本發(fā)明屬于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可連續(xù)調(diào)節(jié)葉片考核截面應(yīng)力分布的高溫疲勞試驗(yàn)夾具及方法。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)非常重要的零部件之一，高溫疲勞故障是其主要失效模式，因此需要針對(duì)該類型葉片進(jìn)行高溫疲勞試驗(yàn)來(lái)確定其安全使用壽命。然而，渦輪葉片疲勞壽命試驗(yàn)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)葉片服役過(guò)程中所承受的機(jī)械載荷進(jìn)行模擬。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，通常采用拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行加載。疲勞試驗(yàn)機(jī)提供的拉伸載荷為集中力，在垂直于載荷的平面上只能產(chǎn)生均勻應(yīng)力場(chǎng)，因此需要調(diào)節(jié)葉片與加載主軸的夾角，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的偏心拉伸，將單軸的拉伸載荷分解出使渦輪葉片產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形的分量，進(jìn)而調(diào)整葉片考核截面的應(yīng)力分布。沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所研制的A714D氣冷渦輪葉片熱/機(jī)械復(fù)合疲勞試驗(yàn)器采用尼龍帶傳遞機(jī)械載荷，并實(shí)現(xiàn)葉片應(yīng)力場(chǎng)的模擬。由于尼龍耐高溫、抗拉強(qiáng)度等性能均差于鋼，而TM F試驗(yàn)裝置的環(huán)境溫度較高、承受的機(jī)械載荷較大，長(zhǎng)期試驗(yàn)會(huì)引起尼龍的磨損、老化、伸長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致該試驗(yàn)器的載荷控制精度較低。北航研制的一種空心氣冷渦輪葉片熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，采用墊片調(diào)節(jié)渦輪葉片與疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸的夾角，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的工作應(yīng)力場(chǎng)模擬。但每次調(diào)節(jié)時(shí)均需拆卸夾具，且調(diào)節(jié)量不連續(xù)，為墊片厚度的整數(shù)倍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可連續(xù)調(diào)節(jié)葉片考核截面應(yīng)力分布的高溫疲勞試驗(yàn)夾具及方法，它能連續(xù)改變?nèi)~片與拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸的夾角，實(shí)現(xiàn)了用單軸拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)渦輪葉片考核界面應(yīng)力分布的模擬，且能夠在拆卸后保持調(diào)節(jié)螺栓的緊固長(zhǎng)度恒定，避免重復(fù)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種可連續(xù)調(diào)節(jié)葉片考核截面應(yīng)力分布的高溫疲勞試驗(yàn)夾具，包括：下夾頭(1)、下叉子(4)、輪盤(pán)近似件(15)、前擋板(5)、后擋板(17)、葉片(6)、葉片組合夾具(7)、上叉子(9)、上夾頭(11)、2個(gè)長(zhǎng)銷釘(2、8)、2個(gè)短銷釘(12、19)、16個(gè)調(diào)節(jié)螺栓(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))、16個(gè)彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))、6個(gè)長(zhǎng)螺栓(16、14，其中16處兩個(gè)，14處有四個(gè))；其中，上夾頭(11)和下夾頭(1)分別固定于拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)的上、下夾具上；上叉子(9)、下叉子(4)通過(guò)一個(gè)短銷釘(12)和一個(gè)長(zhǎng)銷釘(2)與上夾頭、下夾頭連接；下叉子(4)通過(guò)另一個(gè)短銷釘(19)與輪盤(pán)近似件(15)連接；上叉子(9)通過(guò)另一個(gè)長(zhǎng)銷釘(8)與葉片組合夾具(7)連接；葉片組合夾具(7)為分半式臺(tái)階矩形板料結(jié)構(gòu)，葉片組合夾具內(nèi)孔(21)與葉片(6)的兩個(gè)型面緊密吻合，4個(gè)長(zhǎng)螺栓(14)將葉片組合夾具(7)與葉片(6)夾緊；葉片組合夾具(7)的沉頭孔(22)與葉片(6)的葉冠相配合，用于輔助傳遞機(jī)械載荷；葉片(6)的榫頭與輪盤(pán)近似件(15)的榫槽相配合，用于模擬葉片在輪盤(pán)上的安裝條件；輪盤(pán)近似件(15)在榫槽底部留有間隙，冷卻氣流通過(guò)前擋板(5)伸出的圓管流入榫槽底部，再?gòu)娜~片底部進(jìn)入葉片內(nèi)腔，進(jìn)行內(nèi)部冷卻；前擋板(5)和后擋板(17)通過(guò)另2個(gè)長(zhǎng)螺栓(16)固定在輪盤(pán)近似件(15)的兩側(cè)，防止葉片(6)承受機(jī)械載荷時(shí)滑出榫槽以及冷卻氣流的泄露；由一個(gè)長(zhǎng)銷釘(2)所連接的下夾頭(1)與下叉子(4)，另一個(gè)短銷釘(19)所連接的下叉子(4)與輪盤(pán)近似件(15)，另一個(gè)長(zhǎng)銷釘(8)所連接的葉片組合夾具(7)與上叉子(9)，一個(gè)短銷釘(12)所連接的上叉子(9)與上夾頭(11)共組成該試驗(yàn)夾具的四個(gè)關(guān)節(jié)，其中個(gè)長(zhǎng)銷釘(2)所連接的下夾頭(1)與下叉子(4)和一個(gè)短銷釘(12)所連接的上叉子(9)與上夾頭(11)為上、下兩個(gè)關(guān)節(jié)；另一個(gè)短銷釘(19)所連接的下叉子(4)與輪盤(pán)近似件(15)，另一個(gè)長(zhǎng)銷釘(8)所連接的葉片組合夾具(7)與上叉子(9)為中間兩個(gè)關(guān)節(jié)；在各個(gè)關(guān)節(jié)兩側(cè)均布有4個(gè)調(diào)節(jié)螺栓(3、18、13、10)，其中，每個(gè)調(diào)節(jié)螺栓的螺桿中均套有1個(gè)彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓的緊固長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)葉片(6)與試驗(yàn)機(jī)主軸夾角的連續(xù)調(diào)整。

所述試驗(yàn)夾具的材料為耐熱合金模具鋼，表面發(fā)藍(lán)處理。

一種可連續(xù)調(diào)節(jié)葉片考核截面應(yīng)力分布的高溫疲勞試驗(yàn)方法，步驟如下：

(1)按照前述安裝好試驗(yàn)夾具；

(2)分別調(diào)節(jié)上、下兩個(gè)關(guān)節(jié)兩側(cè)調(diào)節(jié)螺栓，使葉片(6)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；

(3)分別調(diào)節(jié)中間兩個(gè)關(guān)節(jié)兩側(cè)調(diào)節(jié)螺栓，使葉片(6)產(chǎn)生彎曲變形；

(4)按照試驗(yàn)載荷譜通過(guò)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)葉片(6)施加機(jī)械載荷；

(5)試驗(yàn)結(jié)束后，直接擰出葉片組合夾具(7)、前擋板(5)和后擋板(17)兩側(cè)的2個(gè)長(zhǎng)螺栓(16)，便可實(shí)現(xiàn)葉片(6)的拆卸；

(6)16個(gè)調(diào)節(jié)螺栓(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))中套有的16個(gè)彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))，將保持調(diào)節(jié)螺栓的緊固長(zhǎng)度不變，下次試驗(yàn)則無(wú)需再次調(diào)節(jié)應(yīng)力場(chǎng)。

本發(fā)明的原理：一種可連續(xù)調(diào)節(jié)葉片考核截面應(yīng)力分布的高溫疲勞試驗(yàn)夾具及方法，材料為耐熱合金模具鋼，表面發(fā)藍(lán)處理，包括：上夾頭、下夾頭、上叉子、下叉子、渦輪盤(pán)近似件、葉片組合夾具、前擋板、后擋板、2個(gè)長(zhǎng)銷釘、2個(gè)短銷釘、6個(gè)長(zhǎng)螺栓、16個(gè)調(diào)節(jié)螺栓、16個(gè)彈簧；其中，上、下夾頭分別固定于疲勞試驗(yàn)機(jī)的上、下夾具上；上、下叉子為設(shè)置有通孔的Y形連接器，通過(guò)短銷釘分別與上、下夾頭連接；渦輪盤(pán)近似件通過(guò)短銷釘與下叉子連接，并加工有榫槽與葉片榫齒進(jìn)行配合，由前、后擋板防止葉片承受機(jī)械載荷時(shí)滑出榫槽及冷卻氣流的泄露；前擋板伸出一截空心圓管，用于空心渦輪葉片冷卻氣體的通入；該葉片組合夾具為分半式臺(tái)階矩形板料結(jié)構(gòu)，并分別設(shè)有內(nèi)孔、沉頭孔、水冷孔和螺栓孔：其內(nèi)孔形狀與葉片型面保持一致，沉頭孔則與待測(cè)葉片的葉冠相配合，通過(guò)內(nèi)孔與葉片型面間的摩擦力和葉冠傳遞機(jī)械載荷；其水冷孔與水冷系統(tǒng)相連，用于冷卻葉片組合夾具；其四個(gè)螺栓孔用于長(zhǎng)螺栓壓緊分半組合夾具，為組合夾具的內(nèi)孔與葉片接觸表面提供足夠的法向載荷；由銷釘所連接的組件稱為關(guān)節(jié)，本試驗(yàn)夾具共有四個(gè)關(guān)節(jié)，通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)上的調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整葉片與疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸方向的夾角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)葉片的偏心拉伸，實(shí)現(xiàn)葉片考核界面工作應(yīng)力場(chǎng)的模擬。同時(shí)，調(diào)節(jié)后位于螺桿中的壓緊彈簧由于恢復(fù)力將保持螺栓的緊固長(zhǎng)度不變，進(jìn)而可重復(fù)拆卸而無(wú)需再次調(diào)節(jié)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用分半葉片組合夾具，通過(guò)夾具內(nèi)孔與葉片型面的摩擦和葉冠來(lái)傳遞機(jī)械載荷，實(shí)現(xiàn)高溫條件下的可靠加載；

(2)在試驗(yàn)夾具每個(gè)關(guān)節(jié)處，設(shè)置有調(diào)節(jié)螺栓，通過(guò)改變螺栓的緊固長(zhǎng)度，可連續(xù)地調(diào)整葉片與疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸的夾角，實(shí)現(xiàn)葉片考核截面工作應(yīng)力場(chǎng)的模擬；

(3)在調(diào)節(jié)螺栓中套入壓緊彈簧，通過(guò)彈簧的恢復(fù)力保持調(diào)節(jié)螺栓的緊固長(zhǎng)度不變，從而可實(shí)現(xiàn)重復(fù)拆卸而無(wú)需再次調(diào)節(jié)。

附圖說(shuō)明

圖1為葉片試驗(yàn)夾具裝配圖的正視圖；

圖2為葉片試驗(yàn)夾具裝配圖的左視圖；

圖3為葉片組合夾具的俯視圖；

圖4為葉片組合夾具的左視圖；

圖5為輪盤(pán)近似件正視圖；

圖6為輪盤(pán)近似件剖視圖；

圖7為葉片與疲勞試驗(yàn)機(jī)夾角調(diào)節(jié)示意圖；

圖中符號(hào)說(shuō)明如下：

1：下夾頭 12：短銷釘

2：長(zhǎng)銷釘 13：第三調(diào)節(jié)螺栓

3：第一調(diào)節(jié)螺栓 14：長(zhǎng)螺栓

4：下叉子 15：輪盤(pán)近似件

5：前擋板 16：長(zhǎng)螺栓

6：葉片 17：后擋板

7：葉片組合夾具 18：第四調(diào)節(jié)螺栓

8：長(zhǎng)銷釘 19：短銷釘

9：上叉子 20：壓緊彈簧

10：第二調(diào)節(jié)螺栓 21：葉片組合夾具內(nèi)孔

11：上夾頭 22：葉片組合夾具沉頭孔

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是一種可連續(xù)調(diào)節(jié)葉片考核截面應(yīng)力分布的高溫疲勞試驗(yàn)夾具，其具體實(shí)施方式如下：

高溫疲勞試驗(yàn)夾具如圖1、圖2所示，由下夾頭1、下叉子4、輪盤(pán)近似件15、前擋板5、后擋板17、葉片組合夾具7、上叉子9、上夾頭11、2個(gè)長(zhǎng)銷釘(2、8)、2個(gè)短銷釘(12、19)、16個(gè)調(diào)節(jié)螺栓(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))、16個(gè)彈簧(3、10、13、18，其中每處各四個(gè))、6個(gè)長(zhǎng)螺栓(5、14，其中5處兩個(gè)，14處有四個(gè))構(gòu)成。其中，上夾頭11和下夾頭1分別固定于拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)的上、下夾具上。為了便于機(jī)械載荷的可靠傳遞，葉片組合夾具7為分半式臺(tái)階矩形板料結(jié)構(gòu)，帶有內(nèi)孔21和沉頭孔22，如圖3、圖4所示。葉片組合夾具7的內(nèi)孔21與葉片6的兩個(gè)型面緊密吻合，四個(gè)長(zhǎng)螺栓14將葉片組合夾具7與葉片6夾緊。同時(shí)，葉片組合夾具7的沉頭孔22與葉片6的葉冠相配合，用于輔助傳遞機(jī)械載荷。葉片6的榫頭與輪盤(pán)近似件15(圖5、圖6)的榫槽相配合，用于模擬葉片在輪盤(pán)上的安裝條件。輪盤(pán)近似件15在榫槽底部留有間隙，冷卻氣流通過(guò)前擋板5伸出的圓管流入榫槽底部，再?gòu)娜~片底部進(jìn)入葉片內(nèi)腔，進(jìn)行內(nèi)部冷卻。前擋板5和后擋板17通過(guò)2個(gè)長(zhǎng)螺栓5固定在輪盤(pán)近似件15的兩側(cè)，防止葉片6承受機(jī)械載荷時(shí)滑出榫槽以及冷卻氣流的泄露。

拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械載荷經(jīng)下夾頭1、銷釘2、下叉子4、銷釘19后，傳遞到輪盤(pán)近似件15；輪盤(pán)近似件15的榫槽與葉片6的榫頭相配合，將機(jī)械載荷傳遞到葉片6上；葉片6與葉片組合夾具7的內(nèi)孔21緊密吻合，同時(shí)葉冠與葉片組合夾具7的沉頭孔22接觸，將機(jī)械載荷繼續(xù)向上傳遞；機(jī)械載荷經(jīng)銷釘8、上叉子9、銷釘12后傳遞至上夾頭11。

由長(zhǎng)銷釘2、長(zhǎng)銷釘8、短銷釘19、短銷釘12所連接的組件稱為關(guān)節(jié)，葉片高溫疲勞試驗(yàn)夾具共有4個(gè)關(guān)節(jié)：長(zhǎng)銷釘2所連接的下夾頭1與下叉子4、短銷釘19所連接的下叉子4與輪盤(pán)近似件15、長(zhǎng)銷釘8所連接的葉片組合夾具7與上叉子9、短銷釘12所連接的上叉子與上夾頭。

調(diào)節(jié)步驟如下：

(1)按照?qǐng)D1所示安裝好試驗(yàn)夾具，安裝時(shí)確保各關(guān)節(jié)處留有間隙；

(2)分別調(diào)節(jié)上、下兩個(gè)關(guān)節(jié)(銷釘2所連接的下夾頭1與下叉子4、銷釘12所連接的上叉子9與上夾頭11)兩側(cè)調(diào)節(jié)螺栓，使葉片6產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；

(3)分別調(diào)節(jié)中間兩個(gè)關(guān)節(jié)(銷釘19所連接的下叉子4與輪盤(pán)近似件15、銷釘8所連接的葉片組合夾具7與上叉子9)兩側(cè)調(diào)節(jié)螺栓，使葉片6產(chǎn)生彎曲變形；

(4)以長(zhǎng)銷釘8所連接的葉片組合夾具7與上叉子9為例，來(lái)描述關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)過(guò)程，如圖7所示。首先調(diào)節(jié)上叉子9兩側(cè)的第二調(diào)節(jié)螺栓10的緊固長(zhǎng)度，可以調(diào)整葉片6與疲勞試驗(yàn)機(jī)主軸的夾角，實(shí)現(xiàn)葉片6的扭轉(zhuǎn)變形；然后調(diào)節(jié)葉片組合夾具7兩側(cè)的第三調(diào)節(jié)螺栓13的緊固長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)葉片6的彎曲變形。調(diào)節(jié)所有關(guān)節(jié)后，可將單軸的拉伸載荷分解出使葉片6產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形的分量；

(5)結(jié)合上述方法，同時(shí)按照試驗(yàn)載荷譜調(diào)整疲勞試驗(yàn)機(jī)的拉伸載荷，可以實(shí)現(xiàn)渦輪葉片6考核截面工作應(yīng)力場(chǎng)的模擬；

(6)試驗(yàn)完成后，直接擰出葉片組合夾具7兩側(cè)的第三調(diào)節(jié)螺栓13以及葉片組合夾具7、前擋板5和后擋板17兩側(cè)的長(zhǎng)螺栓5、14，便能拆卸下葉片6。同時(shí)，由于壓緊彈簧20的恢復(fù)力將保持第三調(diào)節(jié)螺栓13的緊固長(zhǎng)度保持不變，從而針對(duì)同一試驗(yàn)條件可避免重復(fù)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。