一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置

1.本发明涉及一种超高周疲劳试验装置，特别涉及可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置。


背景技术：

2.航空发动机关键零部件在工作过程中往往受到高频低载荷的多轴振动应力，实际的疲劳寿命会达到108周次及以上，该周次范围内的疲劳被称为超高周疲劳。一般应用超声疲劳试验装置完成超高周疲劳试验，现有的拉扭超声疲劳试验装置能完成应力比r＝-1下的超声疲劳试验，而实际工况下拉扭复合疲劳的应力比往往是多种多样的，所承受的温度不断变化的，故有必要进行不同应力比、不同温度下的超高周多轴疲劳试验。


技术实现要素：

3.本发明提供一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，可以实现不同应力比、不同温度下的拉扭复合交变应力加载，利用共振原理，试验时可产生稳定的拉扭阵型，可以对材料实现不同应力比、不同温度下的超高周拉扭复合疲劳试验。
4.本发明采用的技术方案是，包括：共振系统和应力调节系统；共振系统的下端与应力调节系统通过螺钉连接，共振系统的上端与应力调节系统均由螺钉连接固定于机架上；温度调节系统能够根据试验要求选择摆放位置或撤除。
5.所述共振系统由纵振换能器、拉扭变幅杆、拉扭试验件、连接杆组成。纵振换能器的下端与拉扭变幅杆螺纹连接，拉扭试验件的上端与拉扭变幅杆的下端通过螺纹连接，拉扭试验件的下端与连接杆的上端通过螺纹连接，拉扭变幅杆通过螺钉固定在机架上，连接杆通过螺钉与应力调节系统连接。
6.所述共振系统由纵振换能器提供轴向恒幅振动，由拉扭变幅杆将轴向振动转换为拉扭复合振动，在拉扭试验件中部产生稳定的拉扭振型，连接杆参数与拉扭变幅杆一致，传递来自应力调节系统的平均应力，同时保持稳定的拉扭复合振型。
7.所述应力调节系统由调节圆环、调节螺钉、定位板、蜗轮蜗杆机构、伺服电机构成。调节圆环由上圆环、中圆环、下圆环及定位销构成，上圆环和中圆环由螺钉连接与连接杆固定，下圆环通过螺栓连接固定于机架上，中圆环套嵌在下圆环的中间孔内，保证连接杆轴向位移的稳定性；上圆环的六个孔洞内安装有六颗定位销与下圆环上的六个小孔相配合，防止连接杆发生扭转；定位板通过螺栓连接固定于下圆环下方，调节螺钉安装于定位板中心孔内，轴向由螺栓连接固定保证调节螺栓在孔内只产生转动；调节螺钉上方与连接杆螺纹连接，调节螺钉下方与蜗轮键连接，由伺服电机驱动蜗轮蜗杆机构。
8.所述温度调节系统由磁感应加热线圈、空气冷却装置、红外测温仪构成。磁感应加热线圈前端可套在拉扭试验件外；空气冷却装置是由空气压缩机将空气压缩后存入储气罐，储气罐链接喷气管，喷气管有两个喷射口，喷射口角度可调节，用于对拉扭试验件或其他部件进行冷却；红外测温仪的检测头可发射激光，可精准测量激光瞄准部位的温度。
9.所述温度调节系统由磁感应加热线圈对拉扭试验件进行加热、空气冷却装置能够喷射压缩空气进而对拉扭试验件冷却，红外测温仪能够实时监测拉扭试验件温度，采用闭环控制实现拉扭试验件温度的精确调节。
10.所述共振系统采用拉扭阵型，最大变形位置为拉扭试验件中段，而拉扭变幅杆及连接杆上的拉扭载荷非常微小，保证了拉扭变幅杆及连接杆的寿命。
11.所述应力调节系统的调节螺钉采用高精度螺纹，蜗轮蜗杆机构采用大传动比，由伺服电机驱动实现连接杆位移微米级调节。
12.所述温度调节系统采用闭环控制，同时可以根据具体试验要求摆放在合理的位置或撤除(常温试验)，实现试验温度的精确调节。
13.本发明的优点及功效：纵振换能器通过拉扭变幅杆可在拉扭试验件中部产生稳定的拉扭复合振型；应力调节系统可以给拉扭试验件提供一个平均应力，进而改变加载的应力比；温度调节系统可以精确调节拉扭试验件的温度，实现了不同应力比、不同温度下的超高周拉扭复合疲劳试验。
附图说明
14.图1是本发明提供的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置的结构示意图。
15.图2是共振系统结构示意图。
16.图3是应力调节系统结构示意图。
17.图4是调节螺钉结构示意图。
18.图中标记：10-纵振换能器、20-拉扭变幅杆、30-拉扭试验件、40-连接杆、50-调节圆环、60-调节螺钉、70-定位板、80-磁感应加热线圈、90-空气冷却装置、100-红外测温仪。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
20.本发明一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置结构示意图如图1所示，包括共振系统(图2)：纵振换能器(10)、拉扭变幅杆(20)、拉扭试验件(30)、连接杆(40)；应力比调节系统(图3)：调节圆环(50)、调节螺钉(60)、定位板(70)、蜗轮蜗杆机构、伺服电机；温度控制系统：包括磁感应加热线圈(80)、空气冷却装置(90)、红外测温仪(100)。拉扭变幅杆(20)固定于机架上，连接杆(40)下方连接调节圆环(50)，调节圆环(50)与机架固定，通过伺服电机带动蜗轮蜗杆机构使调节螺钉(60)(图4)转动，从而使连接杆产生轴向移动。
21.工作原理：
22.纵振换能器(10)内的压电陶瓷可以将电能转化为机械能，即机械振动，进而引起装置共振，这种轴向机械振动经过拉扭变幅杆(20)被转化为拉扭复合振动，则拉扭试验件(30)受到拉扭复合交变应力，而拉扭试验件(30)下方的连接杆(40)其参数与拉扭变幅杆(20)一致，不会改变拉扭试验件(30)中间段的拉扭复合模态；伺服电机驱动蜗轮蜗杆机构令调节螺钉(60)转动，使连接杆(40)轴向位移发生改变，从而给拉扭试验件(30)施加一个额外平均应力，故加载应力比发生改变；温度调节系统中磁感应加热线圈(80)负责给拉扭
试验件(30)加热，空气冷却装置(90)有两个喷射口，可以向拉扭试验件(30)及拉扭变幅杆(20)喷射压缩冷空气降温，红外测温仪(100)可实时监控拉扭试验件(30)温度，采用闭环控制进而实现拉扭试验件(30)温度的精确调节。
23.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。


技术特征：
1.一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：包括：共振系统和应力调节系统；共振系统的下端与应力调节系统通过螺钉连接，共振系统的上端与应力调节系统均由螺钉连接固定于机架上。2.根据权利要求1所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述共振系统由纵振换能器、拉扭变幅杆、拉扭试验件、连接杆组成；纵振换能器的下端与拉扭变幅杆螺纹连接，拉扭试验件的上端与拉扭变幅杆的下端通过螺纹连接，拉扭试验件的下端与连接杆的上端通过螺纹连接，拉扭变幅杆通过螺钉固定在机架上，连接杆通过螺钉与应力调节系统连接。3.根据权利要求1所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述共振系统由纵振换能器提供轴向恒幅振动，由拉扭变幅杆将轴向振动转换为拉扭复合振动，在拉扭试验件中部产生稳定的拉扭振型，连接杆参数与拉扭变幅杆一致，传递来自应力调节系统的平均应力，同时保持稳定的拉扭复合振型。4.根据权利要求1所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述应力调节系统由调节圆环、调节螺钉、定位板、蜗轮蜗杆机构、伺服电机构成；调节圆环由上圆环、中圆环、下圆环及定位销构成，上圆环和中圆环由螺钉连接与连接杆固定，下圆环通过螺栓连接固定于机架上，中圆环套嵌在下圆环的中间孔内，保证连接杆轴向位移的稳定性；上圆环的六个孔洞内安装有六颗定位销与下圆环上的六个小孔相配合，防止连接杆发生扭转；定位板通过螺栓连接固定于下圆环下方，调节螺钉安装于定位板中心孔内，轴向由螺栓连接固定保证调节螺栓在孔内只产生转动；调节螺钉上方与连接杆螺纹连接，调节螺钉下方与蜗轮键连接，由伺服电机驱动蜗轮蜗杆机构。5.根据权利要求1所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：还包括温度调节系统，所述温度调节系统由磁感应加热线圈、空气冷却装置、红外测温仪构成；磁感应加热线圈前端可套在拉扭试验件外；空气冷却装置是由空气压缩机将空气压缩后存入储气罐，储气罐链接喷气管，喷气管有两个喷射口，喷射口角度可调节；红外测温仪的检测头可发射激光，可精准测量激光瞄准部位的温度。6.根据权利要求5所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述温度调节系统由磁感应加热线圈对拉扭试验件进行加热、空气冷却装置能够喷射压缩空气进而对拉扭试验件冷却，红外测温仪能够实时监测拉扭试验件温度，采用闭环控制。7.根据权利要求1所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述共振系统采用拉扭阵型，最大变形位置为拉扭试验件中段。8.根据权利要求1所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述应力调节系统的调节螺钉采用高精度螺纹，蜗轮蜗杆机构采用大传动比，由伺服电机驱动实现连接杆位移微米级调节。9.根据权利要求6所述的一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，其特征在于：所述温度调节系统采用闭环控制。

技术总结
本发明公开了一种可变应力比的变温超高周多轴疲劳试验装置，包括共振系统、应力调节系统、温度调节系统。共振系统由纵振换能器、拉扭变幅杆、拉扭试验件、连接杆依次连接组成，可以实现拉扭复合振动加载；应力调节系统由调节圆环、调节螺钉、定位板、蜗轮蜗杆及伺服电机组成，可以实现加载应力比的精确调节；温度调节系统由磁感应加热线圈、空气冷却装置、红外测温仪组成，可以实现拉扭试验件温度的精确调节。本发明的优点在于：可用本装置进行不同应力比、不同温度下的超高周拉扭复合疲劳试验。不同温度下的超高周拉扭复合疲劳试验。不同温度下的超高周拉扭复合疲劳试验。


技术研发人员：尚德广 张佳林 陈超林 张辉 唐志强
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/5/10