CN111649926A - 一种轴向与振动高低周复合疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,包括通过过渡板(1)与激振设备刚性连接的基座(2),基座(2)两侧的悬臂与连接臂(4)连接,两个连接杆(5)一端安装于连接臂(4),另一端安装于横梁(6),横梁(6)与基座(2)两侧的轴承(3)、连接臂(4)和连接杆(5)构成可绕基座(2)两侧悬臂光滑转动的载荷框架,试样(8)和轴向施力器(9)串联连接在载荷框架的对称轴线上,轴向施力器(9)固定在基座(2)上。本发明的试验装置的轴向施力器可对试样轴向加载,在激振设备以共振频率激振时,载荷框架带动试样发生共振,共振产生的悬臂弯曲载荷全部由试样承担,从而实现在低周轴向疲劳载荷上叠加高周振动疲劳载荷。
Description
技术领域
本发明属于力学试验技术领域,具体涉及一种轴向与振动高低周复合疲劳试验装置。
背景技术
航空发动机叶片在服役过程中同时承受着离心载荷和振动载荷。发动机启动后,叶片高速旋转产生巨大的离心力,属于低周疲劳载荷;工作时由于气流或结构振动的影响而造成发动机叶片共振,属于高周振动疲劳载荷。因此发动机叶片实际服役中的受力状态是低周疲劳载荷与高周振动疲劳载荷的叠加状态。根据《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》(GJB241A-2010),发动机叶片及材料需进行轴向载荷与高频振动高载荷协同加载下的疲劳试验。然而进行该项试验时存在以下三个难点:
1、轴向疲劳载荷难以精确施加和控制;
2、悬臂振动条件难以模拟;
3、振动疲劳加载频率较低,无法满足超高周疲劳试验的需求。
因此,有必要开发一种轴向与振动协同加载的力学试验装置,并可利用振动台等激振设备实现轴向与振动协同加载试验,为发动机叶片及材料的服役安全提供可靠地试验数据。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况,本发明的目的是提供一种轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,以利用现有振动台等激振设备,实现轴向与振动协同加载试验。
本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的:
一种轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,包括通过过渡板与激振设备刚性连接的基座,基座两侧的相互同轴的悬臂分别经轴承与连接臂连接,两个连接杆分别一端安装于连接臂,另一端安装于横梁,横梁与基座两侧的轴承、连接臂和连接杆构成可绕基座两侧的悬臂光滑转动的载荷框架,试样和轴向施力器串联连接在所述载荷框架的对称轴线上,其中试样与横梁相连,对试样轴向加载的轴向施力器固定在基座上。
进一步地,所述轴向与振动高低周复合疲劳试验装置还包括力传感器,所述力传感器连接在试样和轴向施力器之间,或者所述力传感器连接在试样和横梁之间。通过设置力传感器,力传感器与轴向施力器形成闭环控制,可实现对试样的精确加载。另外,通过调换力传感器与试样的位置,可以适当调节试样与加载系统的共振频率。
所述轴向与振动高低周复合疲劳试验装置还可包括应变测量系统,用于监控试样的应力。所述应变测量系统可以是由粘贴在试样上的电阻应变片和应变仪构成的接触式动态应变测量系统,或者现有的非接触式动态应变测量系统,可测定试样表面的振动应力大小及应力场分布。
其中所述连接杆的长度可以依据试验件的大小而确定或调整,使得横梁位于合适位置,保证作动缸在行程范围内工作。所述连接杆可以为液压杆或丝杠,从而可以通过液压杆或丝杠的伸长或缩短,灵活地调节横梁的位置,或者所述连接杆可以为固定长度的轻质杆,从而可提高试验系统共振频率。
其中所述轴向施力器可以为作动缸或者直线电机。轴向载荷较大时,可以使用作动缸加载,载荷较小时可以使用直线电机加载,通过控制器实现轴向载荷的周期性加载、保持、卸载。
试验时,试验装置放置在诸如电磁振动台之类的现有激振设备上,轴向施力器可对试样进行轴向加载,激振设备以上述试验装置的共振频率激振时,载荷框架会带动试样发生共振,连接臂与轴承光滑转动,共振产生的悬臂弯曲载荷全部由试样承担,从而实现在低周轴向疲劳载荷上叠加高周振动疲劳载荷。
附图说明
图1是本发明的装置的俯视图;
图2是本发明的装置的侧视图;
图3是沿图2中的A-A线的剖视图;
图4是示意图解说明本发明装置的结构的轴测图;
图5是本发明装置在电磁振动台上安装的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。
图1-4图解说明了本发明的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置的结构。另外,图5是本发明装置在电磁振动台上安装的示意图。参见图1-4,本发明的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置包括过渡板1,试验时,所述轴向与振动高低周复合疲劳试验装置通过过渡板1刚性安装在诸如振动台,尤其是电磁振动台之类的现有激振设备上。在过渡板1上安装所述试验装置的基座2,在基座2的两侧分别设置有一个圆柱形悬臂,这两个圆柱形悬臂相互同轴,并且相对于基座2对称。基座2两侧的悬臂分别经轴承3与一个连接臂4连接,图中连接臂4被例示为梨形臂(参见图2),不过连接臂4的形状不限于此,也可以是其他适当的形状,比如侧视时为矩形等。轴承3与基座1上的圆柱形悬臂、连接臂4上的通孔经过盈配合形成一个可以光滑转动的整体。两个连接杆5分别一端安装在对应连接臂4上,另一端安装在横梁6上。横梁6与在基座2两侧的各一组轴承3、连接臂4和连接杆5构成可绕基座2两侧的悬臂光滑转动的载荷框架。力传感器7、带夹具的试样8和轴向施力器9串联连接在所述载荷框架的与横梁6垂直的对称轴线上,其中轴向施力器9固定在基座2上,用于对试样8轴向加载,力传感器7与横梁6连接,如图1-4所示。这种情况下,力传感器7与轴向施力器9形成闭环控制,可实现对试样8的精确加载。
尽管上面说明了带夹具的试样8连接在力传感器7和轴向施力器9之间的情况,不过力传感器7可以与带夹具的试样8调换位置,即,带夹具的试样8与横梁6连接,力传感器7连接在带夹具的试样8和轴向施力器9之间,从而通过调换力传感器7可以与带夹具的试样8的位置,可以调节试样与加载系统的共振频率。
另外,所述连接杆5的长度可以依据试样或叶片的大小而确定或调整,使得横梁6位于合适位置,保证作动缸在行程范围内工作。所述连接杆5可以采用液压杆或丝杠,从而可以通过液压杆或丝杠的伸长或缩短,灵活地调节横梁6的位置,或者所述连接杆5可以采用固定长度的轻质杆,从而可提高试验系统共振频率。
另外,轴向施力器9可以采用作动缸或者直线电机。轴向载荷较大时,可以使用作动缸加载,载荷较小时可以使用直线电机加载,通过控制器实现轴向载荷的周期性加载、保持和卸载。
本发明的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置还可包括应变测量系统,用于监控试样8的应力。所述应变测量系统可以是粘贴在试样8上的电阻应变片和应变仪构成的接触式动态应变测量系统,或者现有的非接触式动态应变测量系统,这样,可测定试样表面的振动应力大小及应力场分布。
要注意的是尽管图1-4中所示的本发明的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置包括力传感器7,不过,力传感器7不是必需的,也可以使用电阻应变计等测量轴向的载荷大小。当不包括力传感器7时,试样8直接与横梁6相连,这种情况下,可以有效提升试样和加载系统的共振频率。
在对试样进行振动前,通过选择长度合适的连接杆5或者调整连接杆5的长度,可以调节横梁6的位置,轴向施力器9可实现对带夹具的试样8的轴向加载(例如,在轴向施力器9为作动缸时,通过作动缸的活塞的前后运动实现加载)。电磁振动台以上述试验装置的共振频率激振时,载荷框架会带动试样8发生共振,连接臂4与轴承3光滑转动,共振产生的悬臂弯曲载荷全部由试样8承担,从而实现在低周轴向疲劳载荷上叠加高周振动疲劳载荷。
具体地,就图1-4所示的结构来说,在采用本发明的试验装置进行轴向与振动协同加载试验时,可将叶片或材料试样安装于本装置上。叶片试样的榫齿安装于基座2一侧,叶尖安装于装置的横梁6一侧。试验时,力传感器7可以测得试样8所受的轴向力大小,并与轴向施力器9形成闭环控制,精确控制轴向力大小。电磁振动台振动时,由振动台台面的加速度传感器测定台面加速度大小,由非接触式位移传感器监控横梁6的振幅,实现加载系统及试样的共振。试样8表面通过使用粘贴的电阻应变片,或者通过动态应变测量仪,或者其他非接触动态应变测量设备等测定叶片及材料试样表面的振动应力大小及应力场分布。低周轴向疲劳载荷可通过轴向施力器9的拉压实现。具体的加载/卸载速率、保载时间可通过控制器进行控制。高周振动疲劳载荷可通过试验系统共振来实现对叶片及试样的加载。共振频率可通过调整系统中各个部件的重量、大小及相互之间的距离实现。轴向施力器9与电磁振动台相互配合即可实现轴向与振动协同加载。以一种发动机单晶涡轮叶片为例,采用本发明的装置进行试验时,高周振动疲劳载荷频率可达600Hz以上。
本发明的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置可在原有的激振设备的基础上进行适当改装,充分利用激振设备所产生的激振力,实现对试样的轴向与振动协同加载。另外,试样受力状态为悬臂弯曲状态,与叶片实际服役过程中的受力状态一致,可以较好地评估叶片服役载荷下的轴向与振动协同加载性能。此外,轴向施力系统可灵活调整,使用电阻应变片等能够精确测量轴向力载荷,进而省略力传感器7,提高试验频率,加快试验进度。配合高频感应或高温炉等设备可实现室温及高温条件下的轴向与振动协同加载试验。
Claims (8)
1.一种轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,包括通过过渡板(1)与激振设备刚性连接的基座(2),基座(2)两侧的彼此同轴的悬臂分别经轴承(3)与连接臂(4)连接,两个连接杆(5)分别一端安装于连接臂(4),另一端安装于横梁(6),横梁(6)与基座(2)两侧的轴承(3)、连接臂(4)和连接杆(5)构成可绕基座(2)两侧的悬臂光滑转动的载荷框架,试样(8)和轴向施力器(9)串联连接在所述载荷框架的对称轴线上,其中试样(8)与横梁(6)相连,对试样(8)轴向加载的轴向施力器(9)固定在基座(2)上。
2.按照权利要求1所述的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,还包括力传感器(7),所述力传感器(7)连接在试样(8)和轴向施力器(9)之间。
3.按照权利要求1所述的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,还包括力传感器(7),所述力传感器(7)连接在试样(8)和横梁(6)之间。
4.按照权利要求1-3任意之一所述的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,还包括用于监控试样的应力的应变测量系统。
5.按照权利要求4所述的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,其中所述应变测量系统是由粘贴在试样(8)上的电阻应变片和应变仪构成的接触式动态应变测量系统,或者非接触式动态应变测量系统。
6.按照权利要求1所述的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,其中所述连接杆(5)为液压杆或丝杠。
7.按照权利要求1所述的轴向与振动协同加载试验装置,其中所述连接杆(5)为固定长度的轻质杆。
8.按照权利要求1所述的轴向与振动高低周复合疲劳试验装置,其中所述轴向施力器(9)为作动缸或者直线电机。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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