CN117571289A - 叶片振动疲劳测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于叶片测试技术领域，公开了叶片振动疲劳测试装置及测试方法。包括：振动台用于对叶片提供激振力，叶片通过夹具安装于振动台上；加速度传感器用于采集振动台输出的振动加速度信号；磁感线圈设置于叶片的待加热区域，用于对叶片加热；非接触式温度传感器用于测量叶片的温度；应变片粘贴于叶片的最大应力点处，用于监测叶片的应力等级；位移传感器用于监测叶片的叶尖振幅；振动控制器与振动台、加速度传感器以及位移传感器电连接，振动控制器根据加速度传感器和位移传感器采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当叶片的共振频率下降预设值时，振动台停止振动。

Description

叶片振动疲劳测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及叶片测试技术领域，尤其涉及叶片振动疲劳测试装置及测试方法。

背景技术

叶片是发动机的关键部件，在周期性气流激振力作用下，因叶片共振导致的振动疲劳失效是叶片的主要失效形式，叶片疲劳试验是考核叶片强度的直接方法。

现有的叶片振动疲劳装置，通过钟罩炉对叶片进行加热，需要将固定叶片的夹具一起放入钟罩炉中加热，高温环境对夹具的力学传递特性提出非常高的要求，很多材料在常温和高温下表现出的力学特性差异很大，如在高温加热并恢复常温后(类似于淬火工艺)，材料微观晶体结构易发生明显变化，无法二次使用造成试验成本不受控；其次高温对系统连接部分的阻尼特性影响也不可忽视，实测表明在不同温度下连接部位的阻尼变化较大，阻尼的增大会导致信号幅值衰减，叶尖振幅采集信噪比降低。

另外，现有的叶片振动疲劳试验中，对叶片振动频率的追踪，都是在振动台振动一定次数(如一万次)后，对叶片重新进行一次扫频，在进行扫频后驻留频率，当叶片的固有频率下降了1％，视为出现了裂纹。该振动控制技术相对落后，无法实时监测叶片频率变化情况，故无法及时监控叶片的失效情况。

因此，亟需叶片振动疲劳测试装置及测试方法，以解决以上问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种叶片振动疲劳测试装置，能够单独对叶片进行均匀加热，避免高温加热对夹具造成影响，使夹具能够重复多次利用，同时削弱高温对系统连接部分的阻尼特性影响，有利于防止叶尖振幅采集信噪比降低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

叶片振动疲劳测试装置，包括：

振动台，用于对待测试的叶片提供激振力，所述叶片通过夹具安装于所述振动台上；

加速度传感器，用于采集所述振动台输出的振动加速度信号；

磁感线圈，所述磁感线圈设置于所述叶片的待加热区域，用于对所述叶片加热；

非接触式温度传感器，用于测量所述叶片的温度；

应变片，所述应变片粘贴于所述叶片的最大应力点处，用于监测所述叶片的应力等级；

位移传感器，用于监测所述叶片的叶尖振幅；

振动控制器，与所述振动台、所述加速度传感器以及所述位移传感器电连接，所述振动控制器根据所述加速度传感器和位移传感器采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当所述叶片的共振频率下降预设值时，所述振动台停止振动。

作为可选方案，所述叶片振动疲劳测试装置还包括：

导磁体，所述导磁体设置于所述叶片的叶尖，以增大所述叶片处的磁感强度。

作为可选方案，所述叶片振动疲劳测试装置还包括：

功率放大器，电连接于所述振动控制器和所述振动台之间，所述振动控制器发出的驱动信号经所述功率放大器放大后驱动所述振动台产生振动激励。

本发明的第二个目的在于提供一种叶片振动疲劳测试方法，能够实时监测叶片固有频率变化情况，并通过对叶片固有频率变化分析，及时监控叶片的失效情况，提高了叶片振动疲劳测试的精准度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

叶片振动疲劳测试方法，基于如上所述的叶片振动疲劳测试装置对所述叶片进行振动疲劳测试，包括如下步骤：

S1：利用所述夹具将所述叶片固定于所述振动台上；

S2：在所述叶片上安装所述磁感线圈，开启对所述叶片进行磁感加热，使所述叶片温度维持在预设温度；

S3：启动所述振动台对所述叶片施加振动激励，对所述叶片的共振频率进行实时监测，当所述叶片的共振频率下降预设值时，所述振动台停止振动；

S4：对所述叶片进行探伤，确定失效位置，以判断测试数据是否有效。

作为可选方案，在步骤S3中，在低振动量级时扫频获取所述叶片的共振频率，在共振频率上进行共振驻留试验，逐步增加振动量级以提高所述叶片的振幅，所述叶片的振幅达到初始应力等级对应振幅值80％时作为共振驻留试验开始时间，然后将所述叶片振幅逐渐增加到100％振幅。

作为可选方案，在步骤S3中，所述叶片的共振频率下降≥1％时停止测试。

作为可选方案，在步骤S4中，判断测试数据是否有效时，若失效位置在目标考核位置，则数据有效；若失效位置在非考核部位则数据无效；若所述叶片的共振频率下降＜1％且达到规定的振动循环数，测试后所述叶片探伤无异常则数据有效。

作为可选方案，在进行步骤S2前，对加工完成的所述磁感线圈进行温度标定试验，包括：

将所述磁感线圈安装于试验用的所述叶片上，在所述叶片上选取多个温度监测点，在所述温度监测点处设置接触式热电偶，通过所述接触式热电偶检测磁感加热时所述叶片上各温度监测点处的实际温度，并比对各温度监测点处的温度偏差，以判断所述磁感线圈对所述叶片加热的均匀性；

选取实际温度最高的所述温度监测点，通过所述非接触式温度传感器对温度最高的所述温度监测点进行温度监测，根据所述非接触式温度传感器和所述接触式热电偶的监测温差，调整所述非接触式温度传感器的红外发射率，确保所述接触式热电偶和所述非接触式温度传感器的监测温差控制在预设范围内。

作为可选方案，在进行步骤S1前，对所述夹具的夹紧力矩进行摸索试验，包括：

从待测试的所述叶片中任意选择多个所述叶片，测量所述叶片的一阶固有频率与安装夹紧力矩之间的关系，得到多个所述叶片的一阶固有频率趋于平稳时的安装夹紧力矩，取多个所述叶片的所述安装夹紧力矩的平均值，作为正式测试时所述夹具对所述叶片的安装力矩。

作为可选方案，在进行步骤S1前，进行应力振幅标定试验，包括：

进行特征扫频得到所述加速度传感器和所述位移传感器的传递关系，识别所述叶片的一阶共振频率，在所述一阶共振频率上进行所述叶片的共振驻留试验，使用所述位移传感器测量所述叶片的叶尖振幅，在固定的所述叶尖振幅下读取所述应变片测量的叶片应变值，获取一组所述叶片应变值与所述叶尖振幅的关系，通过增加所述叶尖振幅的方式获取三组以上数据，获得所述叶片应变值与所述叶尖振幅的相关系数，若所述相关系数不小于预设系数，则根据标定结果计算所述叶片在指定应力水平下的振幅，作为正式测试时的控制参数。

有益效果：

本发明提出的叶片振动疲劳测试装置，通过设置磁感线圈对叶片进行加热，加热速度较快，有效缩短测试时间。而且能够单独对叶片进行均匀加热，避免高温加热对夹具造成影响，使夹具能够重复多次利用，同时削弱高温对系统连接部分的阻尼特性影响，有利于防止叶尖振幅采集信噪比降低，从而提高测试精准度。并且，可有效避免对非接触式温度传感器、位移传感器及加速度传感器的电磁干扰。另外，通过位移传感器对叶片的叶尖振幅进行实时监测，并通过加速度传感器采集振动台输出的振动加速度信号，振动控制器根据加速度传感器和位移传感器采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当叶片的共振频率下降预设值时判断叶片已经出现损伤失效，振动台停止振动，疲劳测试停止。

本发明提出的叶片振动疲劳测试装置，通过磁感线圈取代钟罩炉对叶片进行加热，降低了振动台上承载的机构重量，有利于提升振动台出力，获取更高加速度激振，满足高加速度应用需求。再者，降低了振动台上承载的机构高度，有利于降低横向振动影响，优化振动传递效率和扫频幅值比，有利于更好地发现共振频率，改善共振频率失稳情况，满足更高频的叶片测试需求。

本发明提出的叶片振动疲劳测试装置，取代了传统的钟罩炉，叶片无遮挡，直接对叶片进行位移测量，解决了传统钟罩炉叶片位移测量时需透过石英玻璃，受散射、衰减问题影响严重，位移信噪比明显差等问题。再者，位移传感器安装布局不受限制，可任意调整角度，传统的钟罩炉加热时，只能通过狭小的石英玻璃观察窗口入射激光信号，安装角度位置比较受限。

本发明提出的叶片振动疲劳测试方法，能够实时监测叶片固有频率变化情况，并通过对叶片固有频率变化分析，及时监控叶片的失效情况，提高了叶片振动疲劳测试的精准度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的叶片振动疲劳测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的叶片截面及磁感线圈仿形示意图；

图3是本发明实施例提供的叶片振动疲劳测试方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的温度标定试验的流程图；

图5是本发明实施例提供的应力分布试验的流程图；

图6是本发明实施例提供的应力振幅标定试验的流程图；

图7是本发明实施例提供的升降法—升降图。

图中：

1、振动控制器；2、位移传感器；3、非接触式温度传感器；4、叶片；5、应变片；6、磁感线圈；7、加速度传感器；8、夹具；9、冷却盘；10、振动台；11、功率放大器；12、感应电源；13、动态信号采集系统；14、导磁体；

P、温度监测点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种叶片振动疲劳测试装置，用于对叶片4进行振动疲劳测试。具体地，叶片振动疲劳测试装置包括振动台10和夹具8，振动台10用于对待测试的叶片4提供激振力，叶片4通过夹具8安装于振动台10上。夹具8固定于振动台10上，并对叶片4进行夹持固定。夹具8采用现有技术中的常规结构即可，对其具体的结构和夹持方式在此不再详细赘述。

叶片振动疲劳测试装置还包括加速度传感器7、磁感线圈6、非接触式温度传感器3、应变片5、位移传感器2和振动控制器1，加速度传感器7用于采集振动台10输出的振动加速度信号；磁感线圈6设置于叶片4的待加热区域，用于对叶片4加热；非接触式温度传感器3用于测量叶片4的温度，具体可采用非接触式红外温度传感器；应变片5粘贴于叶片4的最大应力点处，用于监测叶片4的应力等级；位移传感器2用于监测叶片4的叶尖振幅，具体可采用非接触式激光位移传感器；振动控制器1与振动台10、加速度传感器7以及位移传感器2电连接，振动控制器1根据加速度传感器7和位移传感器2采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当叶片4的共振频率下降预设值时，振动台10停止振动。

叶片4加温采用超高频感应加热方式(≥20KHz)，能够单独对叶片4进行均匀加热，避免高温加热对夹具8造成影响，使夹具8能够重复多次利用，同时削弱高温对系统连接部分的阻尼特性影响，有利于防止叶尖振幅采集信噪比降低，从而提高测试精准度。并且，可有效避免对非接触式温度传感器3、位移传感器2及加速度传感器7的电磁干扰。另外，通过位移传感器2对叶片4的叶尖振幅进行实时监测，并通过加速度传感器7采集振动台10输出的振动加速度信号，振动控制器1根据加速度传感器7和位移传感器2采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当叶片4的共振频率下降预设值时判断叶片4已经出现损伤失效，振动台10停止振动，疲劳测试停止。

具体而言，如图1所示，磁感线圈6连接感应电源12，磁感线圈6通电后即开始对叶片4进行磁感加热。感应电源12、磁感线圈6、非接触式温度传感器3组成了闭环温度控制系统，有效监测和控制叶片4指定加热区域达到目标温度。定制多匝仿形的磁感线圈6环形绕制在被测叶片4指定加热区域，感应电源12可设置加温程序，并驱动磁感线圈6产生高频磁场对叶片4加热，非接触式温度传感器3监测叶片4的叶片温度，实时反馈给感应电源12，感应电源12内置的PID温度控制算法可实现闭环温度控制，按设置的速率实现温度上升、下降和保持。

如图2所示，磁感线圈6仿制叶片4的形状设计，绕制于叶片4表面，能够对叶片4进行均匀加热，尽可能使叶片4各处的温度保持一致。

当叶片4温度均匀度不佳时，可在温度较低的区域安装导磁体14，以增强磁场强度，从而提高区域温度。一般情况下，叶尖位置的厚度最薄，感应加温效果不及较厚处，本实施例中，在叶片4的叶尖处设置有导磁体14，以增大叶尖处的磁感强度，补偿叶尖处温度偏低的问题，确保叶片4加温的均匀性。具体地，导磁体14设置为U型，在叶尖处设置有两个。

进一步地，叶片振动疲劳测试装置还包括功率放大器11，功率放大器11电连接于振动控制器1和振动台10之间，振动控制器1发出的驱动信号经功率放大器11放大后驱动振动台10产生振动激励。

进一步地，叶片振动疲劳测试装置还包括动态信号采集系统13，动态信号采集系统13与应变片5电连接。

进一步地，叶片振动疲劳测试装置还包括冷却盘9，冷却盘9通过M10螺钉刚性固定在振动台10的动圈上，叶片4通过夹具8固定在冷却盘9上，冷却盘9用于隔绝感应加热时的热传递，防止叶片4上的高温热量对振动台10造成影响。

振动控制器1、振动台10、功率放大器11、加速度传感器7、位移传感器2组成了闭环振动试验控制系统。振动控制器1中可设置扫频或驻留振动测试条件，驱动信号经功率放大器11放大后驱动振动台10产生振动激励，加速度传感器7实时采集振动加速度信号并反馈给振动控制器1，与设定值比较后实施闭环振动控制。位移传感器2的红外信号垂直入射到叶尖指定位置，测量叶尖振幅，用于控制叶片4振动时达到指定的应力等级。

应变片5与动态信号采集系统13组成应力应变采集系统，应变片5粘贴在叶片4的最大应力点或等效位置处，此位置通过叶片4仿真结果指导应力分布试验获取，用于监测试验时叶片4的应力等级。

本实施例还提供一种叶片振动疲劳测试方法，基于如上所述的叶片振动疲劳测试装置对叶片4进行振动疲劳测试，包括如下步骤：

S1：利用夹具8将叶片4固定于振动台10上；

S2：在叶片4上安装磁感线圈6，开启对叶片4进行磁感加热，使叶片4温度维持在预设温度；

S3：启动振动台10对叶片4施加振动激励，对叶片4的共振频率进行实时监测，当叶片4的共振频率下降预设值时，振动台10停止振动；

S4：对叶片4进行探伤，确定失效位置，以判断测试数据是否有效。

该叶片振动疲劳测试方法能够实时监测叶片4固有频率变化情况，并通过对叶片4固有频率变化分析，及时监控叶片4的失效情况，提高了叶片4振动疲劳测试的精准度。

如图3所示，为叶片振动疲劳测试方法的完整步骤。

首先，需开展夹具8设计，夹具8设计完成后开展叶片4和夹具8的谐响应、模态、强度校核及应力分布仿真分析。对于不满足测试要求的夹具8重新开展设计优化及仿真分析，满足要求后夹具8投产加工。加工完毕应开展夹具8验证试验，一般通过扫频验证频响特性，验证结果与仿真结果差异较大者需分析排除设计或加工原因，重点关注夹持方式影响，验证满足测试要求后可转入下一步。

夹具8设计的同时，可开展磁感线圈6设计和仿真分析。为保证温度均匀度，试验前需开展磁感线圈6设计分析工作，根据叶片4模型确定线圈匝数、尺寸、间距及与叶片的安装距离等，上述影响感应加热加温均匀性的关键参数均可通过仿真分析得出，仿真满足要求后投产加工。

加工完毕的磁感线圈6需开展温度标定试验，主要目的包括验证磁感线圈6的加温均匀度以及标定非接触式温度传感器3。温度标定试验流程如图4所示，温度标定试验包括：将磁感线圈6安装于试验用叶片4上，在叶片4上选取多个温度监测点，在温度监测点处设置接触式热电偶，通过接触式热电偶检测磁感加热时叶片4上各温度监测点处的实际温度，并比对各温度监测点处的温度偏差，以判断磁感线圈6对叶片4加热的均匀性。

结合图2所示，在叶片4上设置P1-P5共五个温度监测点，选用接触式K型热电偶点焊在温度监测点，以监测感应加热时叶片4各处实际温度。

当叶片4的区域温度均匀度不佳时可尝试在该位置附近安装导磁体14，本实施例中在叶尖位置安装了两枚U型的导磁体14，增强叶尖处的磁场强度。该方法效果不佳时，需考虑开展进一步的磁感线圈6优化设计。非接触式温度传感器3采用非接触红外温度传感器，使用支架固定安装，非接触红外温度传感器的激光点应打在五个温度监测点中最高温度点附近，感应加热系统搭建完毕后在感应电源12前面板中设置温控程序，设置完毕即可实施标定工作。

选取实际温度最高的温度监测点，通过非接触式温度传感器3对温度最高的温度监测点进行温度监测，根据非接触式温度传感器3和接触式热电偶的监测温差，调整非接触式温度传感器3的红外发射率，确保接触式热电偶和非接触式温度传感器3的监测温差控制在预设范围内。确保接触式热电偶和非接触式温度传感器3的监测温差一般需控制在在±0.5℃范围内。

夹具8及磁感线圈6均满足试验要求后，开展叶片4初始状态检查。目视检查叶片是否存在明显缺陷，必要时开展叶片4质量、固有频率、残余应力、硬度检查或无损检测等，尽可能排除表面涂层及加工工艺的影响，及时剔除并补充新的叶片4。

测试台架搭建参考图1开展，即上述实施方式中的叶片振动疲劳测试装置的搭建，对涉及的振动闭环控制系统、闭环温度控制系统及应变采集系统进行调试，确保满足测试开始的条件。

下一步，对夹具8的夹紧力矩进行摸索试验：从待测试的叶片4中任意选择多个叶片4，测量叶片4的一阶固有频率与安装夹紧力矩之间的关系，得到多个叶片4的一阶固有频率趋于平稳时的安装夹紧力矩，取多个叶片4的安装夹紧力矩的平均值，作为正式测试时夹具8对叶片4的安装力矩。后期同批次叶片4均使用该力矩安装，保证试验结果的一致性。夹具8的夹紧力矩进行摸索试验一般选择3个叶片4即可。

下一步，开展应力分布试验。为获取叶片最佳应变贴片位置，为后续振幅应力标定提供准确输入，需开展应力分布试验，具体流程参考图5。采用仿真+实测结合的方式开展，首先，根据叶片4模型开展应力分布仿真(夹具8仿真阶段已完成)，根据仿真结果指导叶片4应变片5贴片。通过实测应变分布规律，并与仿真结果进行数据对比，存在异常时需排除仿真或贴片问题，并再次通过实测方式验证结果，获取准确的应力分布趋势，最终得到最佳贴片位置并完成应变片5贴片。

接下来，进行应力振幅标定试验，由于振动疲劳试验中应力等级较高，应变片5易损坏无法长时间工作，通过应力振幅标定试验获取叶片4应力与叶尖位移的关系，试验通过控制叶尖位移的方式开展，确保叶片4处于某应力等级下开展振动疲劳试验。

如图6所示，应力振幅标定试验流程如下：进行特征扫频得到加速度传感器7和位移传感器2的传递关系，识别最大幅值比对应的频率(即叶片4的一阶共振频率)，在一阶共振频率上进行叶片4的共振驻留试验，使用位移传感器2测量叶片4的叶尖振幅，在固定的叶尖振幅下读取应变片5测量的叶片应变值，默认常温和高温下应变值不变，已知叶片4材料高温下弹性模量可计算出高温下的应力值，获取一组叶片应变值与叶尖振幅的关系，为减少误差应有足够的应力标定级数，正常不低于三级，通过增加叶尖振幅的方式获取三组以上数据，获得叶片应变值与叶尖振幅的相关系数，若相关系数不小于预设系数，则根据标定结果计算叶片4在指定应力水平下的振幅，作为正式测试时的控制参数。

具体地，通过增加振幅的方式获取三组以上数据，用最小二乘法对测得的叶尖振幅和应力数据进行线性拟合，求出直线方程并进行相关性检验，相关系数应不小于0.95。相关系数较低的需排查叶片4及测试装置问题，重新开展标定试验。上述应力振幅标定可逐件应力标定或随机抽取不少于3件试样进行应力标定并取平均值，根据振幅应力标定结果(直线方程)，可计算叶片4试样在指定应力水平下的振幅，作为后续正式试验的控制参数开展试验。

下一步，开展首件试验。首件试验也称为应力摸底试验，目的是获取正式试验的初始应力等级。取三个叶片4开展首件振动疲劳试验，在指定应力水平下换算叶尖振幅，该振幅下叶片4经历给定的振动疲劳循环数未发生断裂失效则提升应力水平，若发生断裂失效则降低应力水平，应力调整比例低于指定应力水平的5％，分析测试结果可得到适宜的起始应力等级。

下一步，开展正式的测试。振动和温度控制均采用闭环控制方法，其中温度控制采用超高频感应加热，振动控制采用电磁振动测试系统激励，根据夹紧力矩摸索试验获取的安装力矩装夹待测的叶片4，设置加温程序等待叶片4到达预定温度后施加振动激励。

在低振动量级时扫频获取叶片4的共振频率，在共振频率上进行共振驻留试验，逐步增加振动量级以提高叶片4的振幅，叶片4的振幅达到初始应力等级对应振幅值80％时作为共振驻留试验开始时间，然后将叶片4振幅逐渐增加到100％振幅。其中，振动控制器1具有共振驻留及频率跟踪搜索技术，基于频谱相位实时跟踪控制技术，实现对试验中叶片4共振频率的变化实时监测。叶片4的共振频率下降≥1％时停止测试，试验人员可通过磁粉或荧光等无损检测手段进行叶片4探伤，确定叶片4失效位置。

判断测试数据是否有效时，若失效位置在目标考核位置，则数据有效；若失效位置在非考核部位则数据无效，在排除叶片4加工问题和夹具8夹持问题后可继续试验，问题未排除上述问题，试验应按中断处理；若叶片4的共振频率下降＜1％且达到规定的振动循环数，测试后叶片4探伤无异常则数据有效。

针对不同的试验目的，可选择不同的试验方法测定叶片S-N曲线和疲劳寿命，S-N曲线中的中短寿命区采用成组法，给定应力水平测定疲劳寿命；对长寿命区采用升降法，给定循环次数测定疲劳极限。高压涡轮叶片属于长寿命区一般选用升降法开展试验，根据上一个叶片4的试验结果(断裂或越出)，决定下一个叶片4的试验应力水平(降低或增加)，应力等级一般在3级～5级，相邻应力等级差值应不超过预计疲劳极限的5％，进行试验时，试件数量至少12(6对)以上。

所有叶片4完成试验后转入下一步数据处理：根据试验结果绘制闭合升降图可参考图7。将相邻应力水平的各数据点按一个破坏点“X”和一个越出点“O”配成一对，升降法数据处理配对后应保证达到闭合，遇到不闭合的情况，可舍弃几个数据点或继续补做试验。则中值疲劳极限按下述公式计算：

式中：

n—配对的对子总数；

m—配对对子的应力水平级数，为总盈利级数减1；

—相邻两级应力水平的平均值，即：/>单位为MPa；

v_i—具有相同相邻量级应力水平的对字数。

根据上述公式可计算出叶片4的中值疲劳强度极限，同时应给出统计结果对应的置信度、误差限度及变异系数，具体可参照相关统计方法开展，最后给出裂纹位置、照片及试验结论，并按要求编制最终试验报告。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.叶片振动疲劳测试装置，其特征在于，包括：

振动台(10)，用于对待测试的叶片(4)提供激振力，所述叶片(4)通过夹具(8)安装于所述振动台(10)上；

加速度传感器(7)，用于采集所述振动台(10)输出的振动加速度信号；

磁感线圈(6)，所述磁感线圈(6)设置于所述叶片(4)的待加热区域，用于对所述叶片(4)加热；

非接触式温度传感器(3)，用于测量所述叶片(4)的温度；

应变片(5)，所述应变片(5)粘贴于所述叶片(4)的最大应力点处，用于监测所述叶片(4)的应力等级；

位移传感器(2)，用于监测所述叶片(4)的叶尖振幅；

振动控制器(1)，与所述振动台(10)、所述加速度传感器(7)以及所述位移传感器(2)电连接，所述振动控制器(1)根据所述加速度传感器(7)和位移传感器(2)采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当所述叶片(4)的共振频率下降预设值时，所述振动台(10)停止振动。

2.根据权利要求1所述的叶片振动疲劳测试装置，其特征在于，所述叶片振动疲劳测试装置还包括：

导磁体(14)，所述导磁体(14)设置于所述叶片(4)的叶尖，以增大所述叶片(4)处的磁感强度。

3.根据权利要求1所述的叶片振动疲劳测试装置，其特征在于，所述叶片振动疲劳测试装置还包括：

功率放大器(11)，电连接于所述振动控制器(1)和所述振动台(10)之间，所述振动控制器(1)发出的驱动信号经所述功率放大器(11)放大后驱动所述振动台(10)产生振动激励。

4.叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，基于如权利要求1-3中任一项所述的叶片振动疲劳测试装置对所述叶片(4)进行振动疲劳测试，包括如下步骤：

S1：利用所述夹具(8)将所述叶片(4)固定于所述振动台(10)上；

S2：在所述叶片(4)上安装所述磁感线圈(6)，开启对所述叶片(4)进行磁感加热，使所述叶片(4)温度维持在预设温度；

S3：启动所述振动台(10)对所述叶片(4)施加振动激励，对所述叶片(4)的共振频率进行实时监测，当所述叶片(4)的共振频率下降预设值时，所述振动台(10)停止振动；

S4：对所述叶片(4)进行探伤，确定失效位置，以判断测试数据是否有效。

5.根据权利要求4所述的叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，在步骤S3中，在低振动量级时扫频获取所述叶片(4)的共振频率，在共振频率上进行共振驻留试验，逐步增加振动量级以提高所述叶片(4)的振幅，所述叶片(4)的振幅达到初始应力等级对应振幅值80％时作为共振驻留试验开始时间，然后将所述叶片(4)振幅逐渐增加到100％振幅。

6.根据权利要求4所述的叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，在步骤S3中，所述叶片(4)的共振频率下降≥1％时停止测试。

7.根据权利要求4所述的叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，在步骤S4中，判断测试数据是否有效时，若失效位置在目标考核位置，则数据有效；若失效位置在非考核部位则数据无效；若所述叶片(4)的共振频率下降＜1％且达到规定的振动循环数，测试后所述叶片(4)探伤无异常则数据有效。

8.根据权利要求4所述的叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，在进行步骤S2前，对加工完成的所述磁感线圈(6)进行温度标定试验，包括：

将所述磁感线圈(6)安装于试验用的所述叶片(4)上，在所述叶片(4)上选取多个温度监测点，在所述温度监测点处设置接触式热电偶，通过所述接触式热电偶检测磁感加热时所述叶片(4)上各温度监测点处的实际温度，并比对各温度监测点处的温度偏差，以判断所述磁感线圈(6)对所述叶片(4)加热的均匀性；

选取实际温度最高的所述温度监测点，通过所述非接触式温度传感器(3)对温度最高的所述温度监测点进行温度监测，根据所述非接触式温度传感器(3)和所述接触式热电偶的监测温差，调整所述非接触式温度传感器(3)的红外发射率，确保所述接触式热电偶和所述非接触式温度传感器(3)的监测温差控制在预设范围内。

9.根据权利要求4所述的叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，在进行步骤S1前，对所述夹具(8)的夹紧力矩进行摸索试验，包括：

从待测试的所述叶片(4)中任意选择多个所述叶片(4)，测量所述叶片(4)的一阶固有频率与安装夹紧力矩之间的关系，得到多个所述叶片(4)的一阶固有频率趋于平稳时的安装夹紧力矩，取多个所述叶片(4)的所述安装夹紧力矩的平均值，作为正式测试时所述夹具(8)对所述叶片(4)的安装力矩。

10.根据权利要求4所述的叶片振动疲劳测试方法，其特征在于，在进行步骤S1前，进行应力振幅标定试验，包括：

进行特征扫频得到所述加速度传感器(7)和所述位移传感器(2)的传递关系，识别所述叶片(4)的一阶共振频率，在所述一阶共振频率上进行所述叶片(4)的共振驻留试验，使用所述位移传感器(2)测量所述叶片(4)的叶尖振幅，在固定的所述叶尖振幅下读取所述应变片(5)测量的叶片应变值，获取一组所述叶片应变值与所述叶尖振幅的关系，通过增加所述叶尖振幅的方式获取三组以上数据，获得所述叶片应变值与所述叶尖振幅的相关系数，若所述相关系数不小于预设系数，则根据标定结果计算所述叶片(4)在指定应力水平下的振幅，作为正式测试时的控制参数。