一種適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具

本發明涉及機械工程，具體涉及一種適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具。

背景技術：

1、渦輪軸作為航空發動機的關鍵轉動部件之一，工作在高溫、高壓、高轉速等的復雜環境下，在服役過程中承受高低周復合疲勞載荷，容易產生疲勞裂紋從而造成失效。因此在對渦輪軸進行疲勞壽命分析時，需要同時考慮多種不同方向載荷的耦合作用。由于軸的尺寸較大，一般無法對其直接夾持進行疲勞裂紋萌生、擴展等試驗，常用設計缺口模擬件的方法來模擬渦輪軸的真實受力情況。目前典型疲勞試驗機僅支持單方向加載，無法在施加低周大載荷的同時施加橫向高周載荷，并且缺口試件對應變較為敏感，固定結構的夾具往往為了使試件達到所需變形模式，需要對其部件尺寸利用有限元仿真等工具進行計算、反復迭代，整體流程耗時較長，并且復雜夾具的仿真計算結果與真實情況仍存在較大誤差，因此需要一種可以針對特定尺寸缺口試件進行雙軸無干涉加載，并保證長時間穩定工作的高低周復合疲勞試驗夾具。

2、現有技術中關于雙軸無干涉高低周復合疲勞夾具的有效設計還比較少。公開號為cn103076246a的中國發明專利申請公開一種雙軸高低循環復合疲勞試驗裝置，是針對板狀試樣的高低循環復合疲勞試驗系統設計，該系統夾具與試樣通過螺栓連接，激振實驗時螺栓有脫開的可能，無法采用感應線圈對試樣進行加熱，高低周載荷間仍然存在干涉，并且試樣中部應力狀態與真實葉片應力狀態有一定差別。

3、公開號為cn109470468a的中國發明專利申請公開了一種航空發動機渦輪榫接結構高低周復合疲勞試驗夾具，疲勞機通過夾具和連接桿夾持試驗件一端，另一端通過傳力拉桿與傳動軸連接。傳動軸裝有滾珠軸承，形成可沿導槽移動的滾輪結構，釋放高周載荷方向的約束。安裝盒頂端被疲勞機夾緊。疲勞機施加低周載荷，外接激振器和電感加熱銅線圈分別施加高周載荷和熱載荷。該技術方案當低周載荷較大時，軸承無法在導軌槽中滾動，從而無法傳遞高周載荷。

4、公開號為cn107421984a的中國發明專利申請公開了一種空心渦輪葉片疊加高周振動的熱機械疲勞試驗夾具，其通過承力臂與擺動臂實現高低周載荷的施加，并通過限幅板控制擺動臂擺動幅度從而調節高周載荷。該技術方案當擺動角度過大時，低周載荷所產生的轉矩過大，激振桿無法將擺動臂拉回，無法實現較大高周載荷下的疲勞試驗；且高周加載時擺動臂與限幅板不斷撞擊產生較大噪音，對限位板強度要求較高，存在安全隱患。

技術實現思路

1、鑒于上述問題，本發明提供了一種適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，解決了現有技術中如何適應不同高低周載荷要求的問題。

2、本發明提供了一種適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，包括：底座1、承力臂2、擺動臂3、限位螺釘4、套筒5、軸承6、上夾具7、上夾板8、下夾具9、下夾板10、調節螺栓11、彈簧座12、復位彈簧13、和彈簧柱14；

3、底座1兩側分別連接有承力臂2，承力臂2通過軸承6與擺動臂3連接，下夾具9兩側分別與擺動臂3連接；承力臂2的兩側分別固定有彈簧座12，擺動臂3兩側分別固定有彈簧柱14，擺動臂3一側固定的彈簧柱14上套設有復位彈簧13的一端，同側彈簧座12上固定的彈簧柱14上套設有復位彈簧13的另一端；下夾具9和下夾板10夾緊缺口試件15的一端，上夾具7與上夾板8夾緊缺口試件15的另一端；承力臂2上固定有限位螺釘4，能夠限制擺動臂3與承力臂2的相對轉動。

4、優選地，所述彈簧座12通過螺孔固定在承力臂2上；彈簧柱14的一端與彈簧座12的螺孔固定，彈簧柱14的另一端嵌入擺動臂3的凹槽。

5、優選地，所述承力臂2開有圓形通孔，所述圓形通孔內有軸承6，所述軸承6與擺動臂3之間設有套筒5，軸承6分別與擺動臂3和承力臂2連接；所述圓形通孔一側開有細槽，承力臂2在垂直于所述細槽方向開有通孔，垂直于細槽方向的通孔中設有調節螺栓11，調節螺栓11能夠調節軸承6的緊度。

6、優選地，下夾具9下端具有凸臺，所述凸臺在不同高度位置開有多個螺紋孔，用于連接激振桿；

7、上夾具7上端具有凸臺，底座1下端具有凸臺，疲勞機分別夾持上夾具7與底座1的凸臺。

8、優選地，軸承6的軸心延長線通過所述缺口試件15的考核段。

9、優選地，所述底座1兩側設有銷軸，銷軸末端有螺紋，承力臂2與底座1的銷軸對應位置開有通孔，底座1的銷軸穿過通孔，通過緊固螺栓使底座1與承力臂2連接。

10、優選地，所述擺動臂3設有六邊形孔，所述下夾具9兩側有六邊形柱，所述下夾具9的六邊形柱嵌入所述擺動臂3的六邊形孔中，與擺動臂3連接。

11、優選地，上夾具7、上夾板8、下夾具9和下夾板10均具有與試件相匹配的楔形面，下夾具9和下夾板10通過固定螺栓夾緊缺口試件15的一端，上夾具7與上夾板8通過固定螺栓夾緊缺口試件15的另一端。

12、優選地，復位彈簧13的勁度系數k滿足：

13、k＝p/2l

14、其中，p為低周載荷，l為缺口試件15的缺口與復位彈簧13的垂直距離。

15、優選地，在所述缺口試件15外設有加熱線圈。

16、與現有技術相比，本發明至少具有如下有益效果：

17、(1)本發明通過擺動臂與承力臂的相對轉動，能夠在施加低周大載荷的同時，將高周載荷施加在試件上，從而實現缺口試件的拉-彎復合疲勞狀態，有助于更真實地模擬實際工況下試件的受力情況，提高試驗結果的準確性和可靠性。

18、(2)本發明提供了多種機制來平衡有害轉矩與慣性，包括試件的彎曲應力、軸承的摩擦力、激振桿的拉力以及復位彈簧的彈力，從而保證缺口試件考核段達到規定應力狀態。本發明設置了復位彈簧，復位彈簧被偏轉的下夾具壓縮時產生的彈力可以使夾具回到穩定位置，從而達到規定工作狀態。

19、(3)本發明的楔形試件相比于平板試件更容易夾持，承載能力更高，能夠保證長時間試驗過程中夾具夾持的穩定性，同時不易因振動導致螺栓松動或試件脫落，且夾具在長時間試驗后不易磨損損壞，避免了有害應力集中，確保了試件的變形模式符合預期，減少了試件斷裂在非考核段的風險。

技術特征：

1.一種適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于，包括：底座(1)、承力臂(2)、擺動臂(3)、限位螺釘(4)、套筒(5)、軸承(6)、上夾具(7)、上夾板(8)、下夾具(9)、下夾板(10)、調節螺栓(11)、彈簧座(12)、復位彈簧(13)和彈簧柱(14)；

2.根據權利要求1所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

3.根據權利要求2所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

4.根據權利要求3所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

5.根據權利要求4所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

6.根據權利要求5所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

7.根據權利要求6所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

8.根據權利要求7所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

9.根據權利要求2-8中任一項所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

10.根據權利要求9所述的適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，其特征在于：

技術總結
本發明涉及機械工程技術領域，具體涉及一種適應缺口試件尺寸的自復位高低周復合疲勞試驗夾具，包括：底座、承力臂、擺動臂、限位螺釘、軸承、上夾具、上夾板、下夾具、下夾板、調節螺栓、彈簧座和彈簧柱；底座兩側分別連接有承力臂，承力臂通過軸承與擺動臂連接，下夾具兩側分別與擺動臂連接；承力臂通過彈簧座固定有彈簧柱，彈簧柱與擺動臂連接，彈簧柱具有復位彈簧；下夾具和下夾板夾緊缺口試件的一端，上夾具與上夾板夾緊缺口試件的另一端；承力臂上固定有限位螺釘，能夠限制擺動臂與承力臂的相對轉動，本發明的疲勞試驗夾具能夠適應不同高低周載荷要求，提高試驗結果的準確性和可靠性。

技術研發人員：董少靜,孫偉涵,李龍,王學民,王璽辰,申秀麗,朱劍琴
受保護的技術使用者：北京航空航天大學
技術研發日：
技術公布日：2024/12/23