CN117110098A - 涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置及方法，属于航空发动机叶片强度及疲劳性能测试技术领域。该装置包括：由自承力框架和延伸支架组成的自平衡承力件，以及位于自承力框架内部的低频离心力加载作动筒、高频气动载荷加载振动台、高低周载荷解耦夹具、榫接部位模拟试验件。通过本发明可以解耦低周离心力与高周气动载荷，同时可以施加温度载荷模拟试验件工作环境，更接近发动机叶片榫接部位的真实服役工况与实际工作环境下的应力场分布，能对多种载荷进行联合解耦加载与同步协调控制；且采用自承力框架平衡高低周载荷，简单易实施，可以灵活移动和固定，对不同试验场地具有普遍适用性。

Description

涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明属于航空发动机叶片强度及疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置及方法。

背景技术

航空发动机的涡轮叶片在工作中，会受到复杂的载荷作用，主要有：涡轮叶片在高速转动中由自身质量所产生的低频离心载荷、气流作用在叶片上引起的气动载荷、叶片上温度分布不均匀产生的温度载荷以及高频振动载荷等。涡轮叶片所受的复杂载荷传递到叶片和盘的榫接位置，会出现典型的微动疲劳。叶片榫头在微动疲劳工况下会在接触根部发生断裂，进而导致发动机故障乃至航空事故的发生。因此，需要进行相互接触部件的微动疲劳测试，且应当考虑高周/低周载荷、残余应力表面处理、涂层的影响。

在微动疲劳试验技术方面，国内外目前对单轴状态下的微动疲劳试验技术与失效机理研究较为成熟，对于高低周复合载荷下的试验技术处于刚刚起步的阶段，目前主要研究有两大类：第一类试验装置采用激振器及疲劳试验机施加高低周载荷；第二类试验装置采用振动台及作动筒/电动缸施加高低周载荷，均设计高低周复合疲劳专用夹具进行解耦。但均存在一些不足：第一类试验装置中，低周载荷和高周载荷的施加并没有实现真正意义上的联合控制，低周载荷和高周载荷的同步率随着疲劳试验的进行，误差可能会逐渐增大，且激振杆在长时间的疲劳试验中也可能会发生变形，影响高周振动载荷施加的准确性；第二类试验装置中，大幅值离心载荷会使叶片沿叶身方向有一定程度的伸长，会导致高周的振动载荷方向发生变化，对叶片高低周复合疲劳的试验结果引入较大的误差，且尚未考虑高温环境对复合疲劳寿命的影响。

发明内容

本发明提供一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置及方法。所述技术方案如下：

第一方面，提供一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置，包括：由自承力框架和延伸支架组成的自平衡承力件，以及位于自承力框架内部的低频离心力加载作动筒、高频气动载荷加载振动台、高低周载荷解耦夹具、榫接部位模拟试验件，

低频离心力加载作动筒与自承力框架连接；高频气动载荷加载振动台底部固定在自承力框架上；榫接部位模拟试验件固定在延伸支架上；高低周载荷解耦夹具与榫接部位模拟试验件、高频气动载荷加载振动台连接，用于低周离心力和高周气动载荷的联合加载且互不干涉影响。

其中，高低周载荷解耦夹具包括：外夹具、内夹具和轴承，

外夹具通过连接双耳与低频离心力加载作动筒连接，并通过两边轴承与内夹具连接，内夹具通过连接螺栓与榫接部位模拟试验件连接；

进行低周离心力加载时，低频离心力加载作动筒产生的离心力经连接双耳由外夹具通过轴承传递至内夹具，内夹具通过连接螺栓将载荷传递至榫接部位模拟试验件。

进一步第，高低周载荷解耦夹具还包括：转接板、直线滑轨、激振头、球铰连杆和轴承座平板，

转接板位于高频气动载荷加载振动台的台面上，直线滑轨固定在转接板上，激振头卡套在直线滑轨上，球铰连杆通过螺纹孔套在激振头内，球铰连杆与内夹具通过球铰接头连接，轴承座平板位于延伸支架的两边；轴承座平板用于固定轴承，限制固定轴承沿垂直方向移动；

进行高周气动载荷加载时，来自高频气动载荷加载振动台的高周气动载荷经转接板传递至直线滑轨，直线滑轨将高周气动载荷经激振头传递至球铰连杆，球铰连杆将高周气动载荷经球铰接头和内夹具传递至榫接部位模拟试验件。

进一步地，所述装置还包括：位于自承力框架内部的电磁感应加热件，

电磁感应加热件悬吊在自承力框架的上端，用于模拟高温环境以给榫接部位模拟试验件施加温度场。

可选地，

榫接部位模拟试验件通过夹持底座夹紧固定在延伸支架上。

可选地，

延伸支架通过螺栓和自承力框架立柱螺接。

第二方面，提供一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验方法，用于第一方面任一所述的装置，所述方法包括：

通过高低周载荷解耦夹具完成低周离心力和高周气动载荷的联合加载且互不干涉影响。

其中，

进行低周离心力加载时，低频离心力加载作动筒产生的离心力经连接双耳由外夹具通过轴承传递至内夹具，内夹具通过连接螺栓将载荷传递至榫接部位模拟试验件。

其中，

进行高周气动载荷加载时，来自高频气动载荷加载振动台的高周气动载荷经转接板传递至直线滑轨，直线滑轨将高周气动载荷经激振头传递至球铰连杆，球铰连杆将高周气动载荷经球铰接头和内夹具传递至榫接部位模拟试验件。

该试验装置和方法可同时加载低周离心力载荷、高周气动载荷以及温度载荷，并实现高低周载荷解耦、联合加载和同步控制，可为开展发动机涡轮叶片榫接部位在接近真实的工作环境强度验证及疲劳特性研究提供平台。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置示意图；

图2是本发明实施例提供的试验装置低周离心力加载示意图；

图3是本发明实施例提供的试验装置高周气动载荷加载示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明方法流程图，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的一部分实施例，而不是全部实施例。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。

本发明实施例提供一种涡轮叶片榫接部位在高温环境下的高低周复合微动疲劳试验装置,其采用自承力框架，高低周载荷在框架内部传递，如图1所示，该装置包括：由自承力框架1和延伸支架7组成的自平衡承力件，以及位于自承力框架1内部的低频离心力加载作动筒2、高频气动载荷加载振动台3、高低周载荷解耦夹具4、电磁感应加热件5、榫接部位模拟试验件6，

其中，延伸支架7通过螺栓固定在自承力框架1上：延伸支架7通过螺栓和自承力框架1立柱进行螺接，延伸支架7是试验件、工装夹具安装固定框架，与高频气动载荷加载振动台3、低频离心力加载作动筒2、电磁感应加热件5共同实现多种载荷的施加。

低频离心力加载作动筒2通过法兰连接在自承力框架1上；

高频气动载荷加载振动台3底部通过螺栓固定在自承力框架1上；

电磁感应加热件5通过法兰悬吊在自承力框架1的上端，用于模拟高温环境以给榫接部位模拟试验件6施加温度场；

榫接部位模拟试验件6通过夹持底座8夹紧固定在延伸支架7上。

高低周载荷解耦夹具4与榫接部位模拟试验件6、高频气动载荷加载振动台3连接，实现低周离心力和高周气动载荷的联合加载且互不干涉影响。具体地，高低周载荷解耦夹具4与榫接部位模拟试验件6螺接。

本实施例中，自承力框架1的刚度要足够大，保证在离心力作用下自承力框架1立柱不发生移动，进而实现榫接部位模拟试验件6固支边界条件的模拟。

本实施例中，采用专用的高低周载荷解耦夹具4实现低周离心力和高周气动载荷的联合加载且互不干涉影响。

具体地，如图2和图3所示，高低周载荷解耦夹具4包括：外夹具10、内夹具11、轴承12、转接板14、直线滑轨15、激振头16、球铰连杆17、轴承座平板19。基于外夹具10和内夹具11连接处的轴承12与轴承座平板19、直线滑轨15与球铰连杆17实现了低周离心力和高周气动载荷的完全解耦。

外夹具10通过连接双耳9与低频离心力加载作动筒2连接，并通过两边轴承12与内夹具11连接，内夹具11通过连接螺栓13与榫接部位模拟试验件6连接。

转接板14通过螺栓连接在高频气动载荷加载振动台3的台面上，直线滑轨15通过螺栓固定在转接板14上，激振头16卡套在直线滑轨15上，球铰连杆17通过螺纹孔套在激振头16内，球铰连杆17与内夹具11通过球铰接头18连接，轴承座平板19位于延伸支架7的两边，轴承座平板19用于固定轴承12，限制固定轴承12沿垂直方向移动。

如图2所示，进行低周离心力加载时，采用内夹具11、外夹具10和轴承12实现离心力的传递。因外夹具10通过连接双耳9与低频离心力加载作动筒2连接，并通过两边轴承12与内夹具11连接，内夹具11通过连接螺栓与榫接部位模拟试验件6连接。低频离心力加载作动筒2产生的离心力经连接双耳9由外夹具10通过轴承12传递至内夹具11，然后内夹具11通过连接螺栓将载荷传递至榫接部位模拟试验件6。具体传力路径为：低频离心力加载作动筒2——连接双耳9——外夹具10——轴承12——内夹具11——榫接部位模拟试验件6。

如图3所示，进行高周气动载荷加载时，来自高频气动载荷加载振动台3的高周气动载荷经转接板14传递至直线滑轨15，直线滑轨15将高周气动载荷经激振头16传递至球铰连杆17，球铰连杆17将高周气动载荷经球铰接头18和内夹具11传递至榫接部位模拟试验件6。在内夹具11边缘设计球铰接头18并通过球铰连杆17和激振头16实现气动载荷的传递。将转接板14通过螺栓连接在高频气动载荷加载振动台3的台面上，将直线滑轨15通过螺栓固定在转接板14上。将激振头16卡套在直线滑轨15上，进而实现榫接部位模拟试验件6在离心力载荷作用下进行水平方向的自由移动，从而避免榫接部位模拟试验件6在水平方向发生变形而导致低周离心力与高周气动载荷发生干涉。将球铰连杆17通过螺纹孔套在激振头16内传递高周气动载荷。球铰连杆17与内夹具11通过球铰接头18连接，可以防止榫接部位模拟试验件6变形导致的附加载荷传递到高频气动载荷加载振动台3上。在延伸支架7的两边设计轴承座平板19，用于固定轴承12，限制其垂直方向移动，防止轴承在高周气动载荷作用下发生上下移动而引入倾斜力矩，发生非预期性破坏。具体传力路径为：高频气动载荷加载振动台3——转接板14——直线滑轨15——激振头16——球铰连杆17——球铰接头18——内夹具11——榫接部位模拟试验件6。

本发明另一实施例还提供一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置的装配方法，该过程如下：

a)将直线滑轨15通过转接板14固定在高频气动载荷加载振动台3的台面上，将球铰连杆17通过螺纹孔套在激振头16内，将球铰连杆17与球铰接头18连接，将球铰连杆17和球铰接头18和激振头16进行连接，激振头16卡套在直线滑轨15上；

b)将内夹具11和球铰接头18通过螺栓和球铰连接，然后将叶片榫接模拟件6固定在内夹具11上；

c)将内夹具11和外夹具10通过轴承12进行连接，外夹具10由左右两部分组成，分别将左右部分与内夹具11连接，然后将外夹具10的左右两部分通过螺栓连接；

d)将延伸支架7通过螺栓固定在自承力框架1上；

e)将叶片榫接模拟件6通过夹持底座8固定在延伸支架7上；

f)将外夹具10通过连接双耳9和低频离心力加载作动筒2进行连接，将低频离心力加载作动筒2通过法兰与自承力框架1连接。

装配好之后，对试验件和加载夹具机构进行几何对中检查，确保拉伸载荷沿着试验件中心轴施加，不会发生偏转现象。同时，对螺栓的拧紧力矩进行记录和标记，此后每次装配均使用相同的拧紧力矩。随后就可以进行叶片榫接部位高低周微动疲劳试验。

本发明实施例提供的一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置，可以解耦低周离心力与高周气动载荷，同时可以施加温度载荷模拟试验件工作环境，更接近发动机叶片榫接部位的真实服役工况与实际工作环境下的应力场分布，能对多种载荷进行联合解耦加载与同步协调控制；且采用自承力框架平衡高低周载荷，简单易实施，可以灵活移动和固定，对不同试验场地具有普遍适用性。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验装置，其特征在于，包括：由自承力框架和延伸支架组成的自平衡承力件，以及位于自承力框架内部的低频离心力加载作动筒、高频气动载荷加载振动台、高低周载荷解耦夹具、榫接部位模拟试验件，

低频离心力加载作动筒与自承力框架连接；高频气动载荷加载振动台底部固定在自承力框架上；榫接部位模拟试验件固定在延伸支架上；高低周载荷解耦夹具与榫接部位模拟试验件、高频气动载荷加载振动台连接，用于低周离心力和高周气动载荷的联合加载且互不干涉影响。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，高低周载荷解耦夹具包括：外夹具、内夹具和轴承，

外夹具通过连接双耳与低频离心力加载作动筒连接，并通过两边轴承与内夹具连接，内夹具通过连接螺栓与榫接部位模拟试验件连接；

进行低周离心力加载时，低频离心力加载作动筒产生的离心力经连接双耳由外夹具通过轴承传递至内夹具，内夹具通过连接螺栓将载荷传递至榫接部位模拟试验件。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，高低周载荷解耦夹具还包括：转接板、直线滑轨、激振头、球铰连杆和轴承座平板，

转接板位于高频气动载荷加载振动台的台面上，直线滑轨固定在转接板上，激振头卡套在直线滑轨上，球铰连杆通过螺纹孔套在激振头内，球铰连杆与内夹具通过球铰接头连接，轴承座平板位于延伸支架的两边；轴承座平板用于固定轴承，限制固定轴承沿垂直方向移动；

进行高周气动载荷加载时，来自高频气动载荷加载振动台的高周气动载荷经转接板传递至直线滑轨，直线滑轨将高周气动载荷经激振头传递至球铰连杆，球铰连杆将高周气动载荷经球铰接头和内夹具传递至榫接部位模拟试验件。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：位于自承力框架内部的电磁感应加热件，

电磁感应加热件悬吊在自承力框架的上端，用于模拟高温环境以给榫接部位模拟试验件施加温度场。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

榫接部位模拟试验件通过夹持底座夹紧固定在延伸支架上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

延伸支架通过螺栓和自承力框架立柱螺接。

7.一种涡轮叶片榫接部位高低周复合微动疲劳试验方法，其特征在于，用于权利要求1至6任一所述的装置，所述方法包括：

通过高低周载荷解耦夹具完成低周离心力和高周气动载荷的联合加载且互不干涉影响。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

进行低周离心力加载时，低频离心力加载作动筒产生的离心力经连接双耳由外夹具通过轴承传递至内夹具，内夹具通过连接螺栓将载荷传递至榫接部位模拟试验件。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

进行高周气动载荷加载时，来自高频气动载荷加载振动台的高周气动载荷经转接板传递至直线滑轨，直线滑轨将高周气动载荷经激振头传递至球铰连杆，球铰连杆将高周气动载荷经球铰接头和内夹具传递至榫接部位模拟试验件。