一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置

1.本发明属于材料疲劳试验技术领域，特别涉及超高周与低周复合的疲劳试验。


背景技术：

2.航空发动机、燃气轮机、汽车及火车的关键零部件经常在高温环境下承受复杂的多轴低周和超高周复合循环载荷，如叶片、叶盘、传动轴在高速旋转条件下长时间工作，属于超高周与低周疲劳耦合范畴，而目前商用低周疲劳试验机和超高周疲劳试验机仅能实现单一的低周疲劳试验或超高周疲劳试验，无法模拟零件在实际工况中承受复杂载荷状态，如叶片在旋转过程中不仅承受了一个变化离心力，且在高速状态下会受到高频的气振力的，在不同飞行条件下其温度场也是变化的。因为叶片是曲面，所受的载荷都是多轴载荷，所以关于材料在多轴低周载荷下叠加多轴超高周载荷的变幅热机械疲劳试验装置，目前尚缺乏与之对应的方案。


技术实现要素：

3.为了在实验室条件下实现实际复杂多轴热机械工况的模拟，本发明提供了一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，利用载荷叠加和共振原理，采用自适应装夹系统将多轴低周载荷加载系统和多轴超高周载荷加载系统复合的方案，既能实现超高周拉扭复合多轴载荷加载，又能在不破坏超高周加载系统振型的情况下施加多轴低周变幅热机械载荷。
4.本发明采用的技术方案是：包括多轴低周载荷加载系统、自适应装夹系统、中央控制系统、多轴超高周载荷加载系统、高温系统；所述的多轴低周载荷加载系统包括两个立柱、横梁、两个液压杆、上液压夹头、下液压夹头、底座，所述的两个立柱安装在底座上，横梁两端分别固定在两个立柱上，同时两个液压杆一端固定在底座上，一端支撑着横梁，以此调节横梁的高度，所述的上液压夹头安装在横梁中间，下液压夹头安装在底座中间；所述的自适应装夹系统包括上装夹组件和下装夹组件，上装夹组件包括上盖、三根相同的双头螺栓a、上压板a、下压板a；所述的三根相同的双头螺栓a一端安装上盖，另一端依次安装上压板a和下压板a；下装夹组件包括下盖、三根相同的双头螺栓b、上压板b、下压板b，除了双头螺栓b变短之外，其余零件和安装位置与上装夹组件一致；所述的多轴超高周载荷加载系统包括纵振换能器、上调幅器、变幅杆、试验件、下调幅器、信号发生器；所述的信号发生器与纵振换能器有线连接，所述的纵振换能器下端与上调幅器、变幅杆、试验件、下调幅器依次通过螺纹连接。所述的多轴超高周载荷加载系统可通过自适应装夹系统安装在多轴低周载荷加载系统中，多轴超高周载荷加载系统上端可通过上调幅器的定位耳板安装在上压板a和下压板a的定位槽中，同理，多轴超高周载荷加载系统下端可通过下调幅器的定位耳板安装在上压板b和下压板b的定位槽中；所述的高温系统包括磁感应加热线圈、红外测温仪、冷却装置；所述的磁感应加热线圈和冷却装置安装在试验件四周，红外测温仪对准试验件加热位置。
5.所述的两个液压杆可在中央控制系统的命令下控制横梁上下移动，继而带动上液压夹头提供轴向拉压载荷和安装空间。
6.所述的上液压夹头上端安装在横梁中间，轴向自由度为零，周向无约束，可360
°
扭转由液压伺服控制，可提供扭向载荷。
7.所述的上调幅器中间位置设计有一个位移为零的节点，且在节点处加工有定位耳板，方便定位与安装。
8.所述的下调幅器中间位置设计有一个位移为零的节点，且在节点处加工有定位耳板，方便定位与安装。
9.所述的上压板a(203)、下压板a(204)、上压板b(205)、下压板b(206)皆加工有定位槽和沉头孔，沉头孔的孔径较上调幅器和下调幅器最大直径大1mm，与上调幅器和下调幅器间歇配合，这样在装夹过程中可自动调整自身轴线与上、下液压夹头的轴线重合，保证同轴度，定位槽可方便上、下调幅器的定位与扭转载荷的加载，防止上、下调幅器周向位移。
10.所述的自适应装夹系统的所有组件可拆卸的安装在上液压夹头和下液压加头上。
11.所述的中央控制系统有线连接着磁感应线圈、红外测温仪、冷却装置、信号发生器、两个液压杆、上液压夹头、力传感器，与之形成了闭环控制系统，实时改变轴向载荷、周向载荷和温度载荷。
12.本发明的优点及功效：该装置能在多轴低周载荷加载系统上方便精确地安装多轴超高周载荷加载系统，实现超高周拉扭复合多轴载荷加载，且能在不破坏超高周加载系统振型的情况下施加多轴低周变幅热机械循环载荷。
附图说明
13.图1是本发明多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置较佳实施例的结构示意图；
14.图2是自适应装夹系统中的上装夹组件结构示意图。
15.图3是自适应装夹系统中的下装夹组件结构示意图。
16.图4是上压板a。
17.图5是上调幅器。
18.图6是超高周比例多轴载荷谱放大图。
19.图7是超高周比例多轴载荷谱、低周非比例多轴载荷谱和非等温的温度载荷谱同时施加案例。
20.图8是超高周比例多轴载荷谱、低周非比例多轴载荷谱和非等温的温度载荷谱叠加复合效果图。
22.图中标记：10-多轴低周载荷加载系统、20-自适应装夹系统、30-中央控制系统、40-多轴超高周载荷加载系统、50-高温系统、101-立柱、102-横梁、103-液压杆、104-上液压夹头、105-下液压夹头、106-底座、107-力传感器、201-上盖、202-双头螺栓a、203-上压板a、204-下压板a、205-上压板b、206-下压板b、207-双头螺栓b、208-下盖、401-换能器、402-上调幅器、403-变幅杆、404-试验件、405-下调幅器、406-信号发生器、501-磁感应加热线圈、502-红外测温仪、503-冷却装置。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
24.本发明多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置结构示意图如图1所示，包括多轴低周载荷加载系统(10)、自适应装夹系统(20)、中央控制系统(30)、多轴超高周载荷加载系统(40)、高温系统(50)；
25.所述的多轴低周载荷加载系统包括两个立柱(101)、横梁(102)、两个液压杆(103)、上液压夹头(104)、下液压夹头(105)、底座(106)、力传感器(107)；所述的两个立柱(101)安装在底座(106)上，横梁(102)两端分别固定在两个立柱(101)上，同时两个液压杆(103)一端固定在底座(106)上，一端支撑着横梁(102)，以此调节横梁(102)的高度；所述的上液压夹头(104)安装在横梁(102)中间，下液压夹头(105)安装在底座(106)中间位置，力传感器(107)安装在下液压夹头(105)与底座(106)之间；
26.进一步地，自适应装夹系统(20)可拆卸地安装在多轴低周载荷加载系统(10)上，所述的自适应装夹系统(20)包括上装夹组件(图2)和下装夹组件(图3)，上装夹组件(图2)包括上盖(201)、三根相同的双头螺栓a(202)、上压板a(203)、下压板a(204)；所述的三根相同的双头螺栓a(202)一端安装上盖(201)，另一端依次安装上压板a(203)和下压板a(204)；下装夹组件(图3)包括下盖(208)、三根相同的双头螺栓b(207)、上压板b(205)、下压板b(206)，除了双头螺栓b(207)变短之外，其余零件和安装位置与上装夹组件(图2)一致；所述的上装夹组件(图2)通过多轴低周载荷加载系统(10)中的上液压夹头(104)夹紧上盖(201)来实现安装，同理所述的下装夹组件(图3)通过下液压夹头(105)夹紧下盖(208)来实现安装；
27.进一步地，所述的多轴超高周载荷加载系统(40)包括纵振换能器(401)、上调幅器(402)、变幅杆(403)、试验件(404)、下调幅器(405)、信号发生器(406)；所述的信号发生器(406)与纵振换能器(401)有线连接，所述的纵振换能器下端(401)与上调幅器(402)、变幅杆(403)、试验件(404)、下调幅器(405)依次通过螺纹连接；
28.进一步地，组装完成的多轴超高周载荷加载系统(40)可通过自适应装夹系统(20)安装在多轴低周载荷加载系统(10)中，多轴超高周载荷加载系统(40)上端可通过上调幅器(402)的定位耳板安装在上压板a(203)和下压板a(204)的定位槽中，同理，多轴超高周载荷加载系统(40)下端可通过下调幅器(405)的定位耳板安装在上压板b(205)和下压板b(205)的定位槽中，至此完成多轴低周载荷加载系统(10)、自适应装夹系统(20)、多轴超高周载荷加载系统(40)的复合；
29.进一步地，所述的高温系统(50)包括磁感应加热线圈(501)、红外测温仪(502)、冷却装置(503)；所述的磁感应加热线圈(501)和冷却装置(503)安装在试验件(404)四周，红外测温仪(502)对准试验件(404)加热位置。
30.工作原理：
31.所述的上液压夹头(104)安装在横梁(102)中间，周向无约束，由液压伺服控制，可提供扭向载荷；所述的横梁(102)固定在伺服液压杆(103)上端，于是控制液压杆(103)既可控制上液压夹头(104)的轴向位移，提供轴向载荷；所述的多轴超高周载荷加载系统(40)中的上调幅器(402)和下调幅器(405)各设计有一个位移为零的装夹节点和定位耳板，在节点
位置施加外载荷时不会破坏原有的多轴振型；所述的自适应装夹系统(20)的所有组件可拆卸的安装在多轴低周载荷加载系统(10)上；所述的自适应装夹系统(20)中的上压板a(203)、下压板a(204)、上压板b(205)、下压板b(206)皆加工有定位槽和沉头孔，且沉头孔的孔径较上调幅器(402)和下调幅器(405)最大直径大1mm，安装多轴超高周载荷加载系统(40)时，用来间歇配合上调幅器(402)和下调幅器(405)上的圆柱面和定位耳板；所述的间歇配合允许多轴超高周载荷加载系统(40)在装夹过程中自由移动，保证其垂直度，消除上装夹组件(图2)和下装夹组件(图3)在加工过程中不可避免的同轴度误差；所述的中央控制系统(30)可实时控制磁感应线圈(501)的电流参数、冷却装置(503)的气体流速、信号发生器(406)的电信号、液压杆(103)的位移、上液压夹头(104)的扭转角度，并实时接收红外测温仪(502)的温度参数和力传感器(107)参数，互相形成闭环控制系统，实时改变轴向载荷、周向载荷和非等温的温度载荷。
32.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于，包括：低周多轴载荷加载系统(10)、自适应装夹系统(20)、中央控制系统(30)、多轴超高周载荷加载系统(40)、高温系统(50)；所述的多轴低周载荷加载系统(10)包括两个立柱(101)、横梁(102)、两个液压杆(103)、上液压夹头(104)、下液压夹头(105)、底座(106)、力传感器(107)；所述的两个立柱(101)安装在底座(106)上，横梁(102)两端分别固定在两个立柱(101)上，同时两个液压杆(103)一端固定在底座(106)上，一端支撑着横梁(102)，以此调节横梁(102)的高度；所述的上液压夹头(104)安装在横梁(102)中间，下液压夹头(105)安装在底座(106)中间位置，力传感器(107)安装在下液压夹头(105)与底座(106)之间；所述的自适应装夹系统(20)包括上装夹组件和下装夹组件，上装夹组件包括上盖(201)、三根相同的双头螺栓a(202)、上压板a(203)、下压板a(204)；所述的三根相同的双头螺栓a(202)一端安装上盖(201)，另一端依次安装上压板a(203)和下压板a(204)；下装夹组件包括下盖(208)、三根相同的双头螺栓b(207)、上压板b(205)、下压板b(206)，除双头螺栓b(207)变短之外，下盖(208)、上压板b(205)、下压板b(206)的安装位置与上装夹组件一致；所述的上装夹组件通过多轴低周载荷加载系统(10)中的上液压夹头(104)夹紧上盖(201)来实现安装，所述的下装夹组件通过下液压夹头(105)夹紧下盖(208)来实现安装；所述的多轴超高周载荷加载系统(40)包括纵振换能器(401)、上调幅器(402)、变幅杆(403)、试验件(404)、下调幅器(405)、信号发生器(406)；所述的信号发生器(406)与纵振换能器(401)有线连接，所述的纵振换能器(401)下端与上调幅器(402)、变幅杆(403)、试验件(404)、下调幅器(405)依次通过螺纹连接；所述的多轴超高周载荷加载系统(40)通过自适应装夹系统(20)安装在多轴低周载荷加载系统(10)中，多轴超高周载荷加载系统(40)上端可通过上调幅器(402)的定位耳板安装在上压板a(203)和下压板a(204)的定位槽中，多轴超高周载荷加载系统(40)下端通过下调幅器(405)的定位耳板安装在上压板b(205)和下压板b(205)的定位槽中；所述的高温系统(50)包括磁感应加热线圈(501)、红外测温仪(502)、冷却装置(503)；所述的磁感应加热线圈(501)和冷却装置(503)安装在试验件(404)四周，红外测温仪(502)对准试验件(404)加热位置；所述的中央控制系统(30)有线连接着磁感应线圈(501)、红外测温仪(502)、冷却装置(503)、信号发生器(406)、两个液压杆(103)、上液压夹头(104)。2.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的横梁(102)安装在伺服液压杆(103)顶端，同时安装在两个立柱上(101)可在伺服液压的控制下上下移动提供轴向拉压载荷和安装空间。3.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的上液压夹头(104)上端安装在横梁(102)中间，轴向自由度为零，周向无约束，由液压伺服控制提供扭向载荷。4.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的多轴超高周载荷加载系统(40)在不改变拉扭多轴振型的情况下，在上调幅器(402)和下调幅器(405)的中间位置设计了两个位移为零的节点和定位耳板，为安装提供了稳定的装夹位置。
5.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的自适应装夹系统(20)的所有组件可拆卸的安装在多轴低周载荷加载系统(10)上。6.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的自适应装夹系统(20)中的上压板a(203)、下压板a(204)、上压板b(205)、下压板b(206)皆加工有定位槽和沉头孔，且孔径较上调幅器(402)和下调幅器(405)最大直径大1mm。7.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置支持谐振频率为15khz～35khz的试验件(404)。8.根据权利要求1所述的一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，其特征在于：所述的中央控制系统(30)实时控制磁感应线圈(501)的电流参数、冷却装置(503)的气体流速、信号发生器(406)的电信号、液压杆(103)的位移、上液压夹头(104)的扭转角度，并实时接收红外测温仪(502)的温度参数和力传感器(107)参数，与之形成闭环控制系统，实时改变轴向载荷、周向载荷和非等温的温度载荷。

技术总结
本发明公开了一种多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验装置，属于材料疲劳试验技术领域。包括：多轴低周载荷加载系统、自适应装夹系统、中央控制系统、多轴超高周载荷加载系统、高温系统。试验件安装在多轴超高周载荷加载系统上，安装后的整体通过自适应装夹系统安装在多轴低周载荷加载系统上，该装置能在多轴超高周载荷基础上施加变幅的低周非比例多轴载荷，在其上安装高温系统可同时施加非等温的温度载荷，这样可模拟实际飞行过程中叶片的复杂工况。本发明能实现多轴超高周与多轴低周复合的变幅热机械疲劳试验。低周复合的变幅热机械疲劳试验。低周复合的变幅热机械疲劳试验。


技术研发人员：尚德广 陈超林 唐志强 韩兆云 李道航
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.12.25
技术公布日：2023/7/13