CN110530750A - 一种高温环境下磨损试验器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温环境下磨损试验器，包括电炉和振动试验装置，电炉为分半结构，组合包围在振动试验装置外部，振动试验装置包括振动台、支架和试验件夹具；通过本试验器，能够较为真实的模拟发动机涡轮叶片高温工作环境；能够模拟涡轮叶冠耐磨镶块碰撞、压紧磨损、线接触磨损和旋转刮磨四种工况下镶块的材料、表面粗糙度和压紧力与磨损量之间的关系，找到影响摩擦磨损最大的因素，并为设计、改进航空发动机涡轮叶冠机构提供试验数据支撑，并能模拟发动机涡轮叶片四种不同振动状态，及对应的磨损模式，试验最高温度可达1000℃。

Description

一种高温环境下磨损试验器
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，特别涉及一种高温环境下磨损试验器。
背景技术
航空发动机涡轮叶片叶冠设计有耐磨镶块，起减振作用。初次安装涡轮叶片时，相邻耐磨镶块为压紧状态。但随着磨损量增加，相邻镶块间压紧力减小，使得减振效果逐渐下降，进而丧失减振能力。失去减振作用的涡轮叶片将在振动应力较大位置发生断裂，对飞机安全造成重大威胁。因涡轮叶片工作在1000℃以上的高温燃气中，目前尚无有效试验方法进行逼近模拟。
发明内容
发明目的：为解决上述问题，本发明设计了一种高温环境下磨损试验器，该试验器可以作为一种高温环境下模拟发动机涡轮叶冠减振镶块微动磨损试验装置。
技术方案：本发明的一种高温环境下磨损试验器，包括电炉和振动试验装置，电炉为分半结构，组合包围在振动试验装置外部，振动试验装置包括振动台、支架和试验件夹具。
进一步的，支架安装在振动台上，支架包括左右支承、上安装底板、镶块支架和第一镶块，左右支承上固定设置安装底板，镶块支架固定安装在上安装底板上，第一镶块与镶块支架连接。其中，上述支架通过螺栓安装在振动台上，左右支承、上安装底板、镶块支架通过螺栓连接安装。另外，第一镶块与镶块支架通过钎焊固定连接。
进一步的，试验件夹具安装在振动台的振动端上，试验件夹具包括夹具底座、试验件安装架、试验件压紧块、试验件和第二镶块，其中夹具底座安装在振动台的振动端上，试验件安装架设在夹具底座上部，试验件压紧块通过螺栓固定试验件并设在试验件安装架上，试验件与第二镶块连接。
进一步的，夹具底座包括前后堵板和燕尾槽，试验件安装架还包括调节螺母和锁紧螺母，燕尾槽由前后堵板固定，试验件安装架安装在燕尾槽上，并通过调节螺母和锁紧螺母在燕尾槽移动和固定。
进一步的，第一镶块和第二镶块的摩擦面接触。当试验件12长度为 90-100mm，宽度13-15mm，厚度2-4mm时，本发明的两镶块接触最为充分，效果最佳。
进一步的，电炉上方对应第一镶块和第二镶块的位置设有垂直观察窗，该观察窗为石英玻璃。
有益技术效果：本发明能够较为真实的模拟发动机涡轮叶片高温工作环境；能够模拟涡轮叶冠耐磨镶块碰撞、压紧磨损、线接触磨损和旋转刮磨四种工况下镶块的材料、表面粗糙度和压紧力与磨损量之间的关系，找到影响摩擦磨损最大的因素，并为设计、改进航空发动机涡轮叶冠机构提供试验数据支撑。与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)采用悬臂梁振动原理模拟发动机涡轮叶片四种不同振动状态，及对应的磨损模式；
(2)采用电炉加热，模拟发动机涡轮叶冠高温工作环境。试验最高温度可达1000℃；
(3)试验件为简单矩形截面悬臂梁，便于有限元仿真计算。可进行试验、有限元仿真和解析解相互验证分析。
附图说明
图1是本发明的外观示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的振动试验装置结构示意图；
图4是本发明的振动试验装置结构分解图；
图5是本发明的试验件夹具结构示意图；
图6是本发明的试验件夹具结构分解图；
其中，1—电炉、2—振动试验装置、3—支架、4—试验件夹具、5—振动台、 6—垂直观察窗、7—左右支承、8—上安装底板、9—M8螺栓、10—镶块支架、 11—第一镶块、12—试验件、13—锁紧螺母、14—调节螺母、15—前后堵板、16 —夹具底座、17—试验件压紧块、18—试验件安装架、19—卡簧，20—第二镶块。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于帮助理解本发明的目的和构思。
本发明的试验器包括电炉1和振动试验装置2两个部件。所述电炉为常规电阻炉，分半设计，可产生1000℃高温环境。所述振动试验装置2包含振动台5、支架3和试验件夹具4三个部分。
所述电炉1上方设计有垂直观察窗6，观察窗设计有石英玻璃(隔热，透明可视内部的材料)。
所述支架3通过M8螺栓9安装在振动台5上，支架3包含左右支承7、上安装底板8、镶块支架10和镶块11。所述左右支架7通过M8螺栓9与振动台5 连接。所述上安装底板8通过M8螺栓9安装在左右支承7上。所述镶块支架10 通过M8螺栓9安装在上安装底板8上。所述第一镶块11钎焊在镶块支架10上，振动台可以通过振动模拟叶片振动的磨损运动。
所述试验件夹具4通过M8螺栓9安装在振动台5上。
所述试验件夹具4包含夹具底座16、前后堵板15、试验件安装架18、试验件压紧块17、调节螺母14、锁紧螺母13、试验件12和第二镶块20组成。其中前后堵板15和夹具底座16通过M8螺栓连接9，夹具底座16设计有燕尾槽，燕尾槽内安装同为燕尾结构的试验件安装架18。试验件安装架18通过转动调节螺母14实现在燕尾槽内滑动。调节螺母14通过卡簧19定位。试验件安装支架 18通过M6锁紧螺栓13实现在燕尾槽内固定。试验件12通过试验件压紧块17 和M8螺栓(9)定位和压紧，试验件安装架安装试验用的第二镶块，调节安装架的位置使第一镶块和第二镶块的摩擦面相连，第二镶块20钎焊在试验件12顶端。
本发明的另一个实施例如下。
一种高温环境下磨损试验器，所述试验件夹具4及镶块支架10材料为 GH2150，其余零件材料为一般不锈钢。
试验件基体12长度为95mm，宽度14mm，厚度3mm。基体材料为K465高温合金。试验件基体一端设计有耐磨镶块，镶块尺寸为6mm×3mm×2mm。镶块材料为K4208。镶块钎焊在试验件基体上且位置居中并与试验件基体一端平齐，镶块 6mm长度方向与试验件基体14mm宽度方向重合。
试验件夹具组装。按图5和图6所示夹具结构示意图组装夹具。
试验件夹持后伸出长度为80mm。
将组装完成的试验件夹具4，安装在振动台5上。按图3和图4安装支架3。其中支架3包含的镶块支架10上同样钎焊了与试验件尺寸相同的镶块，镶块位置居中。
调整试验件夹具4和支架3相对位置，使得试验件12上的镶块11与镶块支架10上的镶块11之间的摩擦面(图3)重合。
在试验件基体12两侧，距离夹持处10mm贴应变片，应变片方向与试验件基体长度方向平行，位置居中。
通过调节螺母14使得摩擦面间产生预压力。通过试验件在室温状态下有限元计算得知，当应变片测量的应力为652.7MPa、787.4MPa和877.8MPa时，镶块 11间产生的正压力为200N、300N和400N。
按图1和图2安装电炉并固定。
通过试验件12有限元计算，试验件在1000℃下一弯共振频率为259.2Hz 和1175.6Hz。一扭共振频率为2705.3Hz。对应到下表中碰撞频率为259.2Hz，压紧摩擦频率为1175.6Hz，旋转刮磨频率为2705.3Hz。将试验件夹具4与振动台5相对位置旋转0.5度，并将输入频率设置为1408.1Hz即可模拟下表中“线接触摩擦”试验。
通过电炉1上设计的观察窗6向下打入单个激光测点，检测镶块位置振动状态。以有限元共振频率计算结果为参考，寻找试验件的固有频率。试验点下表所示。
记录输入频率和温度状态下，正压力的衰减历程。每10小时暂停试验观察和记录摩擦面间表面磨损情况。当正压力衰减至原来60％时停止试验。
本发明还可研究耐磨镶块表面粗糙度、硬度、材料等影响摩擦面性能的因素与微动磨损之间的关系。

Claims (8)

1.一种高温环境下磨损试验器，其特征在于，包括电炉(1)和振动试验装置(2)，电炉(1)为分半结构，组合包围在振动试验装置(2)外部，振动试验装置(2)包括振动台(5)、支架(3)和试验件夹具(4)。
2.根据权利要求1所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的支架(3)安装在振动台(5)上，支架(3)包括左右支承(7)、上安装底板(8)、镶块支架(10)和第一镶块(11)，左右支承(7)上固定设置安装底板(8)，镶块支架(10)固定安装在上安装底板(8)上，第一镶块(11)与镶块支架(10)连接。其中，上述支架(3)通过螺栓安装在振动台(5)上，左右支承(7)、上安装底板(8)、镶块支架(10)通过螺栓连接安装。另外，第一镶块(11)与镶块支架(10)通过钎焊固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的试验件夹具(4)安装在振动台(5)的振动端上，试验件夹具(4)包括夹具底座(16)、试验件安装架(18)、试验件压紧块(17)、试验件(12)和第二镶块(13)，其中夹具底座(16)安装在振动台(5)的振动端上，试验件安装架(18)设在夹具底座(16)上部，试验件压紧块(17)通过螺栓固定试验件(12)并设在试验件安装架(18)上，试验件(12)与第二镶块(20)连接。
4.根据权利要求3所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的夹具底座(16)包括前后堵板(15)和燕尾槽，试验件安装架(18)还包括调节螺母(14)和锁紧螺母(13)，燕尾槽由前后堵板(15)固定，试验件安装架(18)安装在燕尾槽上，并通过调节螺母(14)和锁紧螺母(13)在燕尾槽移动和固定。
5.根据权利要求4所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的第一镶块(11)和第二镶块(20)的摩擦面接触。
6.根据权利要求5所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的试验件(12)长度为90到100mm，宽度13到15mm，厚度2到4mm。
7.根据权利要求1所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的电炉(1)上方对应第一镶块(11)和第二镶块(20)的位置设有垂直观察窗(6)。
8.根据权利要求1所述的一种高温环境下磨损试验器，其特征在于所述的垂直观察窗(6)由石英玻璃制成。
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