CN112525457A - 高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及试验方法，属于机械工程技术领域。试验夹具包括上夹具和下夹具，上夹具的一端夹持试样，另一端通过传力拉杆与上转接件连接，上转接件连接疲劳试验机，传力拉杆的两端与上夹具和上转接件均为转动连接；下夹具的一端夹持试样，另一端通过下转接件连接于疲劳试验机；疲劳试验机用于对试样施加低周载荷；上夹具上设置有激振杆，激振杆外接激振器，用于对试样施加高周激振力；高周激振力将系统激振到共振状态下，以解除高低周载荷施加时的相互干涉。本发明实现了高周载荷与低周载荷双轴无干涉加载试验，同时保证长时间试验过程中夹具夹持的稳定性，并且满足高温试验的要求。

Description

高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及试验方法

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种试验夹具，特别是涉及一种高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及其试验方法。

背景技术

现代航空发动机不断朝着高性能、高可靠性、长寿命发展，由此带来的是对发动机部件更严峻的考验。航空发动机中的转子叶片工况尤为恶劣，不仅受到发动机转速变化带来的高幅低频离心载荷，同时还受到气动力带来的低幅高频激振载荷。因此，高低周复合疲劳是转子叶片的主要失效模式之一。开发更加逼近叶片类结构极端服役载荷/环境的高温试验装置，是开展叶片高温高频激振下的高低周复合疲劳行为研究的必要前提。

单轴高低周复合疲劳试验的研究已经有许多学者开展了，但单轴加载条件与实际情况有所差异，只有采用双轴加载才能更好地模拟实际叶片受载情况。叶片类结构是燃机轮机和航空发动机等的关键流道件，在服役中承受气动激振载荷(高达1～10kHz)和离心力耦合作用下的复合疲劳作用，开发可实现高温高频激振与循环拉伸双轴无干涉加载的试验装置具有重要意义。

双轴高低周复合疲劳试验的关键在于如何解除高低周载荷间的干涉。目前研究中关于双轴无干涉高低周复合疲劳夹具的有效设计还比较少。专利号为CN103076246A的专利公开一种双轴高低循环复合疲劳试验装置，是针对板状试样的高低循环复合疲劳试验系统设计，该系统夹具设计方案主要通过螺栓将夹具与试样夹持段连接，传递低周载荷；激振器的激振杆连接在试样中部凸台上，提供高周载荷。此外，闫晓军等[2]参考文献([2]闫晓军,孙瑞杰,邓瑛等.涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验[J].航空动力学报,2011,26(8):1824-1829.)针对真实涡轮叶片进行了高低周复合疲劳试验，该夹具设计思路主要是通过内夹具与叶片、叶背与叶盆压紧来产生摩擦力加载，通过高低周载荷传递路径不同来实现双轴无干涉加载。

但是上述现有夹具设计方案存在如下问题：

(1)专利CN103076246A中的夹具与试样通过螺栓连接，在长时间高频激振和低频拉伸载荷下，螺栓有脱开的可能，连接不够稳定。并且在长时间的试验下，由于螺栓孔处的应力集中，夹具容易发生磨损损坏。而文献“涡轮叶片复合疲劳特性曲线及其规律的试验”中，通过摩擦力加载需要较大的压紧力，夹具与叶片之间在试验过程中容易滑脱，并且由于叶片的中空构造，较大的压紧力容易将叶片压溃。

(2)专利CN103076246A中激振杆连接在试样中部，无法采用感应线圈对试样进行加热，不能进行高温试验。

(3)专利CN103076246A中夹具设计并不是严格的双轴无干涉设计，高低周载荷间仍然存在干涉，高周激振力无法顺利施加到试样考核点。

(4)专利CN103076246A中夹具针对板状试样设计，试样中部应力状态与真实叶片应力状态相差较大。

综上所述，如何提出一种新型高低周复合疲劳试验夹具及方法，使其既能够彻底解决双轴加载过程中的载荷干涉问题，又能够保证长时间试验过程中夹具夹持的稳定性和试样受力的真实性，克服激振器激振频率和弯曲应力之间的矛盾，是本发明亟待解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及试验方法，重点解决双轴加载过程中的载荷干涉问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，包括：

上夹具，所述上夹具的一端用于夹持试样的一端，所述上夹具的另一端通过传力拉杆与上转接件连接，所述上转接件连接疲劳试验机，且所述传力拉杆的两端与所述上夹具和所述上转接件均为转动连接，形成双轴结构；

下夹具，所述下夹具的一端用于夹持所述试样的另一端，所述下夹具的另一端通过下转接件连接于所述疲劳试验机，且所述下夹具呈固支状态安装于所述下转接件上；

所述疲劳试验机用于对所述试样施加低周载荷；所述上夹具上设置有激振杆，所述激振杆外接激振器，用于对所述试样施加高周激振力，且当所述高周激振力将系统激振到共振状态时，只有试样振动，夹具不振，从而实现了高低周载荷的双轴无干涉加载。

可选的，所述试样为叶片特征试样，所述叶片特征试样包括中部凸台，所述叶片特征试样的两端为夹持段，且所述夹持段为楔形夹持段。

所述疲劳试验机用于通过所述双轴结构对所述试样施加低周载荷；所述上夹具上设置有激振杆，所述激振杆外接激振器，用于对所述试样施加高周激振力，且当所述高周激振力将系统激振到共振状态时，实现了高低周载荷的双轴无干涉加载。

可选的，所述试样为叶根模拟试样，所述叶根模拟试样包括中部凸台，所述中部凸台的两端对称向外延伸，延伸部包括按照延伸方向依次连接的叶根缘板过渡段、标距段、大圆弧过渡段和夹持段，所述标距段的顶面和底面均为凸起的曲面，所述叶根缘板过渡段的顶面和底面、所述大圆弧过渡段的顶面和底面均为凹陷的曲面，且所述标距段的曲面曲率与真实叶片的危险点曲率相一致，所述叶根缘板过渡段的曲面曲率与真实叶片的叶根缘板过渡处曲率相一致，所述大圆弧过渡段的曲面的曲率半径较所述叶根缘板过渡段的曲面的曲率半径大，所述夹持段为楔形夹持段。

可选的，所述中部凸台安装有调频质量块和/或感应线圈，所述感应线圈用于加热试样中部，以实现高温加载试验；所述调频质量块用于实现不同一阶弯曲共振下的高频激振。

可选的，所述上夹具和/或所述下夹具的侧面开有冷却水孔，用于在双轴无干涉复合疲劳高温试验时及时降低夹具温度，避免夹具在长时间的高温试验下发生破坏。

可选的，所述上夹具和所述下夹具上均配置有压紧块，所述压紧块与对应夹具之间通过螺栓可拆卸连接；且所述上夹具和/或所述下夹具上开设有与所述楔形夹持段的一侧面相匹配的第一楔形槽，所述压紧块上开设有与所述楔形夹持段的另一侧面相匹配的第二楔形槽，所述第一楔形槽与所述第二楔形槽对接形成双楔形面定位，从而实现对所述楔形夹持段的夹持，夹持更加稳定，承载能力更高，在长时间试验后夹具不易发生磨损损坏。

可选的，所述传力拉杆的两端通过传动轴分别与所述上夹具和所述上转接件转动连接，所述传动轴与所述传力拉杆之间安装有轴承；所述轴承与所述传动轴同轴安装，且所述传动轴的轴线垂直于所述低周载荷的施加方向。

可选的，所述激振杆垂直于所述上夹具安装，且所述激振杆垂直于所述传动轴，以确保高周激振力的方向与低周载荷的方向垂直。

可选的，所述下夹具与所述下转接件通过螺栓连接，所述下转接件侧面设置有凸台，用于限制所述下夹具绕螺栓的转动，以确保所述下夹具呈固支状态安装。

可选的，所述上转接件的螺栓孔轴线与所述下转接件的螺栓孔轴线相互平行，且所述上转接件与所述下转接件的中心线重合，以保证加载过程中不引入附加弯矩、扭矩。

同时，本发明提出一种基于上述任意一项所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验方法，主要包括如下步骤：

步骤1：通过疲劳试验机夹紧所述下转接件，并通过螺栓将所述下夹具连接于所述下转接件上，此时所述下夹具处于固支状态，所述下夹具夹持所述试样的底端后，所述试样处于准悬臂梁状态，从而完成下部夹持加载系统的组装；

步骤2：将所述上转接件夹紧于疲劳试验机，将所述传力拉杆的顶端通过传动轴和轴承与所述上转接件可转动连接，将所述传力拉杆的底端通过传动轴和轴承与所述上夹具可转动连接，从而完成双轴结构的组装，便于疲劳试验机施加低周载荷；

步骤3：通过调整疲劳试验机上端的位置，使所述上夹具到达合适的位置并能够与所述试样的顶端夹持连接；

步骤4：将调频质量块分半与所述试样的中部配合安装，从而完成上部夹持加载系统的组装；

步骤5：将所述激振杆螺纹连接于所述上夹具，施加高周激振力，通过使试样共振，从而实现高周激振力与低周载荷之间的无干涉加载；

步骤6：将所述试样的中间外接感应线圈，以加热试样，便于进行高温试验。感应线圈可以是电感加热线圈。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及试验方法，采用上下转接头设计，可令试样处于准悬臂梁状态；激振点位于上夹具，施加的激振力将系统激振到共振状态下，可解除高低周载荷施加时的相互干涉，实现了高周载荷与低周载荷双轴无干涉加载，且试样中部在共振状态下应力分布接近真实。本发明的具体优点如下：

(1)本发明的激振点位于上夹具，试样中部可以采用感应线圈加热，以便进行双轴无干涉复合疲劳高温试验；同时夹具侧面配置冷却水孔，可降低夹具温度，避免夹具在长时间的高温试验下发生破坏；

(2)本发明的上下夹具、压紧块与试样夹持段通过双楔形面定位和夹持，承载能力更高，可保证长时间试验过程中夹具夹持的稳定性，且在长时间试验后夹具不易发生磨损损坏；

(3)本发明的传力拉杆与传动轴之间通过安装轴承，可减小传动轴连接处的摩擦力，减小高周载荷施加方向的阻尼，增大试样共振状态下中部位移幅值，有利于将系统激振至共振状态，实现双轴无干涉加载。

综上所述，本发明的设计方案在试样夹持方式、可进行试验种类、载荷干涉问题上相较于现有技术均有较大优势，使本发明尤其可用于叶片结构特征模拟试样的室温至1000℃温度范围内的双轴无干涉高低周复合疲劳试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具的整体组装示意图；

图2为试样与上下夹具之间的部分组装示意图；

图3为试样上安装调频质量块的示意图；

图4为上夹具的结构示意图；

图5为下夹具的结构示意图；

图6为压紧板的结构示意图；

图7为试样中部凸台的结构示意图；

图8为试样楔形夹持段的结构示意图；

其中，附图标记为：高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具100、上转接件1、轴承2、传动轴3、传力拉杆4、限位挡板5、上夹具6、压紧块7、试样8、中部凸台81、夹持段82、调频质量块9、下夹具10、下转接件11、凸台12、冷却水孔13、螺纹孔14。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具及试验方法，实现高周载荷与低周载荷双轴无干涉加载，同时保证长时间试验过程中夹具夹持的稳定性，并且可以进行高温试验。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-8所示，本实施例提供一种针对叶根模拟试样的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具100，主要包括两大部分：即由上转接件1、轴承2、传动轴3、传力拉杆4、限位挡板5、上夹具6、压紧块7、试样8、调频质量块9组成的上部夹持加载系统和由压紧块7、试样8、下夹具10、下转接件11组成的下部夹持加载系统。其中，上转接件1上端与疲劳试验机(图中未示出)通过螺栓相连，下端与传力拉杆4通过传动轴3相连；传力拉杆4两端设置沉孔，以便安装轴承2，传力拉杆4的两侧面加工有螺纹孔，用于安装限位挡板5，以限制轴承2以及传动轴3的轴向位移；传力拉杆4下端与上夹具6通过传动轴3连接，同时上夹具6上开设螺纹孔14，用于与激振杆通过螺纹连接，激振杆外接激振器，可对上夹具6施加高周激振力；上夹具6与压紧块7通过螺栓拧紧，以夹持试样8，试样8的中部设置调频质量块9和感应线圈，感应线圈可加热试样，便于进行高温试验；下夹具10与压紧块7和试样8的连接方式与上夹具6的相同，下夹具10与下转接件11通过螺栓连接，下转接件11两侧面均设置有凸台12，用以限制下夹具10绕螺栓的转动；上下转接件配合使用使试样处于准悬臂梁状态，下转接件11与疲劳试验机通过螺栓连接。

本实施例的试样8优选为一种叶片特征模拟试样，如图7-8所示，该试样包括中部凸台81和两端的夹持段82，夹持段82为楔形夹持段，能够与上下夹具相连。中部凸台81和夹持段82之间通过连接段进行连接，从而形成叶片特征模拟试样。

本实施例中，如图2-6所示，上夹具6和下夹具10与压紧块7之间均依靠双楔形面对试样8的楔形夹持段进行定位和夹持，即上夹具6和下夹具10上均设置与楔形夹持段一侧相匹配的楔形槽，压紧块7上则开设与楔形夹持段另一侧相匹配的楔形槽，上下楔形槽对接便实现了对楔形夹持段的夹紧。该种夹持方式通过设置形状匹配的楔形夹持段和楔形槽，使得夹持效果更加稳定，承载能力更高，在长时间试验后夹具不易发生磨损损坏。

本实施例中，如图3和7所示，调频质量块9分半设计，通过螺栓拧紧，并依靠摩擦力安装在试样8的中部凸台81处。通过调频质量块9的作用，可实现不同一阶弯曲共振下的高频激振。

本实施例中，上夹具6与激振杆通过螺纹连接，激振杆外接激振器以对上夹具6施加高周激振力。该高周激振力的施加方向垂直于低周载荷，且该高周激振力频率根据低周载荷施加下试验装置设计模态的固有频率确定，在设计模态下，当试样处于一阶弯曲模态时，夹具及转接件位移很小。

本实施例中，轴承2优选为NA6901滚针轴承。通过轴承2的设置，减小了传动轴3连接处的摩擦力，进而减小了高周载荷施加方向的阻尼，增大了试样共振状态下中部位移幅值，当试验装置处于稳定共振状态下时，高周载荷的施加不影响低周载荷的施加，载荷施加处于双轴无干涉条件下。

本实施例中，高周激振点在上夹具6上，试样8中部通过感应线圈加热，可以进行高温试验；同时，上夹具6和下夹具10的侧面均开有两个冷却水孔13，能够吸收试样8向夹具传导的热量，降低夹具温度，避免夹具在长时间的高温试验下发生破坏。

本实施例中，传力拉杆4侧面开有螺纹孔，用于安装限位挡板5，限制传动轴3以及轴承2的轴向运动，使低周载荷稳定传递到试样8上。

本实施例中，下夹具10与下转接件11通过螺栓连接，且下转接件11侧边的凸台12能够限制下夹具10绕螺栓转动，使下夹具10处于固支状态，与上转接件1组合可使试样8处于准悬臂梁状态，共振状态下试样8考核部位应力状态相比于平板或圆棒试样更接近于真实叶片。

本实施例中，试验夹具整体的组装要求如下：

1.保证轴承2的轴线与传动轴3轴线对齐，且传动轴3的轴线与低周载荷的施加方向垂直。

2.上转接件1的螺栓孔轴线与下转接件11的螺栓孔轴线相互平行，且上转接件1与下转接件11的中心线需重合，保证加载过程中不引入附加弯矩、扭矩。

3.高周激振杆与上夹具6连接时，高周激振杆轴线垂直上夹具6的螺纹孔平面，且与传动轴3垂直，以便在加载过程中保证高周激振力方向与低周载荷方向垂直，不引入附加扭矩。

同时，本实施例提出一种基于上述高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验方法。下面以试样8为叶根模拟试样为例，对上述试验方法的步骤作具体说明，叶根模拟试样的结构如图7所示。上述试验方法主要包括如下步骤：

步骤一：疲劳试验机通过螺栓与下转接件11连接，并夹紧下转接件11；下转接件11通过螺栓与下夹具10连接，并通过下转接件11侧面的凸台12限制下夹具10绕螺栓的转动，此时下夹具10处于固支状态，试样8处于准悬臂梁状态；下夹具10与压紧块7通过四个螺栓拧紧，并通过双楔形面与试样8的下部的楔形夹持段配合，此时完成下部夹持加载系统的组装；

步骤二：将上转接件1与疲劳试验机通过螺栓连接，且疲劳试验机夹紧上转接件1；将轴承2安装在传力拉杆4中，通过传动轴3将上转接件1与传力拉杆4连接，再通过限位挡板5约束传动轴3与轴承2的轴向运动；

步骤三：将上夹具6与传力拉杆4采用步骤二中相同的方法连接；

步骤四：调整疲劳试验机上端的位置，使上夹具6到达合适的位置能够与试样8上部的楔形夹持段配合，上夹具6、压紧块7与试样8上端夹持段通过双楔形面夹紧；

步骤五：将调频质量块9分半与试样8配合后，通过螺栓拧紧，此时完成上部夹持加载系统的组装；

步骤六：高周激振杆通过螺纹孔14与上夹具6连接，外接激振器可施加高周激振力；试样8中间叶根模拟特征处外接电感加热铜线圈加热试样，疲劳试验机施加低周载荷，至此完成组装。

由此可见，本实施例不仅可用于弯曲振动-循环拉伸复合疲劳试验，而且实现了高温条件下的双轴无干涉高低周复合疲劳试验，且夹具夹持稳定，耐用。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，包括：

上夹具，所述上夹具的一端用于夹持试样的一端，所述上夹具的另一端通过传力拉杆与上转接件连接，所述上转接件连接疲劳试验机，且所述传力拉杆的两端与所述上夹具和所述上转接件均为转动连接；

下夹具，所述下夹具的一端用于夹持所述试样的另一端，所述下夹具的另一端通过下转接件连接于所述疲劳试验机，且所述下夹具呈固支状态安装于所述下转接件上；

所述疲劳试验机用于对所述试样施加低周载荷；所述上夹具上设置有激振杆，所述激振杆外接激振器，用于对所述试样施加高周激振力，且当所述高周激振力将系统激振到共振状态时，实现了高低周载荷的双轴无干涉加载。

2.根据权利要求1所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述试样为叶片特征试样，所述叶片特征试样包括中部凸台，所述叶片特征试样的两端为夹持段，且所述夹持段为楔形夹持段。

3.根据权利要求2所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述中部凸台安装有调频质量块和/或感应线圈，所述感应线圈用于加热试样中部，以实现高温加载试验；所述调频质量块用于实现不同一阶弯曲共振下的激振。

4.根据权利要求3所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述上夹具和/或所述下夹具的侧面开有冷却水孔，用于降低夹具温度。

5.根据权利要求2所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述上夹具和所述下夹具上均配置有压紧块；且所述上夹具和/或所述下夹具上开设有与所述楔形夹持段的一侧面相匹配的第一楔形槽，所述压紧块上开设有与所述楔形夹持段的另一侧面相匹配的第二楔形槽，所述第一楔形槽与所述第二楔形槽对接实现对所述楔形夹持段的夹紧。

6.根据权利要求1所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述传力拉杆的两端通过传动轴分别与所述上夹具和所述上转接件转动连接，所述传动轴与所述传力拉杆之间安装有轴承；所述轴承与所述传动轴同轴安装，且所述传动轴的轴线垂直于所述低周载荷的施加方向。

7.根据权利要求6所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述激振杆垂直于所述上夹具安装，且所述激振杆垂直于所述传动轴，以确保高周激振力的方向与低周载荷的方向垂直。

8.根据权利要求1所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述下夹具与所述下转接件通过螺栓连接，所述下转接件侧面设置有凸台，用于限制所述下夹具绕螺栓的转动。

9.根据权利要求1所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具，其特征在于，所述上转接件与所述下转接件的中心线重合。

10.一种基于权利要求1-9任意一项所述的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验夹具的高温双轴无干涉高低周复合疲劳试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过疲劳试验机夹紧所述下转接件，并通过螺栓将所述下夹具连接于所述下转接件上，此时所述下夹具处于固支状态，所述下夹具夹持所述试样的底端后，所述试样处于准悬臂梁状态，从而完成下部夹持加载系统的组装；

步骤2：将所述上转接件夹紧于疲劳试验机，将所述传力拉杆的顶端通过传动轴和轴承与所述上转接件可转动连接，将所述传力拉杆的底端通过传动轴和轴承与所述上夹具可转动连接，从而完成双轴结构的组装，便于疲劳试验机施加低周载荷；

步骤3：通过调整疲劳试验机上端的位置，使所述上夹具到达合适的位置并能够与所述试样的顶端夹持连接；

步骤4：将调频质量块分半与所述试样配合安装，从而完成上部夹持加载系统的组装；

步骤5：将所述激振杆螺纹连接于所述上夹具，施加高周激振力，通过使试样共振，从而实现高周激振力与低周载荷之间的无干涉加载；

步骤6：将所述试样的中间外接感应线圈，以加热试样，便于进行高温试验。

Images