CN114608979A - 一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置，包括高温炉、扭转加载组件和弯曲加载组件；高温炉放置于支撑架的支撑平台上，支撑架固定于试验机上；扭转加载组件沿竖直方向贯穿高温炉，并将夹持的榫槽试样和榫头试样固定于高温炉内，以对榫槽试样和榫头试样施加扭转或拉伸载荷；弯曲加载组件位于支撑架的支撑平台上，并沿水平方向穿入高温炉内，以对榫槽试样和榫头试样施加弯曲载荷。本发明即可实现对微动疲劳试样的拉压、弯曲、扭转三种不同方向以及高温、室温不同温度条件的全方位试验，可以更好地揭示材料在微动疲劳过程中的损伤机理。

Description

一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置
技术领域
本发明属于微动疲劳的技术领域，具体涉及一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置。
背景技术
微动疲劳是指在常规疲劳循环载荷的基础上，存在两个相互接触并具有一定载荷的单元发生微小位移和相对滑动的磨损现象，这种现象使得试件的寿命大幅缩短。微动疲劳广泛存在与各种日常和工程领域，如航空、航天、铁路、机械、电气、医学工程、核电等，其越来越成为关键零部件失效的主要原因。
在航空发动机领域，榫头榫槽是叶片和涡轮盘的主要连接方式。据统计，有多达20％的航空发动机失效案例是榫头榫槽的连接结构造成的，而微动疲劳则是榫头榫槽连接结构一种典型的失效原因。叶片与轮盘之间的服役过程中受到高速旋转的离心力、横向的气动压力、高温、腐蚀等综合作用，服役工况特别恶劣。
现已有针对榫连接结构的微动疲劳研究，包括不同材料、不同温度条件下的试验，但只对榫头榫槽配合的拉压方向(即离心力方向)有研究。实际情况下，航空发动机中的叶片处于多种条件的复杂工况，需要考虑不同温度条件和不同加载方向的综合微动疲劳性能。所以，开发一种能够实现多复杂工况下的微动疲劳试验装置对探究材料的损伤机理、进一步提高部件安全性和服役寿命有至关重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置，以解决传统拉压微动疲劳试验局限性的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其包括高温炉、扭转加载组件和弯曲加载组件；高温炉放置于支撑架的支撑平台上，支撑架固定于试验机上；
扭转加载组件沿竖直方向贯穿高温炉，并将夹持的榫槽试样和榫头试样固定于高温炉内，以对榫槽试样和榫头试样施加扭转或拉伸载荷；
弯曲加载组件位于支撑架的支撑平台上，并沿水平方向穿入高温炉内，以对榫槽试样和榫头试样施加弯曲载荷。
进一步地，扭转加载组件包括下夹具和用于施加拉伸和扭转载荷的上夹具；下夹具固定于试验机的U型槽中。
进一步地，上夹具与上垂向加载杆一端固定相连，上垂向加载杆的另一端与榫头夹具固定相连，榫头夹具夹持固定榫头试样。
进一步地，上垂向加载杆通过第一螺栓与榫头夹具固定连接，榫头夹具通过第二螺栓与榫头试样固定连接。
进一步地，上垂向加载杆与榫头夹具之间安装第一隔热垫；上垂向加载杆上设有用于冷却上垂向加载杆的进水口和出水口。
进一步地，下夹具与下垂向加载杆一端固定相连，下垂向加载杆的另一端与榫槽夹具固定相连，榫槽夹具夹持固定榫槽试样。
进一步地，下垂向加载杆通过第三螺栓与榫槽夹具固定连接，榫槽夹具通过第四螺栓与榫槽试样固定连接。
进一步地，下垂向加载杆与榫槽夹具之间安装第三隔热垫；下垂向加载杆上设有用于冷却下垂向加载杆的进水口和出水口。
进一步地，弯曲加载组件包括伺服电缸；伺服电缸与横向加载杆一端相连，且在伺服电缸与横向加载杆之间设有第二隔热垫；横向加载杆另一端穿入高温炉内并与弯曲微动垫相连。
进一步地，高温炉包括第一子高温炉和第二子高温炉；所述第一子高温炉和第二子高温炉之间的连接处转动相连；
第一子高温炉的侧壁上开设有与弯曲加载组件配合的横向加载孔，横向加载孔与高温炉炉腔连通；
第一子高温炉和第二子高温炉相向转动以形成闭合的高温炉，闭合的高温炉的炉腔内壁上环设有多根加热管和温度传感器，相邻两根加热管之间设有加热内芯；位于高温炉外壳和炉腔之间设有隔热层，隔热层和加热内芯的材料为陶瓷纤维；
高温炉的顶部和底部均设有防护板，且在其顶部和底部均开设有连通高温炉炉腔的竖向加载孔；
高温炉的表面分布有多个气氛输入口。
本发明提供的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，具有以下有益效果：
本发明通过疲劳试验机的上夹具和下夹具进行固定，通过支撑架对高温炉进行支撑作用，疲劳试验机可通过上夹具对试验件施加拉伸和扭转载荷，高温炉对试验件进行加热以实现高温的试验工况；同时外接的伺服电缸通过横向加载杆的弯曲微动垫的作用，对高温炉内的试验件施加弯曲载荷。本发明即可实现对微动疲劳试样的拉压、弯曲、扭转三种不同方向以及高温、室温不同温度条件的全方位试验，可以更好地揭示材料在微动疲劳过程中的损伤机理。
附图说明
图1为弯扭复合高温微动疲劳试验装置的结构图。
图2为弯扭复合高温微动疲劳试验装置扭转加载组件和弯曲加载组件的结构图。
图3为弯扭复合高温微动疲劳试验装置高温炉结构图。
其中，1、上夹具；2、伺服电缸；3、下夹具；4、高温炉；5、支撑架；6、上垂向加载杆；7、出水口；8、第一隔热垫；9、第一螺栓；10、进水口；11、榫头夹具；12、第二螺栓；13、榫头试样；14、第二隔热垫；15、横向加载杆；16、微动垫；17、弯曲微动垫；18、第三隔热垫；19、第三螺栓；20、榫槽试样；21、榫槽夹具；22、下垂向加载杆；23、第四螺栓；4-1、加热管；4-2、隔热层；4-3、气氛输入口；4-4、加热内芯；4-5、防护板；4-6、温度传感器；4-7、横向加载孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1，参考图1，本方案的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，包括高温炉4、扭转加载组件和弯曲加载组件，高温炉4放置于支撑架5的支撑平台上，支撑架5固定于试验机上。
扭转加载组件用于对榫槽试样20和榫头试样13施加扭转或拉伸载荷，扭转加载组件沿竖直方向贯穿高温炉4，并将夹持的榫槽试样20和榫头试样13固定于高温炉4内，以揭示材料在微动疲劳过程中扭转或拉伸的损伤机理。
弯曲加载组件位于支撑架5的支撑平台上，并沿水平方向穿入高温炉4内，以对榫槽试样20和榫头试样13施加弯曲载荷，以揭示材料在微动疲劳过程中弯曲载荷下的损伤机理。
榫槽试样20和榫头试样13之间设有微动垫16，榫槽试样20和榫头试样13在微动垫16的作用下，实现微动疲劳的试验工况。
实施例2，参考图2和图3，本实施例在实施例1的基础上，进一步对本试验装置方案进行描述，其具体为：
作为本实施例扭转加载组件的进一步技术方案，扭转加载组件包括下夹具3和上夹具1，下夹具3位于底部，并固定于试验机的U型槽中；上夹具1位于顶部，用于对试样施加拉伸和扭转载荷。
上夹具1与上垂向加载杆6一端固定相连，上垂向加载杆6的另一端与榫头夹具11固定相连，榫头夹具11夹持固定榫头试样13。
上垂向加载杆6通过第一螺栓9与榫头夹具11固定连接，榫头夹具11通过第二螺栓12与榫头试样13固定连接。
上垂向加载杆6与榫头夹具11之间安装第一隔热垫8，第一隔热垫8可以有效阻隔高温炉4内的温度，减少高温炉4的温度散发，节约试验装置高温合金的利用量。
上垂向加载杆6上设有用于冷却上垂向加载杆6的进水口10和出水口7，进水口10、出水口7、上垂向加载杆6内开设的水通道以及配合外围水管，以形成循环冷却水管路，以防止高温炉4内的高温通过上垂向加载杆6传递到疲劳试验机的上夹具1，以免对疲劳机造成损伤。
下夹具3与下垂向加载杆22一端固定相连，下垂向加载杆22的另一端与榫槽夹具21固定相连，榫槽夹具21夹持固定榫槽试样20。
下垂向加载杆22通过第三螺栓19与榫槽夹具21固定连接，榫槽夹具21通过第四螺栓23与榫槽试样20固定连接。
下垂向加载杆22与榫槽夹具21之间安装第三隔热垫18，第三隔热垫18可以有效阻隔高温炉4内的温度，减少高温炉4的温度散发，节约试验装置高温合金的利用量。
下垂向加载杆22上设有用于冷却下垂向加载杆22的进水口10和出水口7，进水口10、出水口7、下垂向加载杆22内开设的水通道以及配合外围水管，以形成循环冷却水管路，以防止高温炉4内的高温通过下垂向加载杆22传递到疲劳试验机的下夹具3，以免对疲劳机造成损伤。
作为本实施例弯曲加载组件的进一步技术方案，弯曲加载组件包括伺服电缸2，伺服电缸2与横向加载杆15一端相连，且在伺服电缸2与横向加载杆15之间设有第二隔热垫14，第二隔热垫14可以有效阻隔高温炉4内的温度，减少高温炉4的温度散发，保护伺服电缸2。
横向加载杆15另一端穿入高温炉4内并与弯曲微动垫17相连，以对试样施加弯曲载荷。
作为本实施例高温炉4的进一步技术方案，高温炉4包括第一子高温炉和第二子高温炉，如图3所示，左侧为第一子高温炉，右侧为第二子高温炉。
第一子高温炉和第二子高温炉之间的连接处转动相连，第一子高温炉和第二子高温炉上均设有把手，以便于转动操作。
第一子高温炉的侧壁上开设有与弯曲加载组件配合的横向加载孔4-7，横向加载孔4-7与高温炉4炉腔连通，即横向加载杆15穿入该横向加载孔4-7并作用于弯曲微动垫17，进而在高温作用下对榫槽试样20和榫头试样13进行弯曲载荷。
第一子高温炉和第二子高温炉相向转动以形成闭合的高温炉4，闭合的高温炉4的炉腔内壁上环设有多根加热管4-1和温度传感器4-6，相邻两根加热管4-1之间设有加热内芯4-4；位于高温炉4外壳和炉腔之间设有隔热层4-2，隔热层4-2和加热内芯4-4的材料为陶瓷纤维，以实现保温作用。
温度传感器4-6实时对炉内温度进行监控，同时控制加热管4-1开关，实现温度的闭环控制，保证炉内恒温条件。
高温炉4的顶部和底部均设有防护板4-5，防护板4-5作为基本的物理防护；且在其顶部和底部均开设有连通高温炉4炉腔的竖向加载孔。
高温炉4的表面分布有多个气氛输入口4-3，其用于向炉内高温腔内输送外界空气，维持气压平衡；同时也便于高温炉4表面散热，以免造成其他部件损伤。
两端的竖向加载孔用于榫头夹具11和榫槽夹具21的穿入，且榫槽试样20和榫头试样13位于高温炉4炉腔内，以模拟高温环境。
本发明的工作原理为：
打开第一子高温炉和第二子高温炉，将夹持好的榫槽试样20和榫头试样13放置于炉腔内，旋转闭合第一子高温炉和第二子高温炉。
施加拉伸和扭转载荷时：
控制加热管4-1至预设温度，疲劳试验机通过作用上夹具1对榫槽试样20和榫头试样13施加拉伸和扭转载荷。
施加弯曲载荷时：
启动伺服电缸2，伺服电缸2通过横向加载杆15作用于弯曲微动垫17，以对高温炉4内的榫槽试样20和榫头试样13施加弯曲载荷。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：包括高温炉、扭转加载组件和弯曲加载组件；所述高温炉放置于支撑架的支撑平台上，支撑架固定于试验机上；
所述扭转加载组件沿竖直方向贯穿高温炉，并将夹持的榫槽试样和榫头试样固定于高温炉内，以对榫槽试样和榫头试样施加扭转或拉伸载荷；
所述弯曲加载组件位于支撑架的支撑平台上，并沿水平方向穿入高温炉内，以对榫槽试样和榫头试样施加弯曲载荷。
2.根据权利要求1所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述扭转加载组件包括下夹具和用于施加拉伸和扭转载荷的上夹具；所述下夹具固定于试验机的U型槽中。
3.根据权利要求2所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述上夹具与上垂向加载杆一端固定相连，上垂向加载杆的另一端与榫头夹具固定相连，榫头夹具夹持固定榫头试样。
4.根据权利要求3所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述上垂向加载杆通过第一螺栓与榫头夹具固定连接，榫头夹具通过第二螺栓与榫头试样固定连接。
5.根据权利要求3所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述上垂向加载杆与榫头夹具之间安装第一隔热垫；上垂向加载杆上设有用于冷却上垂向加载杆的进水口和出水口。
6.根据权利要求2所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述下夹具与下垂向加载杆一端固定相连，下垂向加载杆的另一端与榫槽夹具固定相连，榫槽夹具夹持固定榫槽试样。
7.根据权利要求6所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述下垂向加载杆通过第三螺栓与榫槽夹具固定连接，榫槽夹具通过第四螺栓与榫槽试样固定连接。
8.根据权利要求6所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述下垂向加载杆与榫槽夹具之间安装第三隔热垫；下垂向加载杆上设有用于冷却下垂向加载杆的进水口和出水口。
9.根据权利要求1所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述弯曲加载组件包括伺服电缸；所述伺服电缸与横向加载杆一端相连，且在伺服电缸与横向加载杆之间设有第二隔热垫；所述横向加载杆另一端穿入高温炉内并与弯曲微动垫相连。
10.根据权利要求1所述的弯扭复合高温微动疲劳试验装置，其特征在于：所述高温炉包括第一子高温炉和第二子高温炉；所述第一子高温炉和第二子高温炉之间的连接处转动相连；
所述第一子高温炉的侧壁上开设有与弯曲加载组件配合的横向加载孔，横向加载孔与高温炉炉腔连通；
所述第一子高温炉和第二子高温炉相向转动以形成闭合的高温炉，闭合的高温炉的炉腔内壁上环设有多根加热管和温度传感器，相邻两根加热管之间设有加热内芯；位于高温炉外壳和炉腔之间设有隔热层，隔热层和加热内芯的材料为陶瓷纤维；
所述高温炉的顶部和底部均设有防护板，且在其顶部和底部均开设有连通高温炉炉腔的竖向加载孔；
所述高温炉的表面分布有多个气氛输入口。
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