冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置

摘要

本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置，包括：动力提供模块，测量模块，可调角度冲击模块，夹持模块，热环境模块，弹丸回收模块，基础激励模块和台体模块；夹持模块设置于热环境模块内，用于夹持固定待测叶片试件；可调角度冲击模块用于发射弹丸冲击叶片试件；动力提供模块给可调角度冲击模块提供动力；弹丸回收模块置于热环境模块内并位于夹持模块后方以回收弹丸；热环境模块设于台体模块上，提供可调的高温测试环境；基础激励模块设置于台体模块上用于向夹持模块提供单自由度振动；测量模块用于测量振动大小、弹丸轨迹和冲击力。该装置逼真地模拟了复合材料叶片实际工作环境，给冲击实验提供了更加真实可靠的实验数据。

说明书

技术领域

本发明属于冲击动力学领域，涉及冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置。

背景技术

随着航空航天技术的高速进步与发展，对高性能航空航天材料的需求逐渐增多，长期以来，对飞行器等高速机械相关材料的研究往往注重材料的静态或低速特性，由此逐渐暴露出一些问题，并造成一些较为严重的后果。如最早出现在美国上个世纪末的多起飞机鸟撞事故。随着时间推移与全球航空交通的快速发展，该类事件愈发引起了相关学者的广泛关注，由此，冲击动力学理论开始迅速发展，而冲击动力学实验也随之发展起来。

冲击动力学实验旨在模拟各种环境下材料对高速冲击的响应性态，这就要求有一套相关的专业实验设备，目前应用较为广泛的实验设备大多为Hopkinson压杆，由该类实验装置为基础改进的装置无论是生产与使用都已很广泛，其中较为典型的改装如专利CN200810017503.4中对入射杆与透射杆头部的V形改进实现了对试件同时施加压缩与剪切冲击载荷；专利CN201420107552.8中的分离式霍普金森压杆则能够适应多种规格的试件。但上述两专利并未对试验环境做任何考虑，这往往与现实情形相差较大；

专利CN208537320U采用立式落锤结构完成冲击激励，并使用了一种基于光电开关控制的吸能垫来防止竖直冲击实验中二次冲击情形的发生，但该防冲击装置结构复杂，对相关部件性能要求严格，且成本较高。

专利CN201811044265.6采用了石英灯辐射加热源对全封闭热箱内的环境进行高温加载；专利CN201420374580.6则采用包覆有升温套管的霍普金森杆装置，两专利均旨在对发动机及燃气轮机内部结构恶劣的气动热环境进行模拟。上述两专利虽考虑了外界环境的温度部分的影响，却没有考虑机器工作过程中力学方面的影响，如在制造工艺或外部环境的影响下，运行过程中的轮机叶片会不可避免地产生振动，这应是冲击实验加以考虑的因素之一。

专利CN201710896598.0采用了轻气炮作为冲击动力源，利用机械结构可以对试样加载预设的轴向压力与预设的冲击力模拟了多种力学环境，但该专利对试件的热学环境未加以考虑，事实上，大多数汽轮机叶片等部件在工作状态时面临的气动热环境，会对材料的性能产生显著的影响。高温环境冲击有着其独特的力学特性，也应是冲击实验中不可或缺的因素之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置，以进行高温、振动条件下的叶片服役可靠性实验。

本发明提供一种冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置，包括：动力提供模块，测量模块，可调角度冲击模块，夹持模块，热环境模块，弹丸回收模块，基础激励模块和台体模块；

所述夹持模块设置于热环境模块内，用于夹持固定待测叶片试件；

所述可调角度冲击模块设置于台体模块上，用于发射弹丸冲击叶片试件；

所述动力提供模块用于给可调角度冲击模块提供动力发射弹丸；

所述弹丸回收模块置于热环境模块内并位于夹持模块后方用于回收弹丸；

所述热环境模块设置于台体模块上，用于提供可调的高温测试环境；

所述基础激励模块设置于台体模块上，用于向夹持模块提供单自由度振动；

所述测量模块用于测量振动大小、弹丸轨迹和冲击力。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述可调角度冲击模块包括：炮筒支座、轻气炮、红外线瞄准仪、滚珠丝杠机构、液压缸、伺服电机、炮管夹持件和炮筒固定座；

所述炮筒支座呈L型，由长固定板和短固定板连接构成，所述长固定板设置在台体模块上；轻气炮的炮筒尾部通过炮筒固定座设置在短固定板上可实现二自由度转动，轻气炮的炮管前端设置红外线瞄准仪，夹持件将炮管夹持固定并通过两个转动副与下方的液压缸的活塞杆相连，液压缸的底部与滚珠丝杠机构的螺母固接，伺服电机带动滚珠丝杠机构的丝杆旋转进而带动螺母和液压缸直线运动；轻气炮的炮筒末端设有进气口，轻气炮的炮管末端设有弹丸装填口。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述炮筒固定座一端通过推力轴承与短固定板连接，另一端面通过旋转副与轻气炮的炮筒尾部旋转连接。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述热环境模块包括：热箱、设于热箱内壁上的多个加热管和传感器反馈电路；所述热箱的顶端通过隔热上箱盖封闭，热箱前侧开设有弹丸冲击入口，弹丸冲击入口处覆有耐热透光软膜，箱体两侧壁设有耐热玻璃观察窗，热箱的后壁装有四个轴向运动传导套孔，套孔内壁设置多个滚珠，热箱底面为漏斗状斜面，底面中心设有开口并与回收管道连通，开口处设有电磁继电控制门。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述夹持模块包括中心设有通孔的振动台，在通孔周围均匀设置多个夹具底座，所述夹具底座通过设于四角的振动弹簧与振动台连接，所述夹具底座上设有用于固定叶片试件的夹具体，振动台上设有四根传导杆，传导杆从热箱后壁上的轴向运动传导套孔穿出后与设于热箱后侧的基础激励模块连接。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述弹丸回收模块包括支撑板、缓冲箱和设置于缓冲箱内的细沙，所述支撑板固定在热箱内位于夹持模块后方，所述缓冲箱固定在支撑板上，缓冲箱前侧开设弹丸接收口并覆有耐热软膜，缓冲箱上侧开有装沙口，下侧开有排沙门并以电磁继电器控制其开闭，所述支撑板四角也设有轴向运动传导套孔供传导杆穿出。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述基础激励模块包括：导轨滑块机构、振动弹簧、振动底座、齿轮箱、交流调速电机和联轴器；所述导轨滑块机构固定在台体模块上，振动底座与导轨滑块机构的滑块连接可沿导轨直线运动，所述齿轮箱设置于振动底座上，齿轮箱内设有两个相同的且相互啮合的齿轮，每个齿轮都通过齿轮轴和设于齿轮轴两端的轴承与齿轮箱转动连接，交流调速电机固定于振动底座上，通过联轴器与其中一个齿轮轴连接以带动两个相互啮合的齿轮旋转，在每个齿轮轴上都设有一个偏心块，且两个偏心块的运动相位相反。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述动力提供模块为可移动式一体化高压气瓶，通过软管与轻气炮筒尾部的进气口连接，以提供压缩气体。

在本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置中，所述测量模块包括：高速相机、激光测振仪和设置于弹丸内的力传感器。

本发明的种冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置，可同时实现了冲击激励、热激励、振动激励，较为逼真地模拟了复合材料叶片实际工作环境，给冲击实验提供了更加真实可靠的实验数据。

附图说明

图1为本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置的结构图；

图2为可调角度冲击模块的结构图；

图3为炮筒固定座与轻气炮安装示意图；

图4为夹持模块结构图；

图5为热箱内部剖面图；

图6为基础激励模块的结构图；

图中：1可调角度冲击模块；2夹持模块；3热环境模块；4弹丸回收模块；5基础激励模块；6台体模块；7炮筒支座；8轻气炮；9弹丸装填口；10红外线瞄准仪；11滚珠丝杠机构；12液压缸；13伺服电机；14炮管夹持件；15进气口；16炮筒固定座；17振动台；18夹具底座；19夹具体；20振动弹簧；21隔热上箱盖；22热箱；23支撑板；24耐热玻璃观察窗；25弹丸冲击入口；26缓冲沙箱；27电磁继电控制门；28回收管道；29通孔；30导轨滑块机构；31振动弹簧；32加热管；33振动底座；34传导杆；35齿轮箱；36滚动轴承；37偏心块；38交流电机；39联轴器；40齿轮；41传动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置包括：动力提供模块，测量模块，可调角度冲击模块1，夹持模块2，热环境模块3，弹丸回收模块4，基础激励模块5和台体模块6。所述夹持模块2设置于热环境模块3内，用于夹持固定待测叶片试件；所述可调角度冲击模块1设置于台体模块6上，用于发射弹丸冲击叶片试件；所述动力提供模块用于给可调角度冲击模块1提供动力发射弹丸；所述弹丸回收模块4置于热环境模块3内并位于夹持模块2的后方用于回收弹丸；所述热环境模块3设置于用于台体模块6上，提供可调的高温测试环境；所述基础激励模块5设置于台体模块6上用于向夹持模块2提供单自由度振动。所述测量模块用于测量振动大小、弹丸轨迹和冲击力。

如图2所示，所述可调角度冲击模块1包括：炮筒支座7、轻气炮8、红外线瞄准仪10、滚珠丝杠机构11、液压缸12、伺服电机13、炮管夹持件14和炮筒固定座16。所述炮筒支座7呈L型，由长固定板和短固定板连接构成，所述长固定板设置在台体模块6上；轻气炮8的炮筒尾部通过炮筒固定座16设置在短固定板上，如图3所示炮筒固定座16一端通过推力轴承161与短固定板连接，另一端面通过旋转副162与轻气炮8的炮筒尾部旋转连接，可实现二自由度转动。轻气炮8的炮管前端设置红外线瞄准仪10，炮管夹持件14将炮管夹持固定并通过两个转动副与下方的液压缸12的活塞杆相连，液压缸12的底部与滚珠丝杠机构11的螺母固接，伺服电机13带动滚珠丝杠机构11的丝杆旋转进而带动螺母和液压缸12直线运动，轻气炮8的炮筒末端设有进气口15，轻气炮8的炮管末端设有弹丸装填口9。

如图5所示，所述热环境模块3包括：热箱22、设于热箱内壁上的多个加热管32和传感器反馈电路，通过箱体内壁加热管32与外置传感器反馈电路实现箱内温度的控制。所述热箱22的顶端通过隔热上箱盖21封闭，热箱22前侧开设有弹丸冲击入口25，弹丸冲击入口25处覆有耐热透光软膜，保证红外线瞄准仪10对叶片试件冲击点的正确定位的同时减少弹丸入射后热箱22内外热量交换。箱体两侧壁设有耐热玻璃观察窗24，以供相关试验记录仪器进行试验记录。热箱的后壁装有四个轴向运动传导套孔，套孔内壁设置多个滚珠，热箱底面为漏斗状斜面，底面中心设有开口并与回收管道28连通，开口处设有电磁继电控制门27。

如图4所示，所述夹持模块2包括中心设有通孔29的振动台17，在通孔29周围均匀设置多个夹具底座18，所述夹具底座18通过设于四角的振动弹簧20与振动台17连接，实现叶片试件振动的响应。所述夹具底座18上设有用于固定叶片试件的夹具体19，振动台17上设有四根传导杆34，传导杆34从热箱后壁上的轴向运动传导套孔穿出后与设于热箱后侧的基础激励模块5连接。通过轴向运动传导套孔内壁的滚珠与传导杆34实现运动配合，减轻运动过程中的摩擦力。可通过改变夹具数量可实现叶片试件不同边界条件下的测试。

如图5所示，所述弹丸回收模4包括：支撑板23、缓冲箱26和设置于缓冲箱内的细沙。所述支撑板23固定在热箱22内且位于夹持模块后方，所述缓冲箱26固定在支撑板23上，所述缓冲箱26前侧开设弹丸接收口并覆有耐热软膜，缓冲箱26上侧开有装沙口，用以填沙，下侧开有排沙门并以电磁继电器控制其开闭，所述支撑板23四角也设有轴向运动传导套孔供传导杆34穿出，减轻运动过程中的摩擦力。弹丸击穿叶片试件与软膜进入沙箱，实现缓冲，经排沙门排出后再通过热箱底的漏斗状斜面滑落到电磁继电控制门27处，控制电磁继电控制门27打开后进入回收管道28。回收管道28呈螺旋状绕曲，固定于台体模块6的内部空腔中，回收管道28上口正对热箱底常闭电磁继电控制门27，下口到达空腔底面，空腔底面为斜面，导向台体模块6侧面开口，实现弹丸与细沙的回收再利用。

如图6所示，所述基础激励模块5包括：导轨滑块机构30、振动弹簧31、振动底座33、齿轮箱35、交流电机38和联轴器39。所述导轨滑块机构30固定在台体模块上，振动底座33与导轨滑块机构30的滑块连接可沿导轨直线运动，以降低激励运动过程中的滑动摩擦力，同时提高了基础激励模块5与热箱22的连接刚度。所述齿轮箱35设置于振动底座33上，齿轮箱25内设有两个相同的且相互啮合的齿轮40，每个齿轮40都通过对应的齿轮轴41和设于齿轮轴41两端的滚动轴承36与齿轮箱35转动连接，交流电机38固定于振动底座33上，通过联轴器39与其中一个齿轮轴41连接以带动两个相互啮合的齿轮40旋转，在每个齿轮轴41上都设有一个偏心块37，且两个偏心块37的运动相位相反，以实现基础激励模块5对叶片试件单一方向的振动激励。

具体实施时，所述动力提供模块为可移动式一体化高压气瓶，通过软管与轻气炮筒尾部的进气口连接，以提供压缩气体。所述测量模块包括：高速相机、激光测振仪和设置于弹丸内的力传感器。

利用本发明的冲击、振动、高温激励下复材叶片服役可靠性实验装置进行实验的过程如下：

步骤1：正确装配各实验装置后，选取叶片试件冲击位置与边界条件，通过夹具体将叶片试件固定到振动台上；

步骤2：通过液压缸和伺服电机调整轻气炮的炮管的姿态并固定，使红外线瞄准仪清晰地对准冲击位置；

步骤3：装填弹丸，连接轻气炮与气瓶；选择是否启动热箱温度控制与加载基础激励；布置高速相机和激光测振仪等实验记录仪器，做好其他准备工作；

步骤4：发射弹丸，开始实验数据的记录。具体记录过程如下：

以弹丸内的力传感器测量接触冲击力，用以研究阻抗；以高速摄像机观察叶片的位移和破坏形式；以激光测振仪测量叶片的位移或者速度，输出时域响应，进而可以得到频响函数以分析叶片各阶固有频率及阻尼比等系统参数；

步骤5：实验记录结束后，通过控制系统实现弹丸回收模中的弹丸与细沙等的回收与再利用。

步骤6：关闭各实验设备，分析实验数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。