CN109612855B - 一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，包括用于夹持疲劳试样的夹具、设置在疲劳试样外侧的支撑应力加载环、设置在支撑应力加载环外侧表面的应变感应单元以及与应变感应单元连接的数据采集单元，支撑应力加载环的侧壁上相对设有两个加载螺栓，加载螺栓的内端设有微动试块，微动试块与疲劳试样的外表面接触并加载微动载荷，加载螺栓的外端通过固定螺母与应力加载环固定。与现有技术相比，本发明可整体放置于高温环境中，通过承受弯曲载荷的疲劳试样在旋转中实现表面的拉伸与压缩，带来的应变与陶瓷试块形成微小的滑移幅值，实现高温条件下的旋转弯曲微动疲劳试验。

Description

一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，具体涉及一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置。

背景技术

微动一般发生在名义上静止的两接触面间，当其中一个构件受到疲劳循环载荷时，其应变变化会带来两接触面间数百微米位移幅值内极其微小的振动，从而产生微动疲劳现象。微动疲劳常受到粗糙度、硬度、塑性行为等材料自身性能以及外加载荷、位移幅值、振动频率、环境湿度温度的外在条件等的影响，是一门集合材料、力学、表面物理于一体的交叉学科。微动疲劳会出现在机械、航空、汽车、生物医学等众多工程领域中，例如在航空工业中，许多关键连接部分即榫接结构、螺栓连接、铆接结构等等都会发生微动疲劳，包括航空发动机涡轮叶片与轮盘的连接处、机翼大梁双耳接头和螺栓处等等。因为微动疲劳一般发生在部件内部难以发觉但是会大大降低构件的疲劳极限和疲劳寿命，使构件在设计寿命以内发生突然性的疲劳断裂造成灾害性事故，所以也称其为“工业癌症”。

根据循环应力的加载方式，可将微动疲劳分为拉压微动疲劳、扭转微动疲劳和弯曲微动疲劳三大类，此外，按照不同复合方式还存在拉扭复合微动疲劳和旋转弯曲微动疲劳。目前关于航空工业中的微动疲劳研究多采用拉压循环载荷和扭转微动疲劳，以及针对航空发动机压气机盘和叶片燕尾榫连接而进行的原型常温微动疲劳试验，而关于旋转弯曲微动疲劳的研究又多集中在轮轨的压装轴结构中，因此也常采取常温条件下试验。然而对于航空发动机材料在高温条件下的微动疲劳性能，如涡轮盘与叶片的连接结构以及传动部件涡轮轴，研究其旋转弯曲疲劳条件下的微动疲劳性能也是必要的。例如，对航空发动机涡轮轴而言，气流能够通过涡轮盘叶片产生扭矩和轴向力，并传递到涡轮轴，带动主动齿轮做功。当接触局部磨损加剧时，很容易导致涡轮轴的轴心线出现偏斜，在高速旋转和变化气流的冲击下轮盘出现前后摆动，促使涡轮轴发生旋转弯曲微动疲劳裂纹萌生及扩展，最终导致系统失效，将导致飞机失去动力源，进而引起灾难性的事故。但是目前,尚无专门为高温旋转弯曲微动疲劳试验量身设计的试验装备与试验方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种试验效果好的用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，该装置包括用于夹持疲劳试样的夹具、设置在疲劳试样外侧的支撑应力加载环、设置在支撑应力加载环外侧表面的应变感应单元以及与应变感应单元连接的数据采集单元，所述夹具包括疲劳载荷加载端夹具、设置在疲劳载荷加载端夹具一端的一号拧紧螺母、主轴夹具以及设置在主轴夹具一端的二号拧紧螺母，所述疲劳试样的两端夹持在一号拧紧螺母和二号拧紧螺母之间，所述支撑应力加载环的侧壁上相对设有两个加载螺栓，所述加载螺栓的内端设有微动试块，所述微动试块与疲劳试样的外表面接触并加载微动载荷，所述加载螺栓的外端通过固定螺母与应力加载环固定。

所述的支撑应力加载环包括外壁呈圆形的加载环和固定环，所述加载环和固定环之间通过一体化设置的两个连杆连接，两个连杆相对设置在加载环和固定环上，所述加载螺栓穿过加载环的侧壁并与疲劳试样的外表面接触并加载微动载荷，且加载螺栓的穿过加载环的位置与连杆的连线平行于加载环轴线。

所述固定环的内壁呈正六边形，所述二号拧紧螺母的外壁与固定环的内壁相匹配，且试验时，二号拧紧螺母的一端插设在固定环内。

所述固定环的外壁开设不穿透侧壁的间隙槽，所述间隙槽平行于固定环的轴线，所述固定环的外壁开设垂直于固定环的轴线且不穿透固定环侧壁的螺栓孔，所述螺栓孔内螺纹连接有用于调节固定环对二号拧紧螺母夹紧力大小的紧固螺栓，所述螺栓孔穿过间隙槽。通过紧固螺栓和螺栓孔的紧固作用减小所述槽间间隙以增强固定环对二号拧紧螺母的抓紧力。

所述应变感应单元包括一个测量切向接触载荷的高温应变片和一个测量法向接触载荷的高温应变片，所述测量切向接触载荷的高温应变片设置在一个连杆上，所述测量法向接触载荷的高温应变片设置在加载环的外壁，并且位于两个连杆之间。

所述数据采集单元包括套设在主轴夹具上的导电滑环、依次与导电滑环连接的应变仪和计算机，所述导电滑环与测量法向接触载荷的高温应变片及测量切向接触载荷的高温应变片连接。

测试时，所述疲劳试样、支撑应力加载环以及应变感应单元位于单段高温炉中。

所述微动试块采用陶瓷材料且开有螺纹孔，并与加载螺栓的内端螺接，所述微动试块包括半球形微动试块、弧形微动试块或马鞍形微动试块中的一种，所述半球形微动试块与疲劳试样外表面点接触，所述弧形微动试块与疲劳试样外表面线接触，所述马鞍形微动试块与疲劳试样外表面面接触。本发明中所述的点接触是指半球形微动试块的顶部这一点与疲劳试样外表面接触；线接触是指弧形微动试块每一个竖直截面的最底端均与疲劳试样外表面接触，从而使得弧形微动试块有一条线与疲劳试样外表面接触；面接触是指马鞍形微动试块的底面与疲劳试样的外表面均有接触。

本发明装置的测试方法如下：

试验前，对疲劳试样进行超声清洗，将经过超声清洗的试样夹持在疲劳试验机的主轴夹具上并利用二号拧紧螺母拧紧固定，将微动试验装置的支撑应力加载环的固定环一端套在二号拧紧螺母上并调节其位置使应力加载环上的加载螺栓孔正对着疲劳试样工作段正中心，利用紧固螺栓调小间隙槽的间隙使其紧密地固定在二号拧紧螺母上。将疲劳试样的另一端夹持在疲劳载荷加载端夹具上并利用一号六角螺母拧紧固定。在支撑应力加载环上粘贴好测量切向接触载荷的高温应变片和测量法向接触载荷的高温应变片，并将其依次连接导电滑环、应变仪和计算机，将导电滑环安装并固定在主轴端夹具上。将带有夹具的疲劳试样和微动疲劳装置装夹在旋转弯曲疲劳试验机的主轴端，调节同轴度并在加载端挂上加载砝码施加弯曲载荷。选定微动疲劳试验所需的陶瓷微动试块，拧紧固定在加载螺栓前端。使加载螺栓旋入支撑应力加载环与疲劳试样接触，根据应变仪显示数据调节接触应力大小并用螺母固定。

将单段高温炉放置并固定在旋转弯曲疲劳机上，取下弯曲载荷砝码，升高温度并开启旋转弯曲疲劳机使疲劳试样和微动试验装置在单段高温炉内空转。待单段高温炉内温度达到试验温度后重新挂上弯曲载荷砝码同时开始计循环周数。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

第一、该微动疲劳试验装置适用于已经具备并技术成熟的旋转弯曲疲劳试验机及配套单段高温炉，试验操作更简便，减少了不可控因素，试验稳定性强，效果良好。

第二、试验用微动试块采用耐高温耐磨陶瓷材料加工，且加工为半球形、柱形及马鞍形，通过替换微动试块可以方便地实现点接触、线接触及面接触等不同接触条件下的微动疲劳试验。

第三、微动试验装置固定在主轴端夹具与疲劳试样一同在高温炉里旋转，有利于消除微动试验装置的自重及惯性力对疲劳试样的载荷影响，使测量法向接触载荷、疲劳循环载荷、接触测量切向载荷等试验参数精确真实输出。

附图说明

图1为本发明实施的整体结构立体示意图；

图2为微动加载装置部分的放大示意图；

图3为本发明的线接触微动试块结构示意图及实施示意图；

图4为本发明的面接触微动试块结构示意图及实施示意图。

其中，1为疲劳载荷加载端夹具，2为一号拧紧螺母，3为支撑应力加载环，31为加载环，32为固定环，33为连杆，34为间隙槽，35为螺栓孔，4为测量法向接触载荷的高温应变片，5为加载螺栓，6为固定螺母，7为测量切向接触载荷的高温应变片，8为半球形微动试块，9为疲劳试样，10为紧固螺栓，11为测温电偶，12为二号拧紧螺母，13为主轴夹具，14为导电滑环，15为应变仪，16为计算机，17为单段高温炉，18为弧形微动试块，19为马鞍形微动试块。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种适用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，可用于材料的高温旋转弯曲微动疲劳性能及表面处理材料抗高温旋转弯曲微动疲劳的性能研究。参见图1，该微动装置可放置于与旋转弯曲疲劳试验机配套的电阻式单段高温炉17内，具体包括支撑应力加载环3、两个对称的穿过支撑应力加载环3中加载环31环壁的加载螺栓5、与疲劳试样9接触的陶瓷微动试块8、测量法向接触载荷的高温应变片4和测量切向接触载荷的高温应变片7以及与其相连的导电滑环14、应变仪15和计算机16，通过分析相关数据可获得实时接触区的应力变化。

参见图2所示的放大示意图，支撑应力加载环3为该微动装置的主体结构，对耐高温金属材料进行一体式加工，包括加载环31、固定环32和两根连杆33，固定环32的内环为六边形起到固定整体的作用，能够安装在二号拧紧螺母12上，固定环32开间隙槽34但不穿透，同时开设螺栓孔35穿过间隙槽34，可利用紧固螺栓10调整间隙槽34的间隙提高抓紧力以达到使整体结构紧密固定在二号拧紧螺母12上的作用，在试验过程中不会因微动装置的自重作用对疲劳试样9产生额外不可控的弯曲疲劳载荷作用，且能保证微动装置整体与疲劳试验机主轴电机保持同频率旋转。

支撑应力加载环3的加载环31为接触应力加载结构，两个加载螺栓5对称地穿过加载环31的环向外壁，加载螺栓5的另一端固定有半球形微动试块8，半球形微动试块8均采用高温耐磨陶瓷加工而成且开有螺纹孔与加载螺栓5连接。根据试验的研究对象和研究需求不同还可选择弧形微动试块18或马鞍形微动试块19，分别如图3、图4所示，半球形微动试块8、弧形微动试块18或马鞍形微动试块19的选择用以形成点接触、线接触和面接触的试验条件。加载环31的环向外壁处贴有对称两个测量法向接触载荷的高温应变片4，并依次连接安装在主轴夹具13上的导电滑环14、应变仪15和计算机16。通过对称调节加载螺栓5的旋入深度改变半球形微动试块8疲劳试样9的法向载荷大小并利用固定螺母6拧紧，保证接触载荷在疲劳试样9和支撑应力加载环3旋转过程中的大小不变。加载环31的连杆上贴有测量切向接触载荷的高温应变片7，用于测量半球形微动试块8与疲劳试样9的切向载荷。通过计算机16可实时监测法向及切向载荷的大小变化稳定性。

其中，弧形微动试块18的前端加工为和疲劳试样9外廓线相同曲率的弧面，后端开有螺纹孔与加载螺栓螺栓连接，二者对称地夹持在疲劳试样9的两侧。弧形微动试块18的弧面形状和疲劳试样9的漏斗形圆柱形状为线接触，能够达到线接触的高温旋转微动疲劳试验目的，如图3所示。

马鞍形微动试块19的前端加工为和疲劳试样9相配合的马鞍形面，后端开有螺纹孔与加载螺栓连接，二者对称地夹持在疲劳试样9的两侧。马鞍形微动试块19的马鞍形面形状和疲劳试样9的漏斗形圆柱形状为面接触，能够达到线接触的高温旋转微动疲劳试验目的。

该试验装置的工作原理如下(以半球形微动试块8为例)：半球形微动试块8和疲劳试样9夹紧且同时旋转，保持相对静止状态，然而疲劳试样9承受循环往复的弯曲载荷，微小的应变使二者之间产生微小的滑移幅值，形成高温条件下的旋转弯曲微动疲劳试验条件，通过点接触、线接触或面接触的接触类型，得到不同的试验种类。

具体操作步骤如下：

(a)提供旋转弯曲疲劳试验机并带将有测温电偶11的单段高温炉17固定在疲劳试验机上，旋转弯曲疲劳试验机包括与疲劳载荷加载端夹具1相连的支撑架、与主轴夹具13相连的电机、配重砝码及加载砝码。试验前，对漏斗形旋转弯曲疲劳试样9进行超声清洗，将经过超声清洗的疲劳试样9夹持在主轴夹具13，利用二号拧紧螺母12拧紧固定。

(b)将微动试验装置的支撑应力加载环3的固定环32一端套在二号拧紧螺母12并调节其位置使支撑应力加载环3的加载螺栓孔正对着疲劳试样9工作段正中心，利用紧固螺栓10调小固定结构的间隙槽的间隙使其紧密地固定在二号拧紧螺母12上。

(c)将疲劳试样9的另一端夹持在疲劳载荷加载端夹具1上，并利用一号拧紧螺母2拧紧固定。

(d)在加载环31的环向外壁上用耐高温陶瓷胶粘贴好测量法向接触载荷的高温应变片4并静置，在连杆上用耐高温陶瓷胶粘贴好和测量切向接触载荷的高温应变片7并静置，待粘贴牢固后连接在导电滑环14上。将导电滑环14安装并固定在主轴夹具13上，并与应变仪15和计算机16连接，进行应变调零设置。

(e)将带有疲劳载荷加载端夹具1、一号拧紧螺母2、支撑应力加载环3、测量法向接触载荷的高温应变片4、测量切向接触载荷的高温应变片7、疲劳试样9、紧固螺栓10、二号拧紧螺母12、主轴夹具13、导电滑环14的整体装置装夹在旋转弯曲疲劳试验机的主轴电机端，在加载端挂上配重并调节整体同轴度。

(f)选定微动疲劳试验所需的陶瓷半球形微动试块8，拧紧固定在加载螺栓5前端。挂上加载砝码施加弯曲载荷，此时使加载螺栓5旋入支撑应力加载环3并与疲劳试样9接触，根据计算机16显示数据调节接触应力大小并用固定螺母6固定。

(g)取下加载砝码，开启旋转弯曲疲劳机使疲劳试样9和整体微动试验装置以30Hz至50Hz的频率空转，封闭单段高温炉17并升高温度至试验所需温度，待高温炉内温度达到后保温1小时，挂上弯曲载荷砝码同时开始计循环周数。

Claims (8)

1.一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，该装置包括用于夹持疲劳试样(9)的夹具、设置在疲劳试样(9)外侧的支撑应力加载环(3)、设置在支撑应力加载环(3)外侧表面的应变感应单元以及与应变感应单元连接的数据采集单元，所述夹具包括疲劳载荷加载端夹具(1)、设置在疲劳载荷加载端夹具(1)一端的一号拧紧螺母(2)、主轴夹具(13)以及设置在主轴夹具(13)一端的二号拧紧螺母(12)，所述疲劳试样(9)的两端夹持在一号拧紧螺母(2)和二号拧紧螺母(12)之间，所述支撑应力加载环(3)的侧壁上相对设有两个加载螺栓(2)，所述加载螺栓(2)的内端设有微动试块，所述微动试块与疲劳试样(9)的外表面接触并加载微动载荷，所述加载螺栓(2)的外端通过固定螺母(6)与应力加载环(3)固定；

其中，所述的支撑应力加载环(3)包括加载环(31)、固定环(32)以及通过一体化设于加载环(31)和固定环(32)之间的连杆(33)，所述的加载螺栓(2)设于加载环(31)上，所述的固定环(32)用于套设固定二号拧紧螺母(12)，使加载环(31)与疲劳试样(9)在试验时一同转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述的支撑应力加载环(3)包括外壁呈圆形的加载环(31)和固定环(32)，所述加载环(31)和固定环(32)之间通过一体化设置的两个连杆(33)连接，两个连杆(33)相对设置在加载环(31)和固定环(32)上，所述加载螺栓(2)穿过加载环(31)的侧壁并与疲劳试样(9)的外表面接触并加载微动载荷，且加载螺栓(2)的穿过加载环(31)的位置与连杆(33)的连线平行于加载环(31)轴线。

3.根据权利要求2所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述固定环(32)的内壁呈正六边形，所述二号拧紧螺母(12)的外壁与固定环(32)的内壁相匹配，且试验时，二号拧紧螺母(12)的一端插设在固定环(32)内。

4.根据权利要求3所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述固定环(32)的外壁开设不穿透侧壁的间隙槽(34)，所述间隙槽(34)平行于固定环(32)的轴线，所述固定环(32)的外壁开设垂直于固定环(32)的轴线且不穿透固定环侧壁(32)的螺栓孔(35)，所述螺栓孔(35)内螺纹连接有用于调节固定环(32)对二号拧紧螺母(12)夹紧力大小的紧固螺栓(10)，所述螺栓孔(35)穿过间隙槽(34)。

5.根据权利要求2所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述应变感应单元包括一个测量切向接触载荷的高温应变片(7)和一个测量法向接触载荷的高温应变片(4)，所述测量切向接触载荷的高温应变片(7)设置在一个连杆(33)上，所述测量法向接触载荷的高温应变片(4)设置在加载环(31)的外壁，并且位于两个连杆(33)之间。

6.根据权利要求5所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述数据采集单元包括套设在主轴夹具(13)上的导电滑环(14)、依次与导电滑环(14)连接的应变仪(15)和计算机(16)，所述导电滑环(14)与测量法向接触载荷的高温应变片(4)及测量切向接触载荷的高温应变片(7)连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，测试时，所述疲劳试样(9)、支撑应力加载环(3)以及应变感应单元位于单段高温炉(17)中。

8.根据权利要求1所述的一种用于高温旋转弯曲疲劳试验机的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动试块采用陶瓷材料且开有螺纹孔，并与加载螺栓(5)的内端螺接，所述微动试块包括半球形微动试块(8)、弧形微动试块(18)或马鞍形微动试块(19)中的一种，所述半球形微动试块(8)与疲劳试样(9)外表面点接触，所述弧形微动试块(18)与疲劳试样(9)外表面线接触，所述马鞍形微动试块(19)与疲劳试样(9)外表面面接触。

Images