一种高低周复合疲劳试验高周振幅测量装置及方法

摘要

一种高低周复合疲劳试验高周振幅测量装置及方法，包括：第一低周载荷加力机构、第一传力销钉、传力主拉力板、第一压紧螺栓、叶片夹具、第一传力顶板、高频感应加温圈、第一滚动轴承、传力圆棒、第二传力顶板、涡轮盘、承力凸耳、第二滚动轴承、涡轮叶片、第二压紧螺栓、高周载荷传递板、第二低周载荷加力机构、第二传力销钉、激振器、针尖和长焦显微镜。本发明实现了即使在较高温度（200℃）下，仍能准确测量叶尖的振幅。

说明书

技术领域

本发明涉及榫接高低周复合疲劳试验领域，具体来说，是一种用于实验室高低周复合疲劳试验中叶尖振幅测量装置及方法。

背景技术

涡轮是航空发动机中核心部件之一，它的寿命很大程度上决定了发动机的寿命。其榫接部位工作环境十分苛刻，除了受到高温高压燃气的冲击，还承受离心力和热应力构成的低循环载荷，以及叶片受气动载荷而产生的高循环载荷。因此，榫接部位极易产生疲劳裂纹。

为对涡轮榫接结构进行准确定寿，需在实验室开展榫接高低周复合疲劳试验。为此，实验室提出了全尺寸涡轮榫接高温复合疲劳加载方案，由液压系统提供低周载荷，电磁激振器提供振动载荷。位移传感器一般只能测量物体在温度不高时下的振幅值，但是对于本试验中叶片温度在200℃左右，且被包在夹具内，此时用传统的位移传感器不能测量叶尖的振幅，为此亟需一种新方法去准确测量叶尖振幅。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提出了一种高低周复合疲劳试验高周振幅测量量装置及方法，实现了即使在较高温度（200℃）下，仍能准确测量叶尖的振幅。

本发明技术解决方案：一种高低周复合疲劳试验高周振幅测量装置，包括：第一低周载荷加力机构1、第一传力销钉2、传力主拉力板3、第一压紧螺栓4、叶片夹具5、第一传力顶板6、高频感应加温圈7、第一滚动轴承8、传力圆棒9、第二传力顶板10、涡轮盘11、承力凸耳12、第二滚动轴承13、涡轮叶片14、第二压紧螺栓15、高周载荷传递板16、第二低周载荷加力机构18、第二传力销钉19、激振器20；在试验过程中，第一低周载荷加力机构1通过第一传力销钉2与传力主拉力板3连接，然后通过传力圆棒9以及第二传力顶板10将力传给叶片夹具5，其中在叶片夹具承力凸耳12上安装滚动轴承13来减少力的消耗，此即是低周传力装置连接关系；激振器20通过激励高周载荷传递板16上的激振点17来模拟高周载荷，此即高周传力装置连接关系；针尖21在激振点17前缘4mm-6mm处安装，长焦显微镜22安装在针尖21前0.4m-0.6m处。

所述长焦显微镜22为分辨率为0.001mm，焦距为300mm。

高低周复合疲劳试验高周振幅测量方法，其实现步骤如下：

（1）在激振点17前缘4mm-6mm处安装一根针尖21；在针尖21前0.4m-0.6m处安装长焦显微镜22；

（2）通过ANSYS软件进行有限元计算，模拟涡轮叶片和涡轮盘以及夹具结构在试验状态下的位移场，确定针尖处的位移幅值和叶尖位移幅值的比值；

（3）在实验室进行高低周复合疲劳试验时，通过长焦显微镜观测针尖的位移幅值，然后通过换算，即获得叶尖处的振幅。

本发明与现有技术相比优点在于：

（1）本发明由于安装了针尖和长焦显微镜;实现了在试验温度下（200℃）叶尖振幅的测量，克服了位移传感器不能测量试验状态下叶尖的振幅。

（2）本发明的长焦显微镜分辨率达到0.001mm，放大倍数高，且通过数值模拟结果得到的换算比，即可获得叶尖振幅值，可改善高低周复合疲劳试验精度，且简单易于实现。

附图说明

图1为本发明测量装置整体结构主视图；

图2为本发明测量装置整体结构侧视图；

图3为涡轮盘和涡轮叶片及夹具结构在试验状态下的位移场。

具体实施方式

如图1、2所示，第一低周载荷加力机构1通过第一传力销钉2与传力主拉力板3连接，然后通过传力圆棒9以及第二传力顶板10将力传给叶片夹具5，其中在叶片夹具承力凸耳12上安装滚动轴承13来减少力的消耗，此即是低周传力装置连接关系。激振器20通过激励高周载荷传递板16上的激振点17来模拟高周载荷，此即高周传力装置连接关系。

在测量过程中，低周载荷通过第一低周载荷加力机构1、第二低周载荷加力机构18施加，通过传力主拉力板3以及传力圆棒9后移至轮盘11榫槽后方，然后用第一传力顶板6、第二传力顶板10从后方推至试验叶片夹具5上的承力凸耳12上。这样，在保证低周载荷很好传递的同时，使承力凸耳12上的滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦系数减少了两个数量级，变为要克服承力凸耳面上的滚动摩擦力，激振器20产生的振动载荷可以很容易地克服此力，在基本上不受损失的情况下顺利地传到轮盘11榫槽榫齿上。为进一步减少高周激振力的传递阻力，在承力凸耳12和传力圆棒9上均套加第一滚动轴承8和第二滚动轴承13，这样对激振器的功率要求可以大幅度下降。同时，此方案高周振动支点位于传力圆棒9处，此时在激振点17处施加振动则可使涡轮盘榫齿的振动应力的分布满足：在涡轮盘一齿的振动应力最大，二、三、四齿振动应力逐渐减小。

如图2所示，在激振点17前缘安装5mm长针尖21，在针前0.5m处安装长焦显微镜22（分辨率为0.001mm，焦距为300mm）。测量过程中通过激振器20模拟施加高周载荷，激励高周载荷传递板16振动，针尖21随之振动，长焦显微镜22精确读取针尖位移幅值。

如图3所示，采用ANSYS软件对涡轮盘和涡轮叶片以及夹具结构进行有限元分析，施加边界条件来模拟在试验过程中它们受到的载荷：①对盘心进行全约束，对夹具施加10T拉力，来模拟试验时的低周载荷；②在夹具前缘施加位移边界条件，其中振幅为8mm，频率为23.5Hz，来模拟高周载荷。最后可以获得整个结构的位移场，并确定针尖位移幅值和叶尖位移幅值的比值，通过分析结果可知，两者比值为2.26:1.

因此，在进行榫接高低周复合疲劳试验时，只要通过长焦显微镜观测针尖处振幅，然后通过针尖和叶尖位移幅值比，就可以获得叶尖振幅值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的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。