CN209673347U - 一种振动加离心复合疲劳试验设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振动加离心复合疲劳试验设备，用于叶片疲劳测试，包括振动台、叶盘和驱动所述叶片的动力件；所述叶片嵌设在所述叶盘上，所述叶盘能够在所述动力件的驱动下带动所述叶片旋转，用以模拟所述叶片承受的离心载荷；所述叶盘通过轴承组件与所述振动台连接，以将振动力传递给所述叶片。本实用新型能够实现离心力载荷和高频振动载荷的复合，测试时更接近叶片的实际工况。

Description

一种振动加离心复合疲劳试验设备

技术领域

本实用新型涉及叶片疲劳测试领域，具体涉及一种振动加离心复合疲劳试验设备。

背景技术

叶片作为航空发动机的关键和重要部件之一，对于发动机的结构完整性和使用可靠性具有至关重要的作用，通常叶片的失效将会造成重大安全事故。因此，为保证叶片的使用安全，叶片加工完成后必须通过试验来模拟出其安全循环寿命。

申请公布号为CN 104062104A的实用新型专利公开了航空发动机压气机叶片疲劳循环试验装置，其包括离心力加载组件，用于模拟航空发动机叶片工作时所承受的离心力循环载荷，该试验装置还包括高频振动加载组件，用于模拟航空发动机压气机叶片工作时所承受的高频载荷。利用离心力低循环载荷和高频载荷试验，给出安全可信的预定安全循环寿命，避免了使用安全隐患。

但是上述叶片疲劳循环试验装置在测试的过程中，模拟离心力低循环载荷与模拟高频载荷是独立进行的。在实际工况中，叶片所承受的载荷比较复杂，不单单受垂直于旋转方向的气流冲击，同时由于叶片本身在高速旋转，因而会受到高速离心场的作用，因此需同时模拟高频振动载荷和高速离心力载荷。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种振动加离心复合疲劳试验设备，其能够实现叶片高速离心力载荷和高频振动载荷的复合，测试时更接近叶片的实际工况。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种振动加离心复合疲劳试验设备，用于叶片疲劳测试，包括振动台、叶盘和驱动所述叶片的动力件；所述叶片嵌设在所述叶盘上，所述叶盘能够在所述动力件的驱动下带动所述叶片旋转，用以模拟所述叶片承受的离心载荷；所述叶盘通过轴承组件与所述振动台连接，以将振动力传递给所述叶片。

进一步的，所述叶盘的尺寸较小。

进一步的，所述叶盘的旋转轴线沿竖直方向设置。

进一步的，所述叶盘的旋转轴线与所述振动台的振动轴线共线。

进一步的，所述动力件通过高速柔性联轴器与所述叶盘连接。

进一步的，所述振动加离心复合疲劳试验设备还包括龙门架，且所述动力件固定在所述龙门架上。

进一步的，所述轴承组件包括轴承座和高速轴承，所述轴承座通过所述高速轴承与所述叶盘转动连接，所述轴承座通过安装支架与所述振动台固定连接。

进一步的，所述振动台上盖设有防护罩，所述叶盘和所述叶片均设置在所述防护罩内部。

本实用新型的有益效果：

1、利用叶盘带动嵌设在其上的叶片高速转动，从而能够模拟出叶片工作时所承受的高速离心力载荷；利用设置在叶盘下方的振动台，能够模拟出在高频振动载荷的作用下叶片的工况；在叶盘和振动台共同的作用下，能够同时模拟出叶片高速旋转时承受的高频振动载荷和高速离心力载荷，从而使得叶片的测试环境更接近其真实的工况，能有效的测试叶片的疲劳寿命；

2、在模拟离心载荷作用下的工况时，利用动力件驱动叶盘以带动安装在叶盘上的叶片旋转，此种设置方式与叶片实际的工作环境更加接近；从而能够模拟出高速均布离心载荷，且不会产生附加刚度，提高了测试得到的叶片安全循环寿命的可信度，减少了存在的安全隐患；

3、利用轴承组件实现叶盘和振动台的连接，通过轴承组件和叶盘实现叶片高速旋转时振动台激振力的传递，并能够减小振动激振力的衰退；同时轴承组件能够减小叶盘高速旋转时的摩擦阻力。

附图说明

图1是本实用新型的整体示意图；

图2是本叶盘和轴承组件的整体示意图；

图3是叶盘和叶片安装示意图；

图4是二自由度系统的等效力学模型。

图中标号说明：1、振动台；11、防护罩；12、安装支架；2、叶盘；21、连接轴；3、叶片；4、轴承座；41、高速轴承；42、轴承端盖；43、锁紧螺母；44、隔套；5、龙门支架；51、动力件；52、高速柔性联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1所示，本实用新型一种振动加离心复合疲劳试验设备的一实施例，其用于叶片3的疲劳试验，包括振动台1和设置在振动台1上方的叶盘2。在测试的过程中，将全部的待测试叶片3均沿叶盘2周向固定安装，利用叶盘2的旋转带动固定在其上的叶片3沿叶盘2的轴向旋转。本实施例中直接将叶片3的榫头安装在叶盘2的榫槽中，并利用叶盘2带动叶片3旋转的测试环境更加接近真实的工况。现有技术中一般利用离心加载装置实现离心力的加载，但此时施加在叶片3上的离心力是恒定的力，相对于现有技术来讲，利用叶盘2带动叶片3旋转以施加给叶片3离心力，此时施加在叶片3上的离心力是动态的作用力，并能够均匀的分布在叶片3上。此外，现有技术中在利用离心加载装置实现离心力的加载时，此离心加载装置会附加在叶片上，因而会产生附加质量。当叶片3振动时，离心加载装置会对叶片3产生附加的刚度。因而利用叶片3安装于叶盘2上，通过叶盘2旋转带动叶片3旋转时所产生的离心载荷工况能够更加接近叶片3工作时的实际工况。

参照图1和图3，振动加离心复合疲劳试验设备还包括龙门架5和用于驱动叶盘2旋转的动力件51，动力件51固定在龙门架5上，本实施例中动力件51优选高速电机。叶盘2的轴线沿竖直方向设置，因而安装在叶盘2上的叶片3沿竖直方向旋转。进一步的，叶盘2的轴线和振动台1的轴线共线，因而能够减小附加力矩的产生，以减小了叶盘2安装时所产生的偏心力矩对离心力的影响。叶盘2的轴线沿竖直方向设置，突破了驱动电机水平高度的限制，同时动力件51固定在龙门架上，便于根据不同的试验需求将叶盘2与不同的振动台1固定。

参照图1，动力件51通过高速柔性联轴器52将转矩传递给叶盘2，高速柔性联轴器52本身可以吸收振动，其不仅能够传递较大的转矩，而且具有轴向的运动量，能够补偿轴向振动位移。并且将其应用在高速大功率的传动联接中，可使运动平稳可靠。动力件51通过高速柔性联轴器52带动叶盘2上的叶片3转动，以模拟出叶片3所承受的高速离心力载荷；同时设置在叶盘2下方的轴承组件和振动台，以模拟出叶片3高速旋转时所承受的高频振动载荷。因而利用此种方式能够模拟出叶片3在振动加离心的复合环境中的工况，使得模拟环境更加接近叶片3的真实工况。

参照图1和图2，叶盘2通过轴承组件与振动台1连接，振动台1通过轴承组件和叶盘2将振动力传递给叶片3，以模拟出在振动载荷作用下叶片3的工况；同时叶盘2通过旋转带动叶片3转动，以模拟出在离心载荷作用下叶片3的工况。因而利用振动台1和叶盘2的共同作用能够模拟出叶片3在振动加离心的复合环境中的工况，使得模拟环境更加接近叶片3的真实工况。本实施例中通过轴承组件减小振动力和离心力间的干涉，轴承组件既能够高速旋转，以减小叶盘2运动时的阻力，同时能够传递并且耐受振动。轴承组件包括轴承座4和高速轴承41，轴承座4的上端部和叶盘2固定连接，其下端部通过安装支架12与振动台1连接。利用安装支架12实现轴承座4和振动台1的连接，方便后期振动台1的更换和叶盘2位置的调整，以保证叶盘2的轴线和振动台1的轴线重合。通过安装支架12与振动台1连接，并将振动力传递给叶盘2和叶片3的连接方式，能够达到较高的固有频率和刚度，从而满足高频振动试验的需要。

参照图1和图2，高速轴承41包括内圈、外圈和滚动体，为了减小叶盘2和振动台1的运动干涉，叶盘2通过连接轴21与高速轴承41实现轴向振动的传递。高速轴承41设置在连接轴21和轴承座4之间，高速轴承41的内圈套设在连接轴21上，并与连接轴21固定连接。内圈的上端通过连接轴21的轴肩定位，内圈下端通过隔套44及端面锁紧螺母43定位，并提供预紧力。滚动体放置于内圈和外圈之间，外圈下端通过轴承端盖42定位，外圈上端通过轴承座4来定位，轴承端盖42通过螺钉固定于轴承座4上，以通过轴承座4来对高速轴承41进行径向定位。轴承座4通过螺钉与安装支架12固定，安装支架12固定安装于振动台1动圈台面上，通过此种结构方式可以将振动台1的垂向振动传递给高速旋转的叶盘2，从而传递给叶片3，实现叶片3振动加离心的复合试验。

参照图1和图4，为了保证系统的固有频率和传递的效率，叶盘2的尺寸可缩小。为了便于模型的建立和分析，将系统简化成二自由度振动系统，其中，叶盘2、连接轴21、高速轴承41的内圈简化为质量块m1,振动台1动圈、安装支架12、轴承座4、高速轴承41的外圈简化为质量块m2，且m2>>m1。其中，轴承的刚度简化成k1，振动台1的支撑刚度简化成k2，且k2<<k 1，其二自由度系统的等效力学模型如图4所示。

则二自由系统的运动微分方程为：

由于，振动台的支撑刚度k₂要远小于轴承的刚度k₁，相对于k₁可以设定k₂≈0。则式(1)可以简化为：

由方程(2)可求得系统的两个固有频率为：

ω₁＝3Hz(振动台的隔振频率)，

由于，m₂>>m₁，则相对于可以设定因此，系统的固有频率则

在轴承选定后，刚度k₁是确定的，因此可以通过改变叶盘的外形尺寸来减小m₁的质量，来提高系统的固有频率。

又根据离心力公式(3)：

F＝mω²r (3)

式中，m—叶片的质量；

r—叶片质心到叶盘旋转中心的距离；

ω—叶盘的旋转角速度；

F—叶片所受到的离心力。

由上述的二自由度系统的等效力学模型的分析可推知，在保证离心力不变的情况下，增大叶盘2的旋转速度ω能够减小叶片3质心到叶盘2旋转中心的距离r，从而可以减小叶盘2的半径，实现提高系统的固有频率。因此，采用离心力等效试验方法，在保证旋转速度在可控范围内，提高叶盘2的旋转速度，减小叶盘2半径，可以减小叶盘2的质量。因此，通过减小叶盘2半径来提高系统的固有频率，更有利于保证整个系统的可靠性及传递效率。本实施例中叶盘2的直径尺寸为150mm-300mm，在测试的过程中应根据叶片3的尺寸合理的确定叶盘2的尺寸。

参照图1，振动台1上盖设有防护罩11，且叶盘2和全部的叶片3均位于防护罩11的内部。防护罩11能够减小叶盘2和叶片3高速旋转时对操作者的安全隐患，其能够起到较好的安全防护的作用。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种振动加离心复合疲劳试验设备，用于叶片疲劳测试，其特征在于，包括振动台、叶盘和驱动所述叶片的动力件；所述叶片嵌设在所述叶盘上，所述叶盘能够在所述动力件的驱动下带动所述叶片旋转，用以模拟所述叶片承受的离心载荷；所述叶盘通过轴承组件与所述振动台连接，以将振动力传递给所述叶片。

2.如权利要求1所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述叶盘的直径为150mm-300mm。

3.如权利要求1所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述叶盘的旋转轴线沿竖直方向设置。

4.如权利要求3所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述叶盘的旋转轴线与所述振动台的振动轴线共线。

5.如权利要求1所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述动力件通过高速柔性联轴器与所述叶盘连接。

6.如权利要求1所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述振动加离心复合疲劳试验设备还包括龙门架，且所述动力件固定在所述龙门架上。

7.如权利要求6所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述轴承组件包括轴承座和高速轴承，所述轴承座通过所述高速轴承与所述叶盘转动连接，所述轴承座通过安装支架与所述振动台固定连接。

8.如权利要求1所述的振动加离心复合疲劳试验设备，其特征在于，所述振动台上盖设有防护罩，所述叶盘和所述叶片均设置在所述防护罩内部。