片6的左端部具有叶尖，所述叶尖的正上方设置有一个激光位移传感器9；
需要说明的是，所述应变片8设置于所述叶片6的表面应力较大的位置。所述应变片8用于监测所述叶片在进行振动疲劳试验时的振动应变(应力)等级，并输出应变信号；所述激光位移传感器9用于监测所述叶片6的叶尖的位移，并输出位移信号，从而辅助确定所述叶片6在进行振动疲劳试验时的应力等级。
在本发明中，具体实现上，所述加速度传感器7、应变片8和激光位移传感器9分别通过一根信号线与一个数据采集仪10相连接，所述数据采集仪10与一个计算机11相连接；
其中，所述数据采集仪10用于实时记录所述加速度传感器7、应变片8和激光位移传感器9监测后分别输出的监测数据(分别是加速度信号、应变信号和位移信号)，并转发给所述计算机11；
在本发明中，具体实现上，所述数据采集仪10可以为江苏泰斯特电子设备制造有限公司制造的型号为TST5912的数据采集仪。当然，还可以是其他任意一种能够采集所述加速度传感器7、应变片8和激光位移传感器9监测后所输出的监测数据的数据采集仪。
所述计算机11用于设置所述数据采集仪10的采集参数，以及实时存储并显示所述数据采集仪10发送的监测数据(包括加速度信号、应变信号和位移信号)。
基于上述本发明提供的发动机叶片的疲劳试验装置，其具体进行振动疲劳试验，包括以下步骤：
1、将叶片6通过夹持工装5和放大工装4安装于振动试验台3上；
2、试验操作人员通过敲击叶片6，以瞬态激励的方法(该方法获得试验件固有频率的一种常规方法，瞬态激励，也就是瞬态冲击激励，即激励只有在很短的时间段内存在，这段时间前后的激励都为0)获取叶片6的一阶弯曲固有振动频率；或者通过振动试验台3进行扫频获得叶片6的一阶弯曲固有振动频率(通过分析应变片8和激光位移传感器9数据；
在本发明中，可以直接通过数据采集仪或者振动控制仪获取叶片6的一阶弯曲固有振动频率。对于本发明，需要说明的是，所述扫频为振动专业术语，在本发明中，所述扫频，可以通过振动台输出一段幅值固定频率从低到高的激励信号，同时监测作为试验件的发动机叶片的响应信号(或者响应和激励的传递函数)，如果在某个频率上幅值出现极大值，这个频率即为该作为试验件的发动机叶片的固有频率)。另外，扫频法和瞬态激励法作为得到固有频率的方法，它们都是通过分析应变数据(应变片8)和位移数据(激光位移传感器)，主要方法就是将这些数据通过快速傅立叶FFT变换至频域，直接在频域上读取相关曲线的峰值，峰值对应的频率就是共振频率。
3、调节放大工装4至合适的位置，使其对叶片6的一阶弯曲固有振动频率起到放大的作用；
需要说明的是，对于本发明，通过调节放大工装中调节滑块的位置，即调节放大工装的位置。见基本的调节方法是：在某个状态下，如果测得放大工装中放大梁的固有频率小于叶片固有频率，则应将两个调节滑块向内移动(减小放大梁左右两端固定点这两固定点之间的距离)，从而增大放大梁的固有频率，反之则向外移动两个调节滑块，加大放大梁左右两端固定点这两固定点之间的距离，从而降低放大梁的固有频率。
4、在小量级下记录叶片6的应变和位移的数据，标定应变的位移的线性关系，为之后确定叶片疲劳试验应力等级提供依据(通常在叶片的振动应力达到疲劳强度等级时，应变片会失效)；
5、增大激励，叶片6在试验频率以规定的振动幅值下继续疲劳试验，直到叶片6的一阶弯曲固有振动频率下降1％，即说明叶片6产生了疲劳裂纹，完成疲劳试验；
6、通过数据采集仪10和计算机11，实时记录叶片6在振动疲劳试验过程中的各类数据，包括应力水平、振动频率、试验时间等参数。
对于本发明，所述疲劳试验装置所试验的对象可以是单个叶片或者包含多个叶片的叶轮。对于本发明，所述叶片6的一端和振动试验台3联动连接，另一端和夹持工装5相连，其中夹持工装5用来固定叶片，使叶片6的悬臂安装固定在放大工装4的上方。振动试验台5以叶片6的一阶弯曲固有振动频率和相应的激振加速度，通过放大工装4来对叶片6进行激振，使叶片6在该频率下以规定的应力水平进行振动，直至叶片6的固有频率下降1％(即说明产生了疲劳裂纹)，从而完成对叶片6的振动疲劳试验。在整个振动疲劳试验过程中，通过数据采集仪10和计算机11，实时记录试验时间、应力水平和振动频率等试验数据信息。
因此，本发明通过使用放大工装4，显著降低了振动试验台3的负荷，从而降低了设备的故障率，同时降低能耗。另外，由于放大工装4的配置可调，因此本发明可以适用于对多种固有频率相差不大的叶片进行振动疲劳试验。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种发动机叶片的疲劳试验装置，其能够在保证高质、有效地完成叶片振动疲劳试验的情况下，降低所具有的振动试验台的负荷，可以保证振动试验台长时间正常工作且不容易出现故障，显著延长了振动试验台的使用寿命，进而降低对发动机叶片进行振动疲劳试验的成本，操作起来简单方便，有利于广泛的生产应用，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种发动机叶片的疲劳试验装置，其特征在于，包括振动试验台(3)，所述振动试验台(3)与一个功率放大器(2)通过信号线相连接，所述功率放大器(2)通过信号线与一个信号发生器(1)相连接；
所述振动试验台(3)的顶部固定连接有放大工装(4)，所述放大工装(4)的顶部固定连接有夹持工装(5)，所述夹持工装(5)的左端固定连接需要进行振动疲劳试验的叶片(6)。
2.如权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述振动试验台(3)的顶部右端和所述夹持工装(5)的顶部中心位置都设置有加速度传感器(7)。
3.如权利要求2所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述叶片(6)的顶部中间位置上设置有应变片(8)，所述叶片(6)的左端部具有叶尖，所述叶尖的正上方设置有一个激光位移传感器(9)。
4.如权利要求3所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述加速度传感器(7)、应变片(8)和激光位移传感器(9)分别通过一根信号线与一个数据采集仪(10)相连接，所述数据采集仪(10)与一个计算机(11)相连接。
5.如权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述放大工装(4)包括基座(41)、两个调节滑块(42)和放大梁(43)，其中基座(41)的底部通过螺钉和振动试验台(3)的顶部相连，所述放大梁(43)底部左右两端通过两个调节滑块(42)安装于基座(41)的顶部，所述放大梁(43)与所述夹持工装(5)相连接。
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