一種用于燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗的一體式夾具及試驗方法與流程

本發明屬于航空發動機葉片試驗技術領域，涉及一種發動機燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗夾具及試驗方法。

背景技術：

發動機渦輪葉片所處的工作溫度最高，應力最復雜、是發動機上環境最為惡劣的部位，其葉片數量較多，形狀復雜，加工難度大，成品率較低，多采用高溫合金制造，葉片成本高，是發動機的核心零件之一。渦輪葉片疲勞性能的好壞，直接影響發動機的壽命和可靠性工作。發動機的渦輪葉片上樅樹形榫頭應用最為廣泛，燕尾形榫頭渦輪葉片(參見圖1)比較少見。為了評估燕尾形榫頭渦輪葉片的疲勞儲備，驗證其加工工藝的合理性，預測和驗證燕尾形榫頭渦輪葉片的使用壽命需開展了渦輪葉片疲勞試驗項目。由于國內是首次進行燕尾形榫頭渦輪葉片的疲勞強度試驗，缺少參考資料，通過檢索，也未發現國外有關文獻。

參照以往壓氣機葉片的燕尾形榫頭疲勞試驗夾具設計了鉗口式夾具和后頂式夾具，但由于渦輪葉片葉身厚度要遠大于壓氣機葉片，造成渦輪葉片榫頭尺寸與考核部位葉身相比相對較小(榫頭長18mm，厚度6.7mm)。在應用壓氣機葉片常用的兩種夾具進行試驗時，致使葉片榫頭喉部出現應力集中，葉片從榫頭喉部R處斷裂，未能考核到葉身，致使試驗失敗。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種用于燕尾形榫頭渦輪葉片疲勞試驗的一體式振動夾具及試驗方法，本發明設計合理，結構簡單，解決了在試驗過程中葉片從榫頭喉部R處斷裂的技術問題，通過本試驗裝置可以順利完成試驗，達成試驗的目標，減少試驗件的數量，提高生產效率，降低試驗成本。

為達到上述目的，本發明所述一種用于燕尾形榫頭渦輪葉片疲勞試驗的一體式振動夾具包括一體式夾具本體，所述一體式夾具本體一端設置有榫槽夾口，所述榫槽夾口開設有用于夾持燕尾形榫頭的榫槽，所述一體式夾具本體頂部設置有調節緊固螺栓。

所述一體式夾具本體榫槽上下采取薄壁拱橋彈性夾形式連接。

所述榫槽夾口與燕尾形榫頭渦輪葉片的喉部R處間隙配合。

所述調節緊固螺栓貫穿一體式夾具本體，并通過螺紋調節榫槽的大小。

還包括連接法蘭，所述連接法蘭和一體式夾具本體一體成型。

所述一體成型的一體式夾具本體通過和連接法蘭通過連接螺栓直接與振動臺臺面連接。

一種燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗的方法，其特征在于，該方法采用上述燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗一體式夾具，該方法包括以下步驟：

1)將一體式振動疲勞試驗夾具置于振動臺上，用夾具與連接螺栓將一體式夾具本體和連接法蘭與振動臺緊固連接；

2)按照試驗要求，隨機抽取燕尾形榫頭渦輪葉片進行試驗；

3)在燕尾形榫頭渦輪葉片的葉身上粘貼應變片，進行應力分布和葉尖振幅測量，粘貼應變片的位置應根據葉片應力分布特點確定；

4)將粘貼好應變片的燕尾形榫頭渦輪葉片裝入一體式夾具本體中；

5)逐步調節緊固螺栓，以測試出燕尾形榫頭渦輪葉片的最小夾緊力矩，用測得的最小夾緊力矩固持燕尾形榫頭渦輪葉片；

6)將燕尾形榫頭渦輪葉片上每片應變片的引線與用于測葉片應變的動靜態多通道應變儀的相應通道連接；再將動靜態多通道應變儀和激光位移傳感器與試驗控制臺(11)連接；

7)控制振動臺以加速度為1g載荷振動掃頻，以找到燕尾形榫頭渦輪葉片(7)的一階彎曲共振頻率；

8)逐級加載振動載荷進行測試，記錄不同振動載荷下動靜態多通道應變儀中各通道應變值及激光位移傳感器測得的葉尖振幅值，確定最大應力位置，以確定最大應力——葉尖振幅關系；

9)在規定的試驗載荷下，進行疲勞強度試驗；

10)記錄疲勞強度試驗結果，繼續完成疲勞強度試驗時，更換燕尾形榫頭渦輪葉片，重復步驟3)至8)即可。

與現有技術相比，本發明至少具有以下有益的技術效果，本發明通過采用一體式夾具本體，并在夾具本體中設置與燕尾形榫頭形狀匹配的榫槽，以及用于調節榫槽夾緊力的調節緊固螺栓，避免了葉片從榫頭喉部R處斷裂，可以順利完成試驗，達成試驗的目標，減少試驗件的數量，降低試驗成本。

進一步的，一體式夾具本體燕尾榫槽上下采取薄壁拱橋彈性夾形式連接，該結構兼具支撐剛性及變形彈性，消除附加彎矩，既保證一體式夾具有足夠的剛性，又可增加榫槽與葉片榫頭工作面的接觸面積，解決夾具加工差異與葉片配合的一致性問題。

進一步的，榫槽夾口與燕尾形榫頭渦輪葉片的喉部R處間隙配合，在保證足夠夾緊力的同時，有效降低夾具對燕尾形榫頭渦輪葉片的R處的表面接觸應力，消除有害附加應力。

進一步的，調節緊固螺栓貫穿一體式夾具本體，并通過螺紋調節榫槽的大小，保證每件燕尾形榫頭渦輪葉片的裝夾位置和施力點一致，同時保證使用中有較精確位置度和垂直度。

進一步的，還包括連接法蘭，連接法蘭和一體式夾具本體為鍛造一體成型結構，剛性好，能夠將振動臺的能量更直接、不失真的傳遞給燕尾形榫頭渦輪葉片，避免了焊接或螺栓連接造成的振動夾具頻響特性的失真。

進一步的，所述一體成型的一體式夾具本體通過和連接法蘭通過連接螺栓直接與振動臺臺面連接，有利于振動臺的能量不失真的傳遞給燕尾形榫頭渦輪葉片。

采用該夾具進行試驗，可準確得到葉片的疲勞強度，避免試驗夾具可能帶來的喉部表面接觸應力，消除有害附加應力，使燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗有了適用合理的疲勞試驗夾具，試驗的加載應力精度較高，且裝夾簡單、方便，為批產葉片制造工藝可行性、穩定性評定，提供技術數據支持，確保發動機的安全使用。

附圖說明

圖1為燕尾形榫頭渦輪葉片示意圖；

圖2為燕尾形榫頭渦輪葉片一體式振動疲勞試驗夾具示意圖；

圖3為夾具夾口處放大圖；

圖4為榫槽與葉片榫頭配合示意圖；

圖5為燕尾形榫頭渦輪葉片一體式振動疲勞試驗系統示意圖。

附圖中：1、連接法蘭；2、榫槽；3、一體式夾具本體；4、調節緊固螺栓；5、榫槽夾口；6、連接螺栓；7、燕尾形榫頭渦輪葉片；8、喉部R處；9、激光位移傳感器；10、振動臺；11、試驗控制臺、12、薄壁拱橋彈性夾式連接處。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

參照圖2、圖3和圖4，一種用于燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗的一體式夾具包括鍛造為一體的一體式夾具本體3和連接法蘭1，所述一體式夾具本體3一端設置有榫槽夾口5，所述榫槽夾口5開設有用于夾持燕尾形榫頭的榫槽2，所述一體式夾具本體3頂部設置有調節緊固螺栓4，調節緊固螺栓4貫穿一體式夾具本體3，并通過精密螺紋調節榫槽2的大小，保證每件燕尾形榫頭渦輪葉片的裝夾位置和施力點一致，同時保證使用中有較精確位置度和垂直度，一體式夾具本體3燕尾榫槽上下采取薄壁拱橋彈性夾形式連接，圖2中12所指處為薄壁拱橋彈性夾式連接處，該結構兼具支撐剛性及變形彈性，消除附加彎矩，既保證一體式夾具有足夠的剛性，又可增加榫槽2與葉片榫頭工作面的接觸面積，解決夾具加工差異與葉片配合的一致性問題。

榫槽夾口5外側面與垂直面的角度α為10°，徹底避讓開燕尾形榫頭渦輪葉片7的喉部R處8，在保證足夠夾緊力的同時，有效降低夾具對燕尾形榫頭渦輪葉片7的R處8的表面接觸應力，消除有害附加應力，避免了葉片從榫頭喉部R處(易斷裂部位)斷裂。

一體式夾具本體3和連接法蘭1通過連接螺栓6直接與振動臺10的臺面連接，有利于振動臺的能量不失真的傳遞給燕尾形榫頭渦輪葉片7。

參見圖5，一種燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗的方法，包括以下步驟：

1)將一體式振動疲勞試驗夾具置于振動臺10，用夾具與連接螺栓6將一體式夾具本體和連接法蘭1與振動臺10緊固連接；

2)按照試驗要求，隨機抽取燕尾形榫頭渦輪葉片7進行試驗；

3)在燕尾形榫頭渦輪葉片7的葉身上粘貼應變片，進行應力分布和葉尖振幅測量，粘貼應變片的位置應根據葉片應力分布特點確定；

4)將粘貼好應變片的燕尾形榫頭渦輪葉片7裝入一體式夾具本體3的榫槽2中；

5)逐步調節緊固螺栓4，以測試出燕尾形榫頭渦輪葉片7的最小夾緊力矩，用測得的最小夾緊力矩固持該葉片；

6)將燕尾形榫頭渦輪葉片7上每片應變片的引線與用于測葉片應變的動靜態多通道應變儀的相應通道連接；再將動靜態多通道應變儀和激光位移傳感器9與試驗控制臺11連接，試驗控制臺11用于接收并分析動靜態多通道應變儀和激光位移傳感器9傳遞的測量數據；

7)控制振動臺10以加速度為1g載荷振動掃頻，以找到燕尾形榫頭渦輪葉片7的一階彎曲共振頻率；

8)逐級加載振動載荷進行測試，記錄不同振動載荷下動靜態多通道應變儀中各通道應變值及激光位移傳感器9測得的葉尖振幅值，確定最大應力位置，以確定最大應力——葉尖振幅關系；

9)在規定的試驗載荷下，進行疲勞強度試驗；

10)利用試驗控制臺11記錄并分析疲勞強度試驗結果，繼續完成疲勞強度試驗時，更換燕尾形榫頭渦輪葉片7，重復步驟3)至8)即可。

用此試驗裝置和方法完成發動機燕尾形榫頭第2級渦輪葉片振動疲勞試驗，使燕尾形榫頭渦輪葉片疲勞強度考核有了適用合理的疲勞試驗夾具，通過反復試驗，從獲取的大量技術數據和試驗結果可以證明該試驗夾具可以真實、準確得到該葉片的疲勞強度，避免試驗夾具可能帶來的喉部表面接觸應力，消除有害附加應力，造成非考核部位過早出現裂紋或多元線源。具有試驗的應力加載精度較高，裝夾簡單、方便等優點，為批產葉片制造工藝可行性、穩定性評定提供技術數據支持，確保發動機的安全使用，為國內發動機燕尾形榫頭渦輪葉片振動疲勞試驗夾具設計創新提供了范例。