CN114659740B - 一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置，包括信号处理与控制装置、超声振动装置和叶片专用夹具装置等。其中超声振动装置主要包括振动台、弹簧、基座和超声振动机构，所述超声振动机构由法兰盘、超声换能器和超声变幅杆组成，在超声振动装置中，设计若干弹簧对振动台进行辅助支撑，减小超声振动机构受力，然后超声发生器向超声振动机构提供超声频电能，使超声振动机构对振动台施加两个方向的高频振动，实现超声振动装置高频振动。在叶片专用夹具装置中设置压力传感器，实现叶片榫头部位夹持力的实时监控，保证叶片在振动疲劳试验中夹持力始终处于稳定区域内，并实时监测榫根的受力状态，提高叶片振动疲劳的夹持稳定性。

Description

一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置
技术领域
本发明专利涉及一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置，属于振动疲劳试验技术领域。
背景技术
薄壁叶片类零件是航空发动机中关键重要的零件之一，该类零件通常处于高温、高压和高转速工作环境中，是航空发动机主要的故障多发件。在工作过程中，航空发动机叶片承受复杂的气流冲击，致使叶片产生振动。当振动冲击力超过叶片疲劳极限时，叶片就会出现疲劳裂纹，逐步发展演化为疲劳断裂，造成发动机在运转过程中出现故障，甚至可能造成严重等级的事故。因此，在航空发动机叶片研制阶段，需要对叶片进行振动疲劳试验，确定发动机叶片在复杂环境中的疲劳极限或者确定叶片在设计和制造中的典型问题。因此，采用疲劳试验装置，研究发动机叶片振动疲劳性能对保证发动机正常稳定工作具有重要意义。
针对该问题，提出一种超声加工振动试验装置设计方法。该思想来源于已发表专利[王岩.一种用于精密超声加工的振动台：CN207104515U.2018.03.16]，该专利结构主要包括超声振动装置、振动装置支撑架、超声振动台、振动台支撑架、夹具和底座等，其中在振动台顶面均匀间隔固装多个夹具。
该文献所提超声加工振动试验装置虽能对薄壁叶片类零件进行振动疲劳试验，但在夹具部分未能实时监测夹持力，无法保证振动试验的稳定性与可靠性，且该装置只能使振动台平移机构实现横向移动，无法多方向高频振动，难以反映叶片实际工作环境等。基于此，提出了本发明。
发明内容
本发明采用叶片专用夹具装置对叶片榫头部位进行夹持，且在榫头与夹持机构之间安装压力传感器，实时监测叶片榫头位置夹持力与榫根的受力状态，避免夹持及叶片失效。在超声振动装置中，设计若干弹簧对振动台进行辅助支撑，减小超声振动机构受力，然后通过超声发生器向超声振动机构提供超声频电能，使超声振动装置实现高频振动。最后，通过信号接收器、传感器、计算机等收集叶片振动疲劳试验数据，确定叶片设计、制造、运行中存在的问题，提高薄壁叶片零件设计和加工质量。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置，其特征在于：包括信号处理与控制装置、超声振动装置和叶片专用夹具装置，信号处理与控制装置位于钢板左端设置的凸台之上，超声振动装置固定于钢板之上，位于信号处理与控制装置右侧，叶片专用夹具装置固定于超声振动装置中振动台上。
所述信号处理与控制装置主要由计算机、信号接收器和超声发生器组成，钢板左端设有凸台，凸台上端放置计算机、信号接收器和超声发生器，计算机与信号接收器连接，信号接收器分别与激光位移传感器、叶片上放置的四个应变片和压力传感器连接，激光位移传感器固定在激光位移传感器支撑架上，四个应变片分别设置在叶片尖端上下面和叶根端上下面，压力传感器位于叶片专用夹具装置之中，超声发生器分别与超声振动装置中四个相同规格超声振动机构连接。
所述超声振动装置是对称结构，主要由支撑右架、支撑左架、超声振动机构、振动台、防震垫、基座、弹簧固定座和弹簧组成，其中超声振动机构有四个，由法兰盘、超声波变幅杆和超声波换能器组成，用螺栓将支撑右架固定于钢板右端上表面，支撑右架左端面设有两个通孔和若干螺纹孔，用螺栓和螺母与超声振动机构中法兰盘连接，振动台右端面设有两个螺纹孔，其中两个超声振动机构水平放置，其左端与振动台右端面螺纹连接，四个基座底部设有防震垫，四个基座与振动台之间垂直设有四个弹簧，弹簧均匀布置在振动台四个直角处，弹簧两端设有弹簧固定座，弹簧上下端的弹簧固定座分别与振动台和基座连接，另外两个超声振动机构竖直放置，其上端与振动台下表面中心线位置上的两个螺纹孔螺纹连接，其法兰盘与支撑左架通过螺栓和螺母连接，支撑左架下端面与钢板通过螺栓连接。
所述叶片专用夹具装置主要由夹具底座、步进电机、联轴器、步进电机固定架、螺杆、深沟球轴承、滑块、滑杆、椭形块和压力传感器组成，用螺栓和螺母将步进电机和步进电机固定架与夹具底座右端面连接，步进电机与螺杆右端用联轴器固定，支撑板位于夹具底座下端面之上，左右端面之间，用螺栓与夹具底座下端面连接，深沟球轴承分别内置于夹具底座右端面和支撑板之中，螺杆左右端与深沟球轴承配合，滑块中心部位设有螺纹孔，与螺杆配合，支撑板设有两个通孔，其通孔直径略大于滑杆直径，滑杆穿过通孔，滑杆右端用焊接方式与滑块连接，其左端用焊接方式与椭形块连接，叶片榫头左端与夹具底座左端面相接触，其右端面用椭形块顶紧，椭形块和榫头右端面之间设有压力传感器，夹具底座上端面设有两个螺纹孔，用螺栓通过夹具底座上端面螺纹孔顶紧榫头上端面。
采用上述方案通过超声发生器向超声振动机构提供超声频电能，使超声振动装置实现高频振动；其次，用设有压力传感器的叶片专用夹具对叶片进行夹持，可以实时监测叶片的夹持力，提高叶片振动疲劳的夹持稳定性；最后，通过信号处理与控制装置收集叶片振动疲劳试验数据，确定叶片的疲劳极限或叶片设计、制造、运行中存在的问题，提高薄壁叶片零件设计和加工质量。
综上所述，本发明带来的有益效果是：一方面，通过对振动台施加两个方向的高频振动，使叶片在振动疲劳试验时实现高频振动，更加符合发动机叶片真实的工作状态；另一方面，在叶片专用夹具装置中设置压力传感器，可以实现叶片榫头部位夹持力的实时监控，保证叶片在振动疲劳试验中夹持力始终处于稳定的区域内，并且实时监测榫根的受力状态，提高叶片振动疲劳的夹持稳定性。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明超声振动装置结构示意图；
图3为本发明图2的A-A处结构剖视示意图；
图4为本发明叶片专用夹具装置结构示意图；
图5为本发明图4的B-B处结构剖视示意图。
图中：1-钢板，2-凸台，3-计算机，4-信号接收器，5-超声发生器，6-激光位移传感器支撑架，7-激光位移传感器，8-叶片，9-应变片，10-支撑右架，11-螺栓，12-超声振动机构，13-法兰盘，14-螺栓，15-螺母，16-振动台，17-防震垫，18-基座，19-弹簧固定座，20-螺栓，21-弹簧，22-弹簧固定座，23-螺栓，24-螺母，25-法兰盘，26-支撑左架，27-超声波变幅杆，28-超声波换能器，29-螺栓，30-步进电机，31-步进电机固定架，32-螺母，33-夹具底座，34-螺杆，35-支撑板，36-螺栓，37-榫头，38-螺栓，39-联轴器，40-深沟球轴承，41-滑块，42-深沟球轴承，43-滑杆，44-椭形块，45-压力传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示，装置之间的连接线在图中未表示，用文字叙述的方式说明。需要说明的是，下面描述中使用的词语“上端”、“下端”、“左端”、“右端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“上面”及“下面”等词语指附图中的方向，亦便于叙述。
本发明一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置，主要包括信号处理与控制装置、超声振动装置和叶片专用夹具装置等。以下实例参照图1~5。
如图1所示，为本发明装置结构示意图。钢板1作为整个装置安装平台，钢板1置于车间地面上，避免振动机构高频振动时对车间地面所造成伤害。信号处理与控制装置位于钢板1左端设置的凸台2之上，超声振动装置固定于钢板1之上，位于信号处理与控制装置右侧，叶片专用夹具装置固定于超声振动装置振动台上。其中信号处理与控制装置主要由计算机3、信号接收器4和超声发生器5组成。钢板1左端设有凸台2，凸台2上端放置有计算机3、信号接收器4和超声发生器5。计算机3与信号接收器4连接，信号接收器4分别与激光位移传感器7、叶片8上放置的四个应变片9和压力传感器连接。激光位移传感器7固定在激光位移传感器支撑架6上。激光位移传感器7用于监测叶片8的振动位移，并输出位移信号至信号接收器4，数据结果输出至计算机3。叶片8尖端上下面分别放置应变片9，叶片8叶根端上下面分别放置应变片9。应变片9用于监测叶片8振动应变（应力）等级，并输出应变信号至信号接收器4，数据结果输出至计算机3。超声发生器5分别与振动装置中四个相同规格超声换能器28连接，并为此提供超声频电能，实现超声振动装置的振幅和频率调节。
如图2和图3所示，为本发明超声振动装置部分。此超声振动装置是对称结构。超声振动装置主要由支撑右架10、超声振动机构12、振动台16、防震垫17、基座18、弹簧固定座19、弹簧21、弹簧固定座22和支撑左架26组成。所述超声振动机构由法兰盘25、超声波变幅杆27和超声波换能器28组成，实现超声振动装置的振幅和频率调节。钢板1右端上表面设有四个螺纹孔，钢板1与支撑右架10通过螺栓11连接。支撑右架10左端面设有两个通孔和若干螺纹孔，超声振动机构12中法兰盘13与支撑右架10左端面通过螺栓14和螺母15连接。振动台16右端面设有两个螺纹孔，与超声振动机构12左端螺纹连接。四个基座18底部分别设有防震垫17，避免基座18与钢板1直接接触，减少工作时产生的噪声。四个基座18与振动台16之间垂直设有四个弹簧21，弹簧21均匀布置在振动台16四个直角处。弹簧21两端分别设有弹簧固定座19，弹簧21下端的弹簧固定座19通过螺栓20与基座18连接，其上端的弹簧固定座22通过螺栓23和螺母24与振动台16连接。振动台16下表面中心线位置设有两个螺纹孔，并与超声振动机构12上端螺纹连接，法兰盘25与支撑左架26通过螺栓和螺母连接，支撑左架26下端与钢板1通过螺栓连接。
如图4和图5所示，为本发明叶片专用夹具装置部分。叶片专用夹具装置主要由步进电机30、步进电机固定架31、夹具底座33、螺杆34、螺栓38、联轴器39、深沟球轴承40，42、滑块41、滑杆43、椭形块44和压力传感器45组成。用四个相同规格螺栓29和螺母32将步进电机30和步进电机固定架31与夹具底座33右端面连接。步进电机30与螺杆34右端用联轴器39固定。支撑板35位于夹具底座33下端面之上，左右端面之间，通过螺栓36与夹具底座33下端面连接。深沟球轴承分别内置于夹具底座33右端面和支撑板35之中。螺杆34右部分与深沟球轴承40配合，其左部分与深沟球轴承42配合。滑块41中心部位设有螺纹孔，与螺杆34配合。支撑板35设有两个通孔，其通孔直径略大于滑杆43直径，滑杆43穿过通孔。滑杆43右端用焊接方式与滑块41连接，其左端用焊接方式与椭形块44连接。榫头37左端与夹具底座33左端面相接触，夹具底座33上端面设有两个螺纹孔，用螺栓38通过夹具底座上端面螺纹孔顶紧榫头37上端面，榫头37右端面用椭形块44顶紧。椭形块44和榫头37右端面之间安装压力传感器45，便于监测叶片榫头夹持力，避免由于夹持力过大或过小而导致试验无效性，提高叶片振动疲劳的夹持稳定性。
该发明装置的优越性主要体现在如下方面：一是可以通过超声振动机构实现叶片疲劳试验高频振动，使之更符合发动机叶片真实工作环境；二是在叶片专用夹具装置中设置压力传感器，可以实时监测叶片榫头夹持力与榫根受力状态，避免由于夹持力过大或过小而导致试验无效性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参考上述实施例对本发明已进行了比较详细的说明，但是，本领域普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置，其特征在于：包括信号处理与控制装置、超声振动装置和叶片专用夹具装置，信号处理与控制装置位于钢板左端设置的凸台之上，超声振动装置固定于钢板之上，位于信号处理与控制装置右侧，叶片专用夹具装置固定于超声振动装置中振动台上；
所述超声振动装置是对称结构，主要由支撑右架、支撑左架、超声振动机构、振动台、防震垫、基座、弹簧固定座和弹簧组成，其中超声振动机构有四个，由法兰盘、超声波变幅杆和超声波换能器组成，用螺栓将支撑右架固定于钢板右端上表面，支撑右架左端面设有两个通孔和若干螺纹孔，用螺栓和螺母与超声振动机构中法兰盘连接，振动台右端面设有两个螺纹孔，其中两个超声振动机构水平放置，其左端与振动台右端面螺纹连接，四个基座底部设有防震垫，四个基座与振动台之间垂直设有四个弹簧，弹簧均匀布置在振动台四个直角处，弹簧两端设有弹簧固定座，弹簧上下端的弹簧固定座分别与振动台和基座连接，另外两个超声振动机构竖直放置，其上端与振动台下表面中心线位置上的两个螺纹孔螺纹连接，其法兰盘与支撑左架通过螺栓和螺母连接，支撑左架下端面与钢板通过螺栓连接；
所述叶片专用夹具装置主要由夹具底座、步进电机、联轴器、步进电机固定架、螺杆、深沟球轴承、滑块、滑杆、椭形块和压力传感器组成，用螺栓和螺母将步进电机和步进电机固定架与夹具底座右端面连接，步进电机与螺杆右端用联轴器固定，支撑板位于夹具底座下端面之上，左右端面之间，用螺栓与夹具底座下端面连接，深沟球轴承分别内置于夹具底座右端面和支撑板之中，螺杆左右端与深沟球轴承配合，滑块中心部位设有螺纹孔，与螺杆配合，支撑板设有两个通孔，其通孔直径略大于滑杆直径，滑杆穿过通孔，滑杆右端用焊接方式与滑块连接，其左端用焊接方式与椭形块连接，叶片榫头左端与夹具底座左端面相接触，其右端面用椭形块顶紧，椭形块和榫头右端面之间设有压力传感器，夹具底座上端面设有两个螺纹孔，用螺栓通过夹具底座上端面螺纹孔顶紧榫头上端面。
2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁叶片类零件的高频振动疲劳试验装置，其特征在于：所述信号处理与控制装置主要由计算机、信号接收器和超声发生器组成，钢板左端设有凸台，凸台上端放置计算机、信号接收器和超声发生器，计算机与信号接收器连接，信号接收器分别与激光位移传感器、叶片上放置的四个应变片和压力传感器连接，激光位移传感器固定在激光位移传感器支撑架上，四个应变片分别设置在叶片尖端上下面和叶根端上下面，压力传感器位于叶片专用夹具装置之中，超声发生器分别与超声振动装置中四个相同规格超声振动机构连接。
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