CN109470468A - 一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空发动机涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，疲劳机夹紧榫槽夹具下端，并通过螺栓固定榫槽试验件；榫槽试验件与榫头试验件通过榫齿连接，并通过限位挡板限制其沿榫槽槽向的滑动；榫头夹具依靠双楔形面夹紧榫头试验件夹持部分；榫头夹具上方与传力拉杆通过螺纹连接；传力拉杆上开有三个螺纹孔，高周激振杆通过螺纹与其拧紧，上方与滚轮传动轴通过轴孔结构间隙配合；滚轮传动轴两端对称安装一对滚珠轴承，组成滚轮结构，滚轮沿着安装盒中两条导槽运动，释放高周载荷施加方向的约束；安装盒顶端被疲劳机夹紧；疲劳机施加低周载荷，激振杆外接激振器施加高周载荷，榫接位置外接电感加热铜线圈施加热载荷。

Description

一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具

技术领域

本发明属于航空航天发动机技术领域，具体涉及一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具。

背景技术

航空发动机是一种极限产品，发动机涡轮叶片和涡轮盘工作在高温、高压、高转速等的复杂载荷环境下，涡轮榫接结构的高低周复合疲劳失效是榫接结构的主要失效模式。为了对榫接结构高低周复合疲劳寿命进行深入研究，需要对涡轮榫接结构开展大量复合疲劳试验，针对涡轴发动机的涡轮小叶片榫接结构的试验研究也是至关重要的一项工作。涡轴发动机涡轮叶片因尺寸较小，通常小于70mm，型面复杂，导致夹持困难，因而限制了高低周疲劳试验的开展；同时疲劳试验过程中在已有纵向低周大载荷的基础上仍要施加横向高周振动载荷、产生振动作用也是一项难以突破的关键点。因此十分有必要设计一种适用于涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具。

目前文献中对涡轮高低周疲劳试验夹具的有效设计方案少见公开报道。闫晓军等人[1]在文献参考文献([1]闫晓军,聂景旭.定向结晶涡轮叶片蠕变/疲劳寿命的试验与分析[J].航空动力学报,2005(06):925-931.)中提出一种涡轮叶片夹具设计方案，具体结构如图2。该夹具设计方案主要通过内夹具夹持叶片部分叶身，螺栓压紧后，产生摩擦力夹持叶片。该夹具设计方案主要通过摩擦原理来对叶片进行加载,来避免滑脱的问题，使用多段夹具嵌套，将上夹块1、上夹块2嵌套，避免产生的扭矩传到试验机上夹头，将下夹块1和下夹块2嵌套，避免产生的扭矩传到试验机下架头。

该方案主要存在问题有以下几点：(1)内夹具由于尺寸限制，无法夹持涡轮小叶片的整个型面，导致其螺栓压紧力需要较大。而涡轮小叶片内部具有空心冷却气道，过大的压紧力有压溃内部结构的风险。(2)多层夹具嵌套，加载轴同心度不易保证，这导致对叶片加载弯矩的同时会附带扭矩，这一问题导致试验载荷发生变化。而涡轮小叶片在实际工作中受到载荷主要为弯矩，这导致试验结果不具有说服力。(3)该夹具设计方案仅可以加载低周载荷，无法进行高低周复合疲劳的试验。

而本发明与文献中夹具的夹持形式、对中方式以及加载方式不同，很好的解决了以上不足导致的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，克服涡轮榫接结构在已承受低周大载荷条件下同时加载横向高周载荷的难点，以及叶片直接夹持容易发生滑脱、应力分布不均的问题，满足各项载荷的有效稳定施加，且能够进行涡轮榫接的高低周复合疲劳试验。本发明是一种针对航空发动机涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验的加载技术，它是一种能够对涡轮榫接结构同时施加纵向低周大载荷、横向高周振动载荷以及热载荷的加载技术。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，包括：轴承安装盒、滚珠轴承、传动轴、限位连接块、传力拉杆、榫头夹具、压紧块、榫头试验件、榫槽试验件、限位挡板、榫槽夹具和小压紧块；轴承安装盒的顶端与疲劳机相连，盒体内部安装有一对滚珠轴承，轴承安装盒下端开口处由限位连接块通过螺栓连接；滚珠轴承与传力拉杆通过传动轴连为一体；传力拉杆下端与榫头夹具通过螺纹连接，同时传力拉杆通过高周激振力施加点与外接激振器相连；榫头夹具与压紧块共同夹紧榫头试验件；榫头试验件与榫槽试验件通过榫齿连接，限位挡板固定在榫槽试验件上，防止榫头试验件沿槽向滑出；榫槽试验件下端由榫槽夹具和小压紧块通过双螺栓夹紧；榫槽夹具下端与疲劳机相连。

在高周载荷的施加部分，一对滚珠轴承和传动轴组成的滚轮结构沿安装盒中滑轨运动，具有±15mm的位移裕度，同时传力拉杆与传动轴通过轴孔间隙配合，传力拉杆横截面采用工字型，提高弯曲刚度，保证激振力能够顺利传递至涡轮榫接位置，并具有良好的自定心能力和稳定性。

所述榫头试验件与榫头夹具、压紧块之间通过双楔形面定位和夹持，提高承载能力。

所述榫槽试验件与榫槽夹具、小压紧块通过两个压紧螺栓连接，保证传递低周载荷的同时能有效限制榫槽试验件的转动；小压紧块为T字形结构，保证榫槽夹具两侧均匀受载，避免弯曲趋势。

所述高周激振力施加点位于传力拉杆靠近顶端处，远离榫头试验件，增加了高周疲劳施力点与小叶片受理中心之间的力臂，增加高周载荷力矩，在相同激振力的前提下，这一设计提高振动效果；同时3个高周激振力施加点可根据试验情况进行合理选择。

所述榫槽试验件上开有通孔，以供安装限位挡板，限制榫头试验件在试验过程沿槽向的滑动，同时保证良好的对中效果。

本发明与现有疲劳试验夹具方案相比的优点在于：

(1)本发明设计方案的榫头试验件将叶片部分替换为双楔形结构，如图3所示与榫头夹具、压紧块之间通过楔形面定位和夹持，提高承载能力。这一设计避免了直接夹持叶片出现滑脱、压溃等问题。

(2)本发明设计方案一对滚珠轴承和传动轴组成的滚轮结构沿安装盒中滑轨运动，沿滑轨存在±15mm的位移裕度，释放了试验机加载轴之间的对中自由度，使得加载过程中仅加载弯矩，而不产生扭矩。这一设计使得高周加载条件仅为弯矩加载，更符合试验设置的条件，减小了误差。

(3)本发明的设计方案中，在传力拉杆靠近顶端处设置3个加载点，使得高周载荷可以通过加载点加载至小叶片上。这一设计使得试验范围更广，可以进行更丰富的高低周复合疲劳试验。

总之，本发明与文献中夹具的夹持方式、对中方式以及加载方式不同，很好的解决了以上不足导致的问题，使得本发明可用于涡轮榫接结构在室温至高温700℃的温度范围内的高低周复合疲劳试验；可以增强高周载荷的振动效果，保证应变幅较大的低周振动载荷与高周振动载荷的同时有效施加；本发明的夹持方式简单有效，避免直接夹持叶片叶身发生滑脱、压溃的问题，可有效稳定的施加载荷。

附图说明

图1为本发明夹具夹持涡轮榫接结构的装配图；

图2为参考文献“闫晓军,聂景旭.定向结晶涡轮叶片蠕变/疲劳寿命的试验与分析[J].航空动力学报,2005(06):925-931.”中设计的传统叶片疲劳夹具装配图；

图3为本发明涡轮榫接结构榫头、榫槽试验件的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明主要针对适用与涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具进行了设计，实现涡轮榫接结构在试验时纵向大应变低周振动载荷、横向高周振动载荷以及热载荷的同时加载。

实际试验时，整套夹具的结构如图1所示，分为三大部分：由榫头夹具6、压紧块7、榫头试验件8组成的榫头夹持系统；由榫槽夹具11、小压紧块12、榫槽试验件9组成的榫槽夹持系统；由轴承安装盒1、滚珠轴承2、传动轴3、限位连接块4、传力拉杆5组成的加载系统。

疲劳机夹紧下部榫槽夹具11，并通过夹紧螺栓固定涡轮榫槽试验件9；涡轮榫槽试验件9与涡轮榫头试验件8通过榫齿连接，并通过限位挡板10限制其沿榫槽槽向的相对位移；榫头夹具6依靠双楔形面夹紧涡轮榫头试验件夹持部分；榫头夹具6上方与传力拉杆5通过螺纹连接；传力拉杆5上开有三个螺纹孔，高周激振杆通过螺纹与其拧紧，上方与滚轮传动轴3通过轴孔结构间隙配合；滚轮传动轴两端对称安装一对滚珠轴承2，组成滚轮结构，滚轮沿着轴承安装盒1中两条导槽运动，释放高周载荷施加方向的约束，同时具有良好的稳定性；轴承安装盒1顶端被疲劳机夹紧；疲劳机施加低周载荷，激振杆外接激振器施加高周载荷，榫接位置外接电感加热铜线圈施加热荷。本发明满足涡轮榫接结构稳定夹持，并实现其在高温条件下的高低周复合疲劳。

组装要求如下：

a.保证加载系统的滚珠轴承2中心与传动轴3中心线对齐，滚珠轴承2端面与传动轴3中心线垂直，轴承安装盒1内滑轨方向与高周载荷方向一致，传力拉杆5位于低周载荷加载中心上，并与高周载荷加载中心垂直。这一步是后续夹具对中的基础。

b.榫头夹持系统对榫头试验件的夹持稳定，保证榫头夹具6、榫头试验件8中心对齐，进一步保证榫头夹持系统与加载系统中心线以及中心面对正，在加载过程中，不出现附加弯矩、扭矩。

c.榫槽夹持系统对榫槽试验件的夹持稳定，保证榫槽夹具11、榫槽试验件9中心对齐，并保证榫头试验件8与榫槽试验件9连接稳定，使得榫槽夹持系统与榫头夹持系统、加载系统中心对正。

组装过程如下：

如图1所示，首先组装加载系统，将两个滚珠轴承2、传力拉杆5与传动轴3相连，保证滚珠轴承2端面始终与传动轴3中心线垂直。将滚珠轴承2沿滑轨放入轴承安装盒1中，前后推动滚珠轴承2，保证运动顺畅、无卡滞后，用螺栓在轴承安装盒1开口处装上限位连接块4，完成后将轴承安装盒1顶部接头放入疲劳机夹紧装置中。

完成加载系统的安装后，组装其余夹具，将榫头试验件8与榫槽试验件9相连接，将榫头试验件8夹持部分放置于榫头夹具6和压紧块7中，保证榫头连接稳定的前提下，用四个螺栓连接拧紧，完成榫头夹持系统的稳定安装，保证榫头试验件8的双楔形面与榫头夹具6、压紧块7的型面贴合，榫头前后端面与夹具端面尽量平行，使得拉伸时不附带扭矩。将榫槽试验件9与榫槽夹具11、小压紧块12通过两个压紧螺栓连接，保证榫槽试验件9不能相对与榫槽夹具11发生转动。

完成夹具中各部分的安装后，将榫头夹具6顶部与传力拉杆5连接，榫槽夹具11底部与疲劳机相连，调整各夹具相对位置，将整个系统调整至垂直位置，保证系统垂直方向与低周载荷加载方向重合，与高周载荷加载方向垂直，之后在榫槽试验件9上安装限位挡板10，保证试验过程中榫头不会滑出，保持良好的对中效果。此时完成试验件的安装。

在传力拉杆5的高周激振力施加点位置连接激振杆，通过螺栓拧紧，激振杆外接激振器，通过激振杆传递激振力。将叶片榫接结构部分放置于电感加热铜线圈中，铜线圈外接高频炉，通过高频炉控制调节试验温度。至此整套夹具的安装完成。

从上述具体试验过程可以发现，本发明夹具可以相对独立的施加低周载荷、高周载荷、温度载荷三项条件，满足涡轮榫接结构开展高低周复合疲劳的试验需求。

Claims (6)

1.一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，包括：轴承安装盒(1)、滚珠轴承(2)、传动轴(3)、限位连接块(4)、传力拉杆(5)、榫头夹具(6)、压紧块(7)、榫头试验件(8)、榫槽试验件(9)、限位挡板(10)、榫槽夹具(11)和小压紧块(12)；轴承安装盒(1)的顶端与疲劳机相连，盒体内部安装有一对滚珠轴承(2)，轴承安装盒(1)下端开口处由限位连接块(4)通过螺栓连接；滚珠轴承(2)与传力拉杆(5)通过传动轴(3)连为一体；传力拉杆(5)下端与榫头夹具(6)通过螺纹连接，同时传力拉杆(5)通过高周激振力施加点与外接激振器相连；榫头夹具(6)与压紧块(7)共同夹紧榫头试验件(8)；榫头试验件(8)与榫槽试验件(9)通过榫齿连接，限位挡板(10)固定在榫槽试验件(9)上，防止榫头试验件(8)沿槽向滑出；榫槽试验件(9)下端由榫槽夹具(11)和小压紧块(12)通过双螺栓夹紧；榫槽夹具(11)下端与疲劳机相连。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：一对滚珠轴承(2)和传动轴(3)组成的滚轮结构沿安装盒(1)中滑轨运动，具有±15mm的位移裕度，同时传力拉杆(5)与传动轴(3)通过轴孔间隙配合，传力拉杆(5)横截面采用工字型，提高弯曲刚度，保证激振力能够顺利传递至涡轮榫接位置，并具有良好的自定心能力和稳定性。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述榫头试验件(8)与榫头夹具(6)、压紧块(7)之间通过双楔形面定位和夹持，提高承载能力。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：榫槽试验件(9)与榫槽夹具(11)、小压紧块(12)通过两个压紧螺栓连接，保证传递低周载荷的同时能有效限制榫槽试验件(9)的转动；小压紧块(12)为T字形结构，保证榫槽夹具(11)两侧均匀受载，避免弯曲趋势。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述高周激振力施加点位于传力拉杆(5)靠近顶端处，远离榫头试验件(8)，增加高周载荷力矩，提高振动效果；同时3个高周激振力施加点可根据试验情况进行合理选择。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮榫接结构的高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述榫槽试验件(9)上安装有限位挡板(10)，限制榫头试验件(8)在试验过程沿槽向的滑动，保证良好的对中效果。