CN108593234B - 高周疲劳试验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于振动试验技术领域，公开一种高周疲劳试验装置及其应用，包括激振器和试验件夹具，试验件夹具包括与激振器相连的夹具主体，夹具主体外周表面对称凸出两根横梁，两根横梁外周分别套设有第一调节抱箍和第二调节抱箍；第一调节抱箍和第二调节抱箍均包括抱箍本体和与抱箍本体固定连接的抱箍位移调节部，抱箍本体套设在横梁外周，抱箍位移调节部设置在远离夹具主体的方向，抱箍位移调节部上具有垂直于横梁端面的螺纹通孔，螺纹通孔内拧设有调节螺栓，调节螺栓旋入抱箍位移调节部的端部可与横梁端面抵接；第一调节抱箍的抱箍本体上方设有试验件夹持部用于夹持试验件，第二调节抱箍的抱箍本体上方设有配重块；试验件上方设有位移传感器。

Description

高周疲劳试验装置及其应用

技术领域

本发明涉及振动试验技术领域，具体地，涉及一种高周疲劳试验装置及其在航空发动机叶片高周疲劳试验上的应用。

背景技术

对于中小型航空发动机零部件如叶片来说，由于叶片的尺寸较小，其固有频率较高，特别是其高阶固有频率普遍超过3000Hz。由于叶片裂纹排故的需要，需要对叶片进行较高激振频率下的高周疲劳试验，该试验一般使用电动激振台对叶片进行激振。

由于目前电动激振台的激振能力有限，其激振频率一般低于5000Hz，并且激振频率越高，电动激振台可提供的激振力（激振台面加速度）越小。现有的叶片高周疲劳试验用电动激振台，一般只能在3000Hz以下的一阶模态频率对叶片进行激振。对于高阶模态频率，即使电动激振台可提供较高的激振频率，当激振频率较高时，电动激振台的激振能力有限，不具备在较高模态频率下为叶片提供足够产生高周疲劳裂纹的激振力，达不到叶片高周疲劳试验要求，导致试验无法进行。

即使现有的基于试验夹具共振的原理设计出的高周疲劳试验夹具，试验夹具也不具备在线调节共振频率的功能。现有的调节方式只能是多次启停电动激振台，以试错的方式一步步调节叶片夹持件和配重块在夹具横梁上的位置，来实现整个试验夹具以指定频率共振。这种调节方式不光费时费力，操作十分麻烦，并且试验夹具共振状态调节的精准性也不高。因此，现有的调节方式使得基于共振原理的高周疲劳夹具设计和应用难以真正推广。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种可在线调节共振频率的高周疲劳试验装置。

本发明同时提供一种所述高周疲劳试验装置在航空发动机叶片高周疲劳试验上的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高周疲劳试验装置，包括激振器和可在激振器激励下发生振动的试验件夹具，试验件夹具包括与激振器相连的夹具主体，夹具主体外周表面对称凸出两根横梁，两根横梁外周分别套设有第一调节抱箍和第二调节抱箍。

第一调节抱箍和第二调节抱箍均包括抱箍本体和与抱箍本体固定连接的抱箍位移调节部，抱箍本体套设在横梁外周，抱箍位移调节部设置在远离夹具主体的方向，抱箍位移调节部上具有垂直于横梁端面的螺纹通孔，螺纹通孔内拧设有调节螺栓，调节螺栓旋入抱箍位移调节部的端部可与横梁端面抵接。

第一调节抱箍的抱箍本体上方设有试验件夹持部用于夹持试验件，第二调节抱箍的抱箍本体上方设有配重块，以便当移动第二调节抱箍时，本试验装置的固有频率可调。

试验件上方布置有用于监测试验件振动位移的位移传感器。

进一步地，抱箍位移调节部呈U型结构，抱箍位移调节部的U型端部垂直固定在抱箍本体的端面上。

更进一步地，抱箍本体与横梁外周小间隙配合。

再进一步地，抱箍本体外周设有至少一个螺纹孔用于安装端部与横梁外周抵接的压紧螺栓。

进一步地，还包括可对调节螺栓的调节行程进行限位的限位支架，限位支架与夹具主体固定连接，限位支架的设置方向与调节螺栓的设置方向一致，限位支架的两端分别设有挡板用于防止调节螺栓从螺纹通孔中脱出，挡板在与调节螺栓对应的位置设有通孔用于拴入辅助调节螺栓快速旋入或旋出的扳手。

更进一步地，挡板的设置位置为可保证抱箍本体被调节至靠近或远离横梁与夹具主体的连接处时调节螺栓的头部与挡板接触或具有间隙。

进一步地，试验件夹持部包括第一夹持部和第二夹持部，试验件夹设在第一夹持部和第二夹持部之间，第一夹持部与第一调节抱箍的抱箍本体相接。

更进一步地，第一调节抱箍的抱箍本体在与第一夹持部连接处设有螺纹盲孔，第一夹持部上设有与螺纹盲孔对应的螺纹段，该抱箍本体与第一夹持部螺纹连接。

进一步地，第二调节抱箍的抱箍本体在与配重块连接处设有螺纹盲孔，配重块上设有与螺纹盲孔对应的螺纹段，该抱箍本体与配重块螺纹连接。

上述的高周疲劳试验装置可很好地应用在航空发动机叶片高周疲劳试验中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）通过移动第一调节抱箍和第二调节抱箍在夹具主体横梁轴线上的位置，使夹具主体以指定频率共振，达到放大基础平台振动的目的，有效解决激振器在较高频率下由于激振能量不足无法完成试验件高周疲劳试验的问题；

2）本试验装置克服了现有技术中需多次启停激振器的弊端，可以在激振器不停机的情况下，快速将夹具主体调节至指定的共振状态，调节效率高，且有效提高了共振状态调节的精准性；

3）抱箍本体与横梁之间的小间隙配合方式，结合共振状态调节过程中激振器的小能量激振特征，既可实现第一调节抱箍和第二调节抱箍在横梁轴线上的位置在线可调，同时又可确保在共振状态调节过程中第一调节抱箍和第二调节抱箍在横梁轴线上的位置得以保持；

4）在激振器进行大能量激振时，通过拧紧压紧螺栓，将第一调节抱箍和第二调节抱箍紧固在夹具主体的横梁上，确保夹具主体仍然可以以指定频率进行满足试验件高周疲劳试验要求的共振；

5）本试验装置可以针对叶片（尤其是航空发动机叶片）、轮盘、管路、齿轮等一切可夹持且需要进行高周疲劳试验的试验件进行试验。

附图说明

图1为实施例1所述的叶片高周疲劳试验装置的俯视图；

图2为图1中A-A剖面图；

图3为图1中B-B剖面图；

图4为图1中C-C剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

提供一种用于航空发动机叶片高周疲劳试验的试验装置，如图1至图4所示，其包括激振器(未示出）和可在激振器激励下发生振动的叶片夹具，叶片夹具包括与激振器相连的夹具主体1，夹具主体1外周表面对称凸出两根横梁11，两根横梁11外周分别套设有第一调节抱箍12和第二调节抱箍13，本实施例的两根横梁11均为圆柱结构，事实上，横梁可以为任意柱形结构，只需在第一调节抱箍和第二调节抱箍上设置与横梁外周适配的结构即可。

夹具主体1上设有四个圆柱孔，四个圆柱孔内放置有螺栓将夹具主体稳定安装至激振器上，激振器位于夹具主体1正下方，激振器具体为电动式激振器。

如图1和图2所示，第一调节抱箍12和第二调节抱箍13均包括抱箍本体和与抱箍本体固定连接的抱箍位移调节部（第一调节抱箍12的抱箍本体为121、抱箍位移调节部为122；第二调节抱箍13的抱箍本体为131、抱箍位移调节部为132），抱箍本体套设在横梁外周，抱箍位移调节部设置在远离夹具主体的方向，抱箍位移调节部上具有垂直于横梁端面的螺纹通孔，螺纹通孔内拧设有调节螺栓14，调节螺栓14旋入抱箍位移调节部的端部可与横梁11端面抵接，第一调节抱箍12和第二调节抱箍13上的调节螺栓14原则上位于同一轴线上。

如图3和图4所示，抱箍本体与横梁11外周小间隙配合，便于调节螺栓14在对抱箍位移调节部作位移调节时可顺利带动抱箍本体在横梁上滑移。

具体地，为确保抱箍本体与横梁的相对连接稳定性，圆柱结构的横梁11外周设有三个紧固平面一111，相应地，抱箍本体的内壁上也设置有与紧固平面配套的紧固平面二，抱箍本体外周在三个紧固平面二处均设置有螺纹孔用于安装端部与横梁的三个紧固平面一抵接的压紧螺栓15，压紧螺栓一方面与抱箍本体螺纹连接，一方面端部与横梁抵接，有效避免抱箍本体与横梁之间发生随意的、错乱的相对位移。

如图1所示，抱箍位移调节部呈U型结构，抱箍位移调节部的U型端部垂直固定在抱箍本体的端面上；因调节螺栓与抱箍位移调节部螺纹连接，而抱箍位移调节部与抱箍本体为固定连接，因此在旋进或旋出调节螺栓时，抱箍位移调节部将被迫移动进而带动抱箍本体在横梁上发生位移。

抱箍位移调节部其实可以以多种结构形式存在，本实施例U型结构设计是以最简洁的结构来实现使抱箍本体产生位移的效果，可大大节约抱箍位移调节部的制造成本。

如图2所示，第一调节抱箍的抱箍本体121上方设有叶片夹持部16用于夹持叶片2，第二调节抱箍的抱箍本体131上方设有配重块17，配重块17的主要作用是保证当移动第二调节抱箍时，本试验装置的固有频率可调。

具体地，叶片夹持部16包括第一夹持部161和第二夹持部162，叶片2夹设在第一夹持部161和第二夹持部162之间，第一夹持部161与第一调节抱箍的抱箍本体121相接。

为使本试验装置的可拆卸性强，可分别将第二调节抱箍的抱箍本体131与配重块17活动连接、第一调节抱箍的抱箍本体121与第一夹持部161活动连接，具体设置为：第二调节抱箍的抱箍本体在与配重块连接处设有螺纹盲孔，配重块17上设有与螺纹盲孔对应的螺纹段171，该抱箍本体与配重块螺纹连接；第一调节抱箍的抱箍本体在与第一夹持部连接处设有螺纹盲孔，第一夹持部161上设有与螺纹盲孔对应的螺纹段1611，该抱箍本体与第一夹持部螺纹连接。

第一夹持部161的两端设置有螺纹孔，第二夹持部162在与第一夹持部的螺纹孔对应位置处设有通孔，夹持螺栓18穿过第二夹持部的通孔后旋入第一夹持部的螺纹孔并旋紧，即可简单实现第一夹持部和第二夹持部对叶片的稳定夹持。

叶片2的叶身正上方一定距离处布置有用于监测叶片在激振器激励下的发生振动位移的位移传感器3。

如图1和图2所示，还包括可对调节螺栓14的调节行程进行限位的限位支架19，限位支架19与夹具主体1固定连接，且限位支架19的设置方向与调节螺栓14的设置方向一致，本实施例的限位支架呈H形结构，横梁、第一调节抱箍、第二调节抱箍、调节螺栓等均位于限位支架的H形凹槽处，限位支架不会对它们的位置或工作干涉。限位支架的两端分别设有挡板191用于防止调节螺栓14从螺纹通孔中脱出，挡板191在与调节螺栓14对应的位置设有通孔1911用于拴入辅助调节螺栓快速旋入或旋出的扳手。

具体来说，挡板191的设置位置为可保证抱箍本体被调节至靠近或远离横梁与夹具主体的连接处时调节螺栓的头部与挡板接触或具有间隙，当然挡板的设置位置具体还是依试验实际所需调整位移来确定。

为保证挡板与限位支架的稳定连接，挡板不宜设置过重，本实施例中挡板191为T形结构，通孔即设置在T形结构挡板的竖向结构表面上，T形结构挡板的横向结构两端设有螺栓使其与限位支架固定。

本试验装置的试验过程为：开启激振器，采用内六角扳手拴入任一挡板上的通孔1911并与调节螺栓14配合进行顺时针或逆时针旋转，使调节螺栓14端部抵紧对应横梁11的端面或者靠紧该挡板191，从而使第一调节抱箍12或第二调节抱箍13沿着横梁11的轴线移动，从而将夹具主体1在线调节至以叶片2某阶固有频率为共振频率的共振状态。在夹具主体1调节至以指定频率共振的过程中，激振器的激振能量较小。共振状态调节完毕后，拧紧抱箍本体上的压紧螺栓15，将第一调节抱箍12和第二调节抱箍13紧固在横梁上，可使夹具主体1始终以叶片2的某阶固有频率为共振频率进行共振。之后增大激振器的激振能量，使叶片2的振动状态满足高周疲劳试验要求。

当然也可采用两个内六角扳手对两个调节螺栓14分别进行调节，只要最终能达到共振状态即可。

夹具主体1上还可设置加速度传感器一4用于监测夹具主体的振动情况，第二夹持部162上可设置加速度传感器二5用于监测叶片2的振动情况，这两个加速度传感器将为本试验装置放大基础平台振动的放大量提供参考，其既可监测夹具主体（激振器台面）的加速度是否超过激振器的安全许可激振载荷，保证激振台安全运行；又同时可监测叶片2上经过本试验装置放大振动后的激振载荷是否满足叶片2的高周疲劳试验要求，确保试验可有效进行。

本试验装置通过移动第一调节抱箍和第二调节抱箍在夹具主体横梁轴线上的位置，使夹具主体以指定频率共振，达到放大基础平台振动的目的，有效解决激振器在较高频率下由于激振能量不足无法完成试验件高周疲劳试验的问题；其克服了现有技术中需多次启停激振器的弊端，可以在激振器不停机的情况下，快速将夹具主体调节至指定的共振状态，调节效率高，且有效提高了共振状态调节的精准性。

本试验装置并不局限于针对叶片进行试验，其试验件还可以是轮盘、管路、齿轮等一切可夹持且需要进行高周疲劳试验的试验件。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高周疲劳试验装置，其特征在于，包括激振器和可在激振器激励下发生振动的试验件夹具，试验件夹具包括与激振器相连的夹具主体，夹具主体外周表面对称凸出两根横梁，两根横梁外周分别套设有第一调节抱箍和第二调节抱箍；

第一调节抱箍和第二调节抱箍均包括抱箍本体和与抱箍本体固定连接的抱箍位移调节部，抱箍本体套设在横梁外周，抱箍位移调节部设置在远离夹具主体的方向，抱箍位移调节部上具有垂直于横梁端面的螺纹通孔，螺纹通孔内拧设有调节螺栓，调节螺栓旋入抱箍位移调节部的端部可与横梁端面抵接；

第一调节抱箍的抱箍本体上方设有试验件夹持部用于夹持试验件，第二调节抱箍的抱箍本体上方设有配重块；

试验件上方布置有用于监测试验件振动位移的位移传感器；

抱箍本体与横梁外周间隙配合，抱箍本体外周设有至少一个螺纹孔用于安装端部与横梁外周抵接的压紧螺栓；

还包括可对调节螺栓的调节行程进行限位的限位支架，限位支架与夹具主体固定连接，限位支架的设置方向与调节螺栓的设置方向一致，限位支架的两端分别设有挡板用于防止调节螺栓从螺纹通孔中脱出，挡板在与调节螺栓对应的位置设有通孔用于拴入辅助调节螺栓快速旋入或旋出的扳手。

2.根据权利要求1所述的高周疲劳试验装置，其特征在于，抱箍位移调节部呈U型结构，抱箍位移调节部的U型端部垂直固定在抱箍本体的端面上。

3.根据权利要求2所述的高周疲劳试验装置，其特征在于，挡板的设置位置为可保证抱箍本体被调节至靠近或远离横梁与夹具主体的连接处时调节螺栓的头部与挡板接触或具有间隙。

4.根据权利要求1所述的高周疲劳试验装置，其特征在于，试验件夹持部包括第一夹持部和第二夹持部，试验件夹设在第一夹持部和第二夹持部之间，第一夹持部与第一调节抱箍的抱箍本体相接。

5.根据权利要求4所述的高周疲劳试验装置，其特征在于，第一调节抱箍的抱箍本体在与第一夹持部连接处设有螺纹盲孔，第一夹持部上设有与螺纹盲孔对应的螺纹段，抱箍本体与第一夹持部螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的高周疲劳试验装置，其特征在于，第二调节抱箍的抱箍本体在与配重块连接处设有螺纹盲孔，配重块上设有与螺纹盲孔对应的螺纹段，抱箍本体与配重块螺纹连接。

7.如权利要求1～6任意一项所述的高周疲劳试验装置在航空发动机叶片高周疲劳试验中的应用。

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