CN110411722A - 一种结构静力与疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于静力与疲劳试验技术领域，特别涉及一种结构静力与疲劳试验装置。结构静力与疲劳试验装置，包括：柔性约束固定组件，用于对试验件进行固定；轴向载荷加载组件，用于沿竖直方向对试验件进行载荷加载；横向载荷加载组件，用于沿水平方向对试验件进行载荷加载。本申请的结构静力与疲劳试验装置，采用内力承载方式，将作为支撑和约束的承载结构设计为横向柔性、轴向刚性的结构，实现轴向载荷加载的同时，保证结构在横向上具有较大的柔度；另外，离心力的方向可以随着气动和离心力载荷增大而发生自适应的偏转，保证离心力加载方向的精度；进一步地，试验装置相比传统方式具有加载速度快、试验周期短、设备体积小、加载精度高等优点。

Description

一种结构静力与疲劳试验装置
技术领域
本申请属于静力与疲劳试验技术领域，特别涉及一种结构静力与疲劳试验装置。
背景技术
在结构静力疲劳试验中，经常会存在多种载荷施加到一个结构件的情况，尤其对于螺旋桨浆毂、桨叶、发动机叶片等结构承受的离心力与气动载荷。相同的问题在于，受结构静力与疲劳试验装置的限制，不能模拟叶片类结构随离心力和气动载荷的增大，叶片质心偏移产生的离心力方向自适应偏转。另外，离心力和气动载荷两种载荷的试验加载装置相互之间的干涉是影响气动载荷加载精度的重要因素。主要原因是离心力相对气动载荷较大，在施加气动载荷时会受到离心力载荷在气动载荷方向分量的影响，导致气动载荷误差较大，这也是在施加这类载荷时经常遇到的问题，通常的解决办法是采用柔性长钢丝绳施加离心力载荷，尽量减小离心力分量的影响。这种方式带来两个方面的弊端：a)由于使用柔性的长钢丝绳，作动器活塞杆行程变长，试验加载速度也明显降低，使得试验周期显著增加；b)由于长钢丝绳的存在，设备体积变得庞大。
发动机叶片尤其是涡轮叶片在工作过程中，离心力载荷、气动载荷和温度载荷是其主要载荷，在投入服役前均需要进行工作条件下的强度和寿命考核。现有的叶片载荷施加装置通常采用材料试验机，设计与叶片相连接的夹具等连接装置，这种装置的优点是结构简单，便于某一固定单一方向的载荷。
然而，由于叶片为异形结构，在工作过程中承受离心力载荷和气动载荷，以及温度载荷。在离心力载荷的作用下叶片可能会发生一定的自身扭转或弯曲，这就要求载荷施加时不能限制叶片在扭转和弯曲两方面产生的变形，否则会影响叶片的应力分布。而采用材料试验机进行离心力加载时，其弯曲和扭转会受到一定的限制，影响其加载精度。另一方面，由于不是专用的试验装置，存在只能施加离心力载荷，而不能施加模拟气动载荷的问题(将气动载荷进行忽略或修正到离心力载荷上)，这就不能完全模拟叶片的承载载荷，影响对叶片强度寿命性能的考核。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种结构静力与疲劳试验装置。
本申请公开了一种结构静力与疲劳试验装置，包括：
柔性约束固定组件，所述柔性约束固定组件用于对试验件进行固定；
轴向载荷加载组件，所述轴向载荷加载组件用于沿竖直方向对试验件进行载荷加载。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的结构静力与疲劳试验装置还包括：
横向载荷加载组件，所述横向载荷加载组件用于沿水平方向对试验件进行载荷加载。
根据本申请的至少一个实施方式，所述柔性约束固定组件包括：
承载底板，所述承载底板固定设置在试验平台上；
夹持底座，所述夹持底座固定设置在所述承载底板上，用于从底端对所述试验件进行夹持；
承载顶板，所述承载顶板通过多根沿竖直方向并列布置的柔性承载杆设置在所述试验件顶部，其中，所述柔性承载杆的底端固定设置在所述承载底板上表面，所述柔性承载杆的顶端与所述承载顶板连接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述柔性承载杆的底端通过挠性件固定设在所述承载底板上表面。
根据本申请的至少一个实施方式，所述承载顶板上开设有通孔，所述通孔内通过轴承挡圈设置有相适配的关节轴承，所述关节轴承内设置有相适配的转接段，所述转接段底部设置有安装孔，所述柔性承载杆的顶端伸入所述转接段的安装孔进行固定，其中
所述柔性承载杆的顶端设置有外螺纹，通过第一螺母将所述柔性承载杆的顶端与所述转接段的安装孔进行固定。
根据本申请的至少一个实施方式，所述承载顶板上开设有通孔，所述柔性承载杆的顶端设置有外螺纹，其穿过所述承载顶板的通孔后通过位于上下两侧的第二螺母进行固定。
根据本申请的至少一个实施方式，所述轴向载荷加载组件包括：
第一作动器，所述第一作动器固定设置在所述承载顶板上表面，其驱动轴沿轴线贯穿所述承载顶板；
夹持件，所述夹持件的顶部与所述第一作动器的驱动轴连接，并用于从顶端对所述试验件进行夹持；
第一力传感器，所述力传感器设置在所述第一作动器上，与所述第一作动器连接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述轴向载荷加载组件还包括：
推力轴承盖板，所述推力轴承盖板固定设置在所述作动器驱动轴的底端；
推力轴承支撑座，所述推力轴承支撑座通过多根沿竖直方向并列设置在第一螺栓固定设置在所述推力轴承盖板的底部，所述推力轴承支撑座上开设有通孔；
内连接件，所述内连接件通过推力调心滚子轴承设置在所述推力轴承支撑座上通孔位置处，所述内连接件底部开设有安装孔；
螺杆，所述螺杆的顶端固定设置在所述内连接件底部的安装孔内，所述螺杆的定端与所述夹持件的顶部固定连接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述螺杆的两端端部均设置有外螺纹。
根据本申请的至少一个实施方式，所述横向载荷加载组件包括：
第二力传感器，所述第二力传感器的一端与所述夹持件固定连接；
第二作动器，所述第二作动器的驱动轴与所述第二力传感器的另一端固定连接。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的结构静力与疲劳试验装置，采用内力承载方式，将作为支撑和约束的承载结构设计为横向柔性、轴向刚性的结构，实现轴向载荷加载的同时，保证结构在横向上具有较大的柔度；为了，离心力的方向可以随着气动和离心力载荷增大而发生自适应的偏转，保证离心力加载方向的精度，而传统方法只能在固定的一个加载方向；进一步地，试验装置相比传统方式具有加载速度快、试验周期短、设备体积小、加载精度高等优点。
附图说明
图1是本申请结构静力与疲劳试验装置的结构示意图；
图2是本申请一个实施例中图1中A-1部分放大示意图；
图3是本申请另一个实施例中图1中A-2部分放大示意图；
图4是图1中B-B剖视图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在结构静力疲劳试验中，经常会存在类似气动载荷相对离心力载荷较小产生的载荷干涉问题，传统的解决办法存在不能模拟叶片类结构随离心力和气动载荷的增大，叶片质心偏移产生的离心力方向自适应偏转。试验加载速度慢，试验周期长，以及设备体积庞大等缺点，需要改进此类试验装置。
另外，现有的叶片载荷施加通常采用材料试验机进行，只能施加单一固定方向载荷，即叶片离心力载荷，将气动载荷作为次要因素忽略或修正到离心力载荷。而气动载荷在叶片根部也会造成一定的损伤，会影响试验结果的精度。而且叶片也不能产生离心力方向的自适应偏转。
为此，本申请公开了一种结构静力与疲劳试验装置，下面结合附图1-图4对本申请的结构静力与疲劳试验装置进一步详细说明。
本申请公开的结构静力与疲劳试验装置，可以包括柔性约束固定组件以及轴向载荷加载组件。
柔性约束固定组件用于对试验件15进行固定；轴向载荷加载组件用于沿竖直方向对试验件15进行载荷加载。
进一步地，本申请的结构静力与疲劳试验装置还可以包括横向载荷加载组件；横向载荷加载组件用于沿水平方向对试验件15进行载荷加载。
具体地，如图1所示，柔性约束固定组件可以包括承载底板19、夹持底座17以及承载顶板7。
承载底板19通过螺栓固定设置在试验平台22上；夹持底座17通过第二螺栓18固定设置在承载底板19上，用于从底端对试验件15进行夹持。
承载顶板7通过多根沿竖直方向并列布置的柔性承载杆16设置在试验件15顶部；其中，柔性承载杆16的底端固定设置在承载底板19上表面，柔性承载杆16的顶端与承载顶板7连接。本实施例，优选柔性承载杆16的数量为3根，沿圆形的承载底板19的周向分布。
进一步地，优选柔性承载杆16的底端通过挠性件21固定设在承载底板19上表面。
进一步地，柔性承载杆16的顶端与承载顶板7连接可以为多种适合的方式。如图2所示，在一个实施例中，在承载顶板7上开设有通孔，通孔内通过轴承挡圈5设置有相适配的关节轴承4，关节轴承4内设置有相适配的转接段3，转接段3底部设置有安装孔，其中，柔性承载杆16的顶端伸入转接段3的安装孔进行固定；进一步，其中，在柔性承载杆16的顶端设置有外螺纹，通过第一螺母6将柔性承载杆16的顶端与转接段3的安装孔进行固定。
如图3所示，在另一个实施例中，在承载顶板7上开设有通孔，柔性承载杆16的顶端设置有外螺纹，其穿过承载顶板7的通孔后通过位于上下两侧的第二螺母20进行固定。
综上，本申请柔性约束固定组件的功能为：a)不仅能承担试验件15的轴向载荷(离心力载荷)，b)由于采用挠性件21和柔性承载杆16组成的柔性结构承载，其具有较小的弯曲刚度，当在承载顶板对试验件进行横向载荷(气动载荷)加载时，其由于较小的弯曲刚度，对横向载荷的影响将可以忽略，从而实现对离心力和气动载荷之间载荷干涉的大大削弱，使得相互影响控制在误差允许范围内。另外，离心力的方向可以随着气动和离心力载荷增大而发生自适应的偏转，保证加载方向的精度。
进一步地，本申请的结构静力与疲劳试验装置中，轴向载荷加载组件可以包括第一作动器2、夹持件14以及第一力传感器1。
第一作动器2，所述第一作动器2固定设置在承载顶板7上表面，其驱动轴沿轴线贯穿承载顶板7；夹持件14的顶部与第一作动器2的驱动轴连接，并用于从顶端对试验件15进行夹持；第一力传感器1设置在第一作动器2上，与第一作动器2连接，通过第一作动器2进行轴向载荷加载，而第一力传感器1反馈加载载荷值。
进一步地，轴向载荷加载组件还可以包括推力轴承盖板8、推力轴承支撑座12、内连接件10以及螺杆13。
推力轴承盖板8固定设置在作动器2驱动轴的底端；推力轴承支撑座12通过多根沿竖直方向并列设置在第一螺栓9固定设置在推力轴承盖板8的底部，推力轴承支撑座12上开设有通孔。
内连接件10通过推力调心滚子轴承11设置在推力轴承支撑座12上通孔位置处，内连接件10底部开设有安装孔；螺杆13的顶端固定设置在内连接件10底部的安装孔内，螺杆13的定端与夹持件14的顶部固定连接。其中，优选螺杆13的两端端部均设置有外螺纹，通过相适配的螺母与推力轴承支撑座12以及夹持件14固定。
其中，推力调心滚子轴承11允许试验件产生扭转，从而减小轴向载荷加载组件对试验件的自由扭转变形的影响，更好模拟试验件的受力状态。另外推力调心轴承11还可以在试验件受横向载荷产生弯曲变形时进行适量的调心转动，进一步减小轴向刚性连接对横向载荷的影响。
进一步地，本申请的结构静力与疲劳试验装置中，横向载荷加载组件可以包括第二作动器24以及第二力传感器23。
第二力传感器23的一端通过适配的螺杆与夹持件14固定连接；第二作动器24的驱动轴与第二力传感器23的另一端固定连接。
综上所述，本申请为结构静力与疲劳试验中的载荷干涉情况提供一种试验装置的解决方案，解决传统方法无法产生离心力自适应偏转，加载速度慢，周期长，设备庞大等问题。为螺旋桨、叶片类试验件的强度寿命考核试验提供一种载荷加载方案。
进一步地，为了让承载装置有较好的横向柔性(较大的横向柔度)，本试验采用了柔性承载杆和挠性件的组合结构，这就需要考虑柔性结构的压杆承载稳定性问题。在设计试验装置时，根据需要施加的轴向载荷值，设其为F，以压杆稳定性要求来确定。稳定性控制方法考虑2个方面：a)柔性承载杆稳定性；b)挠性件稳定性。
采用欧拉公式计算压杆临界载荷：
其中I为截面最小惯性矩，对于矩形截面：I＝ab3/12，对于圆形截面I＝πd4/64，l为挠性件或柔性杆的长度，a，b为挠性件的宽度和厚度，d为柔性杆的直径。本试验装置采用的支撑杆和挠性件都能不超过柔性承载杆或挠性件的临界载荷，取它们的最小值，由安全系数n确定，即F＝Fcr/n，n可取1.2～1.5。
以上，便可以通过公式(1)选取满足要求的挠性件的尺寸a、b和柔性杆的尺寸d。
综上所述，本申请为结构静力与疲劳试验中的载荷干涉情况提供一种试验装置的解决方案，解决传统方法无法产生离心力自适应偏转，加载速度慢，周期长，设备庞大等问题。为螺旋桨、叶片类试验件的强度寿命考核试验提供一种载荷加载方案。
进一步，本申请的结构静力与疲劳试验装置，采用内力承载方式，将作为支撑和约束的承载结构设计为横向柔性、轴向刚性的结构，实现轴向载荷加载的同时，保证结构在横向上具有较大的柔度；为了，离心力的方向可以随着气动和离心力载荷增大而发生自适应的偏转，保证离心力加载方向的精度，而传统方法只能在固定的一个加载方向；进一步地，试验装置相比传统方式具有加载速度快、试验周期短、设备体积小、加载精度高等优点。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，包括：
柔性约束固定组件，所述柔性约束固定组件用于对试验件(15)进行固定；
轴向载荷加载组件，所述轴向载荷加载组件用于沿竖直方向对试验件(15)进行载荷加载。
2.根据权利要求1所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，还包括：
横向载荷加载组件，所述横向载荷加载组件用于沿水平方向对试验件(15)进行载荷加载。
3.根据权利要求2所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述柔性约束固定组件包括：
承载底板(19)，所述承载底板(19)固定设置在试验平台(22)上；
夹持底座(17)，所述夹持底座(17)固定设置在所述承载底板(19)上，用于从底端对所述试验件(15)进行夹持；
承载顶板(7)，所述承载顶板(7)通过多根沿竖直方向并列布置的柔性承载杆(16)设置在所述试验件(15)顶部，其中，所述柔性承载杆(16)的底端固定设在所述承载底板(19)上表面，所述柔性承载杆(16)的顶端与所述承载顶板(7)连接。
4.根据权利要求3所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述柔性承载杆(16)的底端通过挠性件(21)固定设置在所述承载底板(19)上表面。
5.根据权利要求3所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述承载顶板(7)上开设有通孔，所述通孔内通过轴承挡圈(5)设置有相适配的关节轴承(4)，所述关节轴承(4)内设置有相适配的转接段(3)，所述转接段(3)底部设置有安装孔，所述柔性承载杆(16)的顶端伸入所述转接段(3)的安装孔进行固定，其中
所述柔性承载杆(16)的顶端设置有外螺纹，通过第一螺母(6)将所述柔性承载杆(16)的顶端与所述转接段(3)的安装孔进行固定。
6.根据权利要求3所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述承载顶板(7)上开设有通孔，所述柔性承载杆(16)的顶端设置有外螺纹，其穿过所述承载顶板(7)的通孔后通过位于上下两侧的第二螺母(20)进行固定。
7.根据权利要求3所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述轴向载荷加载组件包括：
第一作动器(2)，所述第一作动器(2)固定设置在所述承载顶板(7)上表面，其驱动轴沿轴线贯穿所述承载顶板(7)；
夹持件(14)，所述夹持件(14)的顶部与所述第一作动器(2)的驱动轴连接，并用于从顶端对所述试验件(15)进行夹持；
第一力传感器(1)，所述力传感器(1)设置在所述第一作动器(2)上，与所述第一作动器(2)连接。
8.根据权利要求7所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述轴向载荷加载组件还包括：
推力轴承盖板(8)，所述推力轴承盖板(8)固定设置在所述作动器(2)驱动轴的底端；
推力轴承支撑座(12)，所述推力轴承支撑座(12)通过多根沿竖直方向并列设置在第一螺栓(9)固定设置在所述推力轴承盖板(8)的底部，所述推力轴承支撑座(12)上开设有通孔；
内连接件(10)，所述内连接件(10)通过推力调心滚子轴承(11)设置在所述推力轴承支撑座(12)上通孔位置处，所述内连接件(10)底部开设有安装孔；
螺杆(13)，所述螺杆(13)的顶端固定设置在所述内连接件(10)底部的安装孔内，所述螺杆(13)的定端与所述夹持件(14)的顶部固定连接。
9.根据权利要求8所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述螺杆(13)的两端端部均设置有外螺纹。
10.根据权利要求7所述的结构静力与疲劳试验装置，其特征在于，所述横向载荷加载组件包括：
第二力传感器(23)，所述第二力传感器(23)的一端与所述夹持件(14)固定连接；
第二作动器(24)，所述第二作动器(24)的驱动轴与所述第二力传感器(23)的另一端固定连接。
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