CN109632474A - 一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆棒试件拉压‑弯曲复合疲劳试验夹具，包括上下夹头、上下承力框、上下转接头、调节螺钉，上下夹头通过螺纹与上下承力框连接，上下转接头位于上下承力框底部凹槽中、可沿凹槽滑动，圆棒试件通过螺纹与上下转接头连接，通过调节上下承力框两侧调节螺钉的旋入深度可以改变圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷的相对位置，当圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，圆棒试件除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷；试验时，上下夹头下端压紧在上下转接头矩形块上、上端被疲劳机夹紧。本发明能够实现圆棒试件的稳定夹持，并开展拉压‑弯曲复合疲劳试验，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的结构的寿命评估奠定基础。

Description

一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具

技术领域

本发明涉及金属材料复合疲劳性能试验夹具，尤其是金属材料拉压-弯曲复合疲劳试验夹具的设计制造领域，在此基础上可以开展金属材料拉压-弯曲复合疲劳试验，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。

背景技术

航空发动机涡轮叶片服役条件恶劣，高速旋转状态下的离心载荷使涡轮叶片产生拉伸应力，积叠线不与径向线重合的涡轮叶片在离心载荷作用下还将产生弯曲应力；气动载荷主要以表面压力的形式作用在涡轮叶片表面上，由于叶片不同部位气动载荷分布的不均匀性，涡轮叶片还将承受弯曲力矩、扭转力矩。作为航空发动机的核心部件之一，涡轮叶片损坏后果很严重，但是材料手册中通常仅有单轴拉伸、拉压疲劳试验数据，难以支撑同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估。因此，开展涡轮叶片材料拉压-弯曲复合疲劳试验，确定其寿命具有十分重要的意义。

北航闫晓军等针对涡轮叶片疲劳试验研制了涡轮叶片夹具(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,2005,20(6):925-931.)，该夹具利用互相垂直的两对销轴将夹具的主要零件进行连接，每个销轴联接的两个零件构成一个转向节，零件可以绕销轴进行小幅转动；零件在销轴联接处存在间隙，通过调整销轴连接部位的间隙，可以改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，从而给涡轮叶片施加弯曲载荷。在此基础上，北航王荣桥等(CN102539135A、CN201710769710.4)建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统以及涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统。国内梁文、石炜、赵伟等(梁文,石炜,赵伟,等.DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2015,28(5):29-32.)在该夹具基础上设计了二位移调节机构来调节叶片应力场，二位移调节机构主要利用一个丝杠机构，在平面坐标系(x，y)内调节叶冠夹具的前后及左右位置，从而调节涡轮叶片加载中心位置，实现涡轮叶片弯曲载荷的施加。

然而，上述夹具及系统均是针对真实涡轮叶片特定截面的考核，无法直接应用于圆棒试件试验中。此外，北航所发明的夹具依靠销轴连接，需要在主要零件上加工销轴孔，这必然使得销轴孔处产生应力集中，从而影响夹具强度；梁文、石炜、赵伟等所设计的二位移调节机构结构复杂，应用不方便，同时也需要加工丝杠孔等结构，也会在丝杠孔处产生应力集中，从而影响夹具强度。

综上所述，在现有技术条件的基础上，难以实现圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，满足在单轴拉压载荷及弯曲载荷作用下圆棒试件的稳定夹持，并开展拉压-弯曲复合疲劳试验，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。

本发明的技术解决方案是：一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于包括上夹头、上承力框、上转接头、下转接头、下承力框、下夹头、调节螺钉。上承力框和下承力框中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿；上转接头和下转接头上部为矩形块，下部为带有螺纹孔的圆柱。上下夹头通过螺纹与上下承力框连接，上下转接头位于上下承力框底部凹槽中，圆棒试件通过螺纹与上下转接头连接。上下承力框中部空腔高度比上下转接头矩形块高度高0.5mm-1mm，保证上下转接头能够从侧面进入上下承力框中部空腔中。上下承力框底部凹槽宽度方向与上下转接头矩形块为间隙配合，上下承力框底部凹槽长度比上下转接头矩形块长度长15mm-30mm，并且上下承力框下部承力齿边缘距离圆棒试件10mm-20mm，保证上下转接头可在上下承力框底部凹槽滑动。上下承力框左右两侧各有两个螺钉孔，试验时可通过控制两侧调节螺钉的旋入深度改变圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷的相对位置，当圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，圆棒试件除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷。上下夹头下端在试验时恰好可压紧在上下转接头矩形块上。在试件承受拉伸载荷过程中，拉力通过疲劳机传递给上下夹头，上下夹头通过螺纹将拉力传给上下承力框，上下承力框通过底部凹槽将拉力传递上下转接头，上下转接头通过螺纹将拉力传给圆棒试件；在试件承受压缩载荷过程中，压力通过疲劳机传递给上下夹头，上下夹头通过压紧在上下转接头矩形块上的下端直接将压力传给上下转接头，上下转接头通过螺纹将压力传给圆棒试件。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明解决了在现有技术条件的基础上难以实现圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验的问题，通过特殊设计的夹具实现了圆棒试件在拉压-弯曲复合疲劳载荷下的稳定夹持，可以支撑圆棒试件在拉压-弯曲复合疲劳试验的开展，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。此外，本发明装配简单、使用方便；对于不同尺寸的圆棒试件，只需要重新加工相应的上下转接头即可，无需多次加工夹具的其他组成部分，可降低加工成本。

附图说明

图1为本发明的上夹头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图2为本发明的上承力框图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图3为本发明的上转接头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图4为圆棒试件示意图；

图5为本发明的下转接头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图6为本发明的下承力框图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图7为本发明的下夹头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图8为本发明的调节螺钉图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为正视图；(d)为俯视图；

图9为本发明的上承力框和下承力框的组成示意图，其中A为凹槽；B为下部承力齿；；

图10为本发明的圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具装配图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1-10所示，本发明主要针对适用于圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳的试验夹具进行了设计，包括上夹头1、上承力框2、上转接头3、下转接头5、下承力框6、下夹头7、调节螺钉8，上夹头1和下夹头7通过螺纹分别与上承力框2和下承力框6连接，上转接头3和下转接头5分别位于上承力框2和下承力框6底部凹槽A中，圆棒试件4通过螺纹与上转接头3和下转接头5连接；上承力框2和下承力框6中部空腔高度比上转接头3和下转接头5矩形块高度高0.5mm-1mm，保证上转接头3和下转接头5能够从侧面进入上承力框2和下承力框6中部空腔中；上承力框2和下承力框6底部凹槽A宽度方向与上转接头3和下转接头5矩形块为间隙配合，上承力框2和下承力框6底部凹槽A长度比上转接头3和下转接头5矩形块长度长5mm-30mm，并且上承力框2和下承力框6下部承力齿B边缘与圆棒试件4距离10mm-20mm，保证上转接头3和下转接头5可在上承力框2和下承力框6底部凹槽A中滑动，上夹头1和下夹头7螺纹下端在试验时恰好可分别压紧在上转接头3和下转接头5矩形块上，保证圆棒试件4可承受压缩载荷。

试验过程中夹具装配图如图10所示，组装过程分为4步：

1.将圆棒试件4通过螺纹与上转接头3和下转接头5连接；

2.将上夹头1和下夹头7分别通过螺纹与上承力框2和下承力框6连接；

3.上转接头3和下转接头5下端矩形块分别搭在上承力框2和下承力框6底部凹槽A中，旋转上夹头1和下夹头7，保证上夹头1和下夹头7下端在试验时恰好可分别压紧在上转接头3和下转接头5矩形块上；

4.将上夹头1和下夹头7夹紧在疲劳试验机上，并在上承力框2和下承力框6左右两侧的螺钉孔安装调节螺钉8。

试验过程中圆棒试件4弯曲载荷的调节主要依靠调节螺钉8实现，通过控制两侧调节螺钉8的旋入深度改变圆棒试件4中心线与疲劳机轴向载荷的相对位置，当圆棒试件4中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，圆棒试件4除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷。

在试件承受拉伸载荷过程中，拉力通过疲劳机传递给上夹头1和下夹头7，上夹头1和下夹头7通过螺纹将拉力传给上承力框2和下承力框6，上承力框2和下承力框6通过底部凹槽A将拉力传递上转接头3和下转接头5，上转接头3和下转接头5通过螺纹将拉力传给圆棒试件4；在试件承受压缩载荷过程中，压力通过疲劳机传递给上夹头1和下夹头7，上夹头1和下夹头7通过压紧在上转接头3和下转接头5矩形块上的下端直接将压力传给上转接头3和下转接头5，上转接头3和下转接头5通过螺纹将压力传给圆棒试件4。

本发明夹具解决了在现有技术条件的基础上难以实现圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验的问题，通过设计的夹具实现了圆棒试件4在拉压-弯曲复合疲劳载荷下的稳定夹持，可以支撑圆棒试件4的拉压-弯曲复合疲劳试验的开展，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。此外，本发明装配简单、使用方便；对于不同尺寸的圆棒试件，只需要重新加工相应的上转接头3和下转接头5即可，无需多次加工夹具的其他组成部分，可降低加工成本。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：包括，上夹头、上承力框、上转接头、下转接头、下承力框、下夹头和调节螺钉；上承力框和下承力框中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿；上转接头和下转接头上部为矩形块，下部为带有螺纹孔的圆柱；上夹头通过螺纹与上承力框连接，下夹头通过螺纹与下承力框连接；上转接头位于上承力框底部凹槽中，下转接头位于下承力框底部凹槽中；圆棒试件通过螺纹分别与上转接头和下转接头连接。

2.根据权利要求1所述的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上承力框的中部空腔高度比上转接头的矩形块高度高0.5mm-1mm，保证上转接头能从侧面进入上承力框中部空腔中。

3.根据权利要求1所述的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述下承力框的中部空腔高度比下转接头矩形块高度高0.5mm-1mm，保证下转接头能从侧面进入下承力框的中部空腔中。

4.根据权利要求1所述的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上承力框的底部凹槽宽度方向与上转接头的矩形块为间隙配合，上承力框的底部凹槽长度比上转接头的矩形块长度长15mm-30mm，并且上承力框的下部承力齿边缘距离圆棒试件10mm-20mm，保证上转接头在上承力框的底部凹槽滑动。

5.根据权利要求1所述的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述下承力框的底部凹槽宽度方向与下转接头矩形块为间隙配合，下承力框的底部凹槽长度比下转接头矩形块长度长15mm-30mm，并且下承力框的下部承力齿边缘距离圆棒试件10mm-20mm，保证下转接头在下承力框的底部的凹槽滑动。

6.根据权利要求1所述的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上承力框和下承力框的左右两侧各有两个螺钉孔，通过控制两侧调节螺钉的旋入深度改变圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷的相对位置，当圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，圆棒试件除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷。

7.根据权利要求1所述的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头的下端在试验时恰好压紧在上转接头的矩形块上，下夹头的下端在试验时在恰好压紧在下转接头的矩形块上，在圆棒试件承受压缩载荷过程中，压力通过疲劳机传递给上夹头和下夹头，上夹头通过压紧在上转接头矩形块上的下端直接将压力传给上转接头，下夹头通过压紧在下转接头矩形块上的下端直接将压力传给下转接头，上转接头和下转接头通过螺纹将压力传给圆棒试件。