CN112525739A - 一种高温随机疲劳试验装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温随机疲劳试验装置与方法，包括试验件夹具、石英灯加热阵列、振动激励模块等；石英灯加热阵列的两端安装在整体机架上，试验件夹具的底部安装在整体机架上，试验件的两端通过试验件夹具固定，若干振动激励模块安装在整体机架上；电气控制***用于石英灯加热阵列供电，石英灯加热阵列用于为验件加热，振动激励模块接受电气控制***控制，用于对试验件进行激振；冷却气体供给***用于对石英灯加热阵列进行空冷；冷却水供给***用于对整体机架、试验件夹具和振动激励模块进行水冷。本发明通过石英灯主动冷却技术，激励锤冷却技术、激励锤模块化组合技术，克服了目前超高温材料难以在复杂的高温温度场中进行复杂振动试验的难题。

Description

一种高温随机疲劳试验装置与方法
技术领域
本发明属于石英灯高温加热与机械随机疲劳与振动领域，具体涉及一种高温随机疲劳试验装置与方法。
背景技术
在航空发动机、燃气轮机等具有战略意义的大型工业热机，或汽车发动机等民用热机中，在燃料产生推动力的过程时，不可避免地形成高温环境。温度的升高会引起结构的材料属性发生变化和热变形现象，并且结构内外侧间的温差会引起热应力，继而导致结构外形、强度及刚度的改变，直接影响着结构的动态强度。温度变化导致结构振动特性改变的工程实例越来越多，对结构在高温环境中进行振动测试的需求越来越高，因此，设计一种伴随高温环境的振动试验装置对热机与高温材料的发展具有重要意义。
目前，针对结构件进行振动试验的装置一般是采用电磁或者液压驱动技术实施激励的振动台，结构件刚性固持在振动台台面上，榫头或榫齿的安装方式尽量使得结构件模拟在工作时的状态和受力形式。这类振动试验大多都是在常温环境中进行的，而没有***性的装置对结构件进行高温环境振动试验。一些高温环境的振动试验，只是在原本振动试验台周围增设加热装置。例如，现有报道的对涡轮叶片进行高温疲劳试验，通常采用的加热方式为电炉加热法，该方法仅能完成叶片温度在600℃以下的振动疲劳试验，试验温度远远低于航空发动机涡轮叶片的实际工作温度。而采用电感应加热方式对结构件加热的方法，仅能完成900℃以下的振动试验。这些试验无法实时监测结构件周围的环境温度，需要在振动停止状态下进行温度检测，振动过程中的温度无法保证精确性。且温度大小无法调控，只能事先设定温度，待到设定值开始振动试验。此外，由于加热装置与振动装置相独立，试验控制过程相对比较复杂，试验难度增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中难以实现极端高温(>1000℃时)振动装置与材料随机振动加载的不足，提供了一种高温随机疲劳试验装置与方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种高温随机疲劳试验装置，包括整体机架、试验件夹具、石英灯加热阵列、振动激励模块、试验件、电气控制***、冷却气体供给***和冷却水供给***；其中，
石英灯加热阵列的两端安装在整体机架上，试验件夹具的底部安装在整体机架上，试验件的两端通过试验件夹具固定，使得试验件位于石英灯加热阵列中间，若干振动激励模块安装在整体机架上；
电气控制***用于石英灯加热阵列供电，石英灯加热阵列用于为验件加热，振动激励模块接受电气控制***控制，用于对试验件进行激振；冷却气体供给***用于提供冷却空气对石英灯加热阵列进行空冷；冷却水供给***用于提供冷却水，对整体机架、试验件夹具和振动激励模块进行水冷。
本发明进一步的改进在于，整体机架上开设有机架冷却水通道并设置有电子测控设备冷却保护气吹出口。
本发明进一步的改进在于，试验件夹具包括底部安装在整体机架上的夹具底座，以及安装在夹具底座上的上夹具，夹具底座和上夹具内开设有夹具冷却水管道，试验件的两端通过两个试验件夹具的上夹具固定。
本发明进一步的改进在于，石英灯加热阵列包括石英灯安装底座、石英灯和石英管道，石英灯套装在石英管道内，两端通过石英灯安装底座安装在整体机架上，石英灯与石英灯管道之间嵌套形成冷却空气通道。
本发明进一步的改进在于，石英灯安装底座包括配合使用的石英灯安装下底座与石英灯安装上底座。
本发明进一步的改进在于，振动激励模块包括固定在整体机架上的激振锤底座，以及与激振锤底座滑动副相连接的激振锤，激振锤内开设有激振锤冷却水管道。
本发明进一步的改进在于，激振锤底座与激振锤表面上涂覆有氧化锆热防护涂层。
本发明进一步的改进在于，电气控制***包括用于测量加热温度、激振幅度、应力分布的测控集成模组，控制激振锤、石英灯加热阵列的控制信号线，以及处理信号的电气控制中心。
本发明进一步的改进在于，冷却气体供给***包括冷却气供中心和冷却气体；
冷却水供给***包括冷却水处理中心，以及用于提供循环冷却水的冷却水流出管道和冷却水流入管道。
一种高温振动疲劳试验方法，该方法基于上述一种高温振动疲劳试验装置，包括以下步骤：
第一步：将试验件固定在夹具底座上，并采用上夹具固定试验件；
第二步：固定石英灯安装底座，打开冷却气供给***，冷却***通过冷却气供给管路分别供至用于冷却测控集成模组的电子测控设备冷却保护气吹出口以及用于为石英灯冷却的冷却空气通道；
第三步：打开冷却水供给***，冷却水通过冷却水流出管道流入激振锤内部的激振锤冷却水管道为其冷却，冷却水通过机架冷却水通道为机架冷却，冷却水通过夹具冷却水管道为夹具冷却；
第四步：电气控制***为石英灯供电，石英灯为试验件加热，并通过测控集成模组反馈给电气控制***实时测控温度场；
第五步：激振锤接受电气控制***控制，对试验件进行激振，并通过测控集成模组实时返回至电气控制***，对激振参数控制；
第六步：试验结束，电气控制***停止石英灯功率输出，待试验件与装置冷却至常温后，依次停止冷却水供给***和冷却气供给***，试验结束。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种高温随机疲劳试验装置，通过石英灯主动冷却技术，激励锤冷却技术。实现了经典的高温环境的疲劳振动方法中难以实现的，工件极高温度(1000℃)的高温环境疲劳振动效果，并且通过激励锤的布置能够有效实现随机振动模拟的试验任务。
本发明提供的一种高温随机疲劳试验方法，通过将试验件固定在石英灯加热的区域内，通过在石英灯的位错区域内部布置多组激励锤，实现基础的高温辐照环境下的热疲劳试验任务。在实验时，通过对石英灯外部管道中通入冷却气体，实现增加石英灯在高温(1000℃)使用环境下的寿命。在实验时，对激励锤内部设计的冷却流道通入冷却液体，实现保护激励锤的使用性能与寿命。在实验时，对试验装置进行通入冷却液进行保护，保证试验装置的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种高温随机疲劳试验装置的结构示意图。
图2为本发明一种高温随机疲劳试验装置的局部轴测图。
附图标记说明：
1、整体机架，2、试验件夹具，3、石英灯加热阵列，4、振动激励模块，5、试验件，6、电气控制***，7、冷却气体供给***，8、冷却水供给***；
101、机架冷却水通道，102、电子测控设备冷却保护气吹出口；
201、上夹具，202、夹具底座，203、夹具冷却水管道；
301、石英灯安装下底座，302、石英灯安装上底座，303、冷却空气通道，304、石英管道，305、石英灯。
401、激振锤底座，402、氧化锆热防护涂层，403、激振锤，404、激振锤冷却水管道；
601、控制信号线，602、测控集成模组；
701、冷却气体供给管路；
801、冷却水流出管道，802、冷却水流入管道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种高温振动疲劳试验装置，包括固定在整体机架1上的石英灯加热阵列3、固定在整体机架1上的振动激励模块4、固定在整体机架1上的试验件夹具2、固定在试验件夹具2上的试验件5、外部接入在装置中的电气控制***6、外部接入装置中的冷却气体供给***7、外部接入在装置中的冷却水供给***8。
所述的整体机架1包括固定在整体机架1上的电子测控设备冷却保护气吹出口102以及连通在整体机架1上的机架冷却水通道101。
所述的石英灯加热阵列3包括固连在整体机架1的石英灯安装下底座301、固定在石英灯安装下底座301上的石英灯安装上底座302、分别固定在石英灯安装下底座301与石英灯安装上底座302中的石英灯305、套在石英灯305外部的石英管道304、由石英灯305与石英灯管道304嵌套形成的冷却空气通道303、接入冷却空气通道303中的冷却气体供给管路701。
所述的试验件夹具2包括固定在整体机架1上的夹具底座202、固连在夹具底座的上夹具201、加工在夹具2内部的冷却水管道203、分别固连在上夹具201与冷却水管道203的冷却水流入管道802、分别固连在试验件上夹具与试验件下夹具上内冷却水管道203的冷却水流出管道801。
所述的振动激励模块4包括固定在整体机架1上的激振锤底座401、与激振锤底座401滑动副相连接的激振锤403、涂覆在激振锤底座401与激振锤403上的氧化锆热防护涂层402、加工在激振锤403内部的冷却水管道404。
所述的电气控制***6包括用于测量加热温度、激振幅度、应力分布的测控集成模组602；控制激振锤403、石英灯加热阵列3的控制信号线；处理信号的电气控制中心。
所述的冷却气体供给***7包括冷却气供中心和冷却气体；冷却水供给***8包括冷却水处理中心，以及用于提供循环冷却水的冷却水流出管道801和冷却水流入管道802。
本发明提供的一种高温随机疲劳试验方法，包括以下步骤：
第一步：打开试验件夹具2，将试验件5固定在夹具底座202上，并采用上夹具201固定试验件5。
第二步：固定石英灯安装底座，包括石英灯安装下底座301与石英灯上底座302。打开冷却气供给***7，冷却***通过冷却气供给管路701分别供至用于冷却测控集成模组602的电子测控设备冷却保护气吹出口102以及用于为石英灯305冷却的冷却空气通道303。
第三步：打开冷却水供给***8，冷却水通过冷却水流出管道801流入激振锤403内部的激振锤冷却水管道404为其冷却，冷却水通过机架冷却水通道101为机架冷却，冷却水通过夹具冷却水管道203为夹具2冷却。
第四步：电气控制***6为石英灯305供电，石英灯305为试验件5加热，并通过测控集成模组602反馈给电气控制***6实时测控温度场。
第五步：激振锤403接受电气控制***6控制，对试验件5进行激振，并通过测控集成模组602实时返回至电气控制***6，对激振参数控制。
第六步：试验结束，电气控制***6停止石英灯305功率输出。待试验件与装置冷却至常温后，依次停止冷却水供给***8和冷却气供给***7，试验结束。
其中，先进陶瓷防护涂层保护激振装置4与整体机架1关键部位防止高温失效工况。
其中，石英灯305与石英管道304背向试验件5的部分采用陶瓷反光涂层，提升石英灯的定向反射率与对高温的耐受性。
其中，振动激振模块4可在机架上多个模组并联布置，完成多点激振、随机激振等任务。

Claims (10)

1.一种高温随机疲劳试验装置，其特征在于，包括整体机架(1)、试验件夹具(2)、石英灯加热阵列(3)、振动激励模块(4)、试验件(5)、电气控制***(6)、冷却气体供给***(7)和冷却水供给***(8)；其中，
石英灯加热阵列(3)的两端安装在整体机架(1)上，试验件夹具(2)的底部安装在整体机架(1)上，试验件(5)的两端通过试验件夹具(2)固定，使得试验件(5)位于石英灯加热阵列(3)中间，若干振动激励模块(4)安装在整体机架(1)上；
电气控制***(6)用于石英灯加热阵列(3)供电，石英灯加热阵列(3)用于为验件(5)加热，振动激励模块(4)接受电气控制***(6)控制，用于对试验件(5)进行激振；冷却气体供给***(7)用于提供冷却空气对石英灯加热阵列(3)进行空冷；冷却水供给***(8)用于提供冷却水，对整体机架(1)、试验件夹具(2)和振动激励模块(4)进行水冷。
2.根据权利要求1所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，整体机架(1)上开设有机架冷却水通道(101)并设置有电子测控设备冷却保护气吹出口(102)。
3.根据权利要求2所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，试验件夹具(2)包括底部安装在整体机架(1)上的夹具底座(202)，以及安装在夹具底座(202)上的上夹具(201)，夹具底座(202)和上夹具(201)内开设有夹具冷却水管道(203)，试验件(5)的两端通过两个试验件夹具(2)的上夹具(201)固定。
4.根据权利要求3所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，石英灯加热阵列(3)包括石英灯安装底座、石英灯(305)和石英管道(304)，石英灯(305)套装在石英管道(304)内，两端通过石英灯安装底座安装在整体机架(1)上，石英灯(305)与石英灯管道(304)之间嵌套形成冷却空气通道(303)。
5.根据权利要求4所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，石英灯安装底座包括配合使用的石英灯安装下底座(301)与石英灯安装上底座(302)。
6.根据权利要求4所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，振动激励模块(4)包括固定在整体机架上(1)的激振锤底座(401)，以及与激振锤底座(401)滑动副相连接的激振锤(403)，激振锤(403)内开设有激振锤冷却水管道(404)。
7.根据权利要求6所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，激振锤底座(401)与激振锤(403)表面上涂覆有氧化锆热防护涂层(402)。
8.根据权利要求6所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，电气控制***(6)包括用于测量加热温度、激振幅度、应力分布的测控集成模组(602)，控制激振锤(403)、石英灯加热阵列(3)的控制信号线，以及处理信号的电气控制中心。
9.根据权利要求8所述的一种高温振动疲劳试验装置，其特征在于，冷却气体供给***(7)包括冷却气供中心和冷却气体；
冷却水供给***(8)包括冷却水处理中心，以及用于提供循环冷却水的冷却水流出管道(801)和冷却水流入管道(802)。
10.一种高温振动疲劳试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求9所述的一种高温振动疲劳试验装置，包括以下步骤：
第一步：将试验件(5)固定在夹具底座(202)上，并采用上夹具(201)固定试验件(5)；
第二步：固定石英灯安装底座，打开冷却气供给***(7)，冷却***通过冷却气供给管路(701)分别供至用于冷却测控集成模组(602)的电子测控设备冷却保护气吹出口(102)以及用于为石英灯(305)冷却的冷却空气通道(303)；
第三步：打开冷却水供给***(8)，冷却水通过冷却水流出管道(801)流入激振锤(403)内部的激振锤冷却水管道(404)为其冷却，冷却水通过机架冷却水通道(101)为机架冷却，冷却水通过夹具冷却水管道(203)为夹具(2)冷却；
第四步：电气控制***(6)为石英灯(305)供电，石英灯(305)为试验件(5)加热，并通过测控集成模组(602)反馈给电气控制***(6)实时测控温度场；
第五步：激振锤(403)接受电气控制***(6)控制，对试验件(5)进行激振，并通过测控集成模组(602)实时返回至电气控制***(6)，对激振参数控制；
第六步：试验结束，电气控制***(6)停止石英灯(305)功率输出，待试验件与装置冷却至常温后，依次停止冷却水供给***(8)和冷却气供给***(7)，试验结束。
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