將高頻摩擦應(yīng)力和低周疲勞結(jié)合的試驗(yàn)臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將高頻摩擦應(yīng)力和低周疲勞結(jié)合的試驗(yàn)設(shè)備，低周疲勞也稱微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，該試驗(yàn)設(shè)備意在模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-盤片附連件。
【背景技術(shù)】
[0002]許多渦輪機(jī)部件經(jīng)受將高周(振動(dòng))應(yīng)力和低周應(yīng)力疊加的復(fù)雜應(yīng)力。當(dāng)例如對(duì)于葉片-盤片附連件而言，當(dāng)加入摩擦應(yīng)力時(shí)，特征變得非常復(fù)雜。
[0003]這是對(duì)于渦輪葉片而言的情況，渦輪葉片由于渦輪的旋轉(zhuǎn)而加載有離心力、由于環(huán)境和其共振而加載振動(dòng)力。這兩種應(yīng)力導(dǎo)致葉片根部在盤片中的凹部(葉片根部被插入到該凹部中)的側(cè)向突出部上滑動(dòng)。因?yàn)槿~片根部隨后經(jīng)受微動(dòng)疲勞損壞，所以這種摩擦學(xué)方面的認(rèn)知是至關(guān)重要的。這一應(yīng)力領(lǐng)域仍在很大程度上未被研究，但是對(duì)其的認(rèn)知和對(duì)有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的處理是未來幾年關(guān)注的重點(diǎn)。
[0004]為了糾正這一缺陷，利用與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件遭受的頻率大不相同的頻率下的非常簡(jiǎn)單的試驗(yàn)來表征和研究所述接觸，當(dāng)數(shù)種類型的應(yīng)力被疊加時(shí)，有時(shí)甚至在非常低的溫度下通過僅使用簡(jiǎn)單的交替滑動(dòng)循環(huán)來對(duì)接觸表面加載。
[0005]在微動(dòng)疲勞損壞的研究的背景下，在現(xiàn)有技術(shù)中，兩種不同類的試驗(yàn)裝置之間具有下述區(qū)別:
[0006]I)被稱為常規(guī)的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，常規(guī)的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)旨在使用施加到試件之間的接觸的局部條件的完美控制來深入研究接觸。通常，這些試驗(yàn)使用了大量的儀器并且使得可取得重要的摩擦學(xué)參數(shù)(位移、摩擦系數(shù)等)，以及
[0007]2)技術(shù)的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，技術(shù)的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)旨在與應(yīng)用和待研究的應(yīng)力盡可能地接近。與前述試驗(yàn)相比，這些試驗(yàn)不基于儀器，而是變得更具代表性。
[0008]常規(guī)的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)在具有標(biāo)準(zhǔn)幾何構(gòu)造的試件上進(jìn)行，所述試件與葉片/盤片附連件附連件應(yīng)用相去甚遠(yuǎn)并且不能夠?qū)⒅懊枋龅膽?yīng)力結(jié)合。通常使用的試驗(yàn)裝置能夠達(dá)到10Hz的最大頻率且在高溫下不將低周循環(huán)和高周循環(huán)結(jié)合。
[0009]當(dāng)試驗(yàn)裝置旨在模擬與葉片-盤片附連件(通常為單葉式)類似的接觸幾何構(gòu)造時(shí)，所述裝置還在將應(yīng)力結(jié)合的方面受限。另外，所述試驗(yàn)裝置不被配置成在高溫下將低周循環(huán)和高周循環(huán)結(jié)合。
[0010]來自現(xiàn)有技術(shù)的試驗(yàn)裝置、甚至致力于微動(dòng)疲勞和疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置因此不能夠可靠地分析代表操作條件下的實(shí)際附連件的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-盤片附連件。
[0011]本發(fā)明的目的具體地在于提供一種簡(jiǎn)單、有效且經(jīng)濟(jì)的方案來解決該問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提出了一種將高頻摩擦應(yīng)力和低周疲勞結(jié)合的試驗(yàn)設(shè)備，所述試驗(yàn)設(shè)備包括第一試件和第二試件，所述第一試件被固定至框架并且限定出至少一個(gè)支承表面，所述第二試件被連接至牽引裝置，該牽引裝置用于對(duì)所述第二試件加載，以使得所述第二試件壓靠所述第一試件的所述支承表面和每個(gè)所述支承表面并執(zhí)行低周疲勞試驗(yàn)，所述試件中的一個(gè)試件包括呈渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片根部的形狀并且被插入到凹槽中的部分，所述凹槽的形狀與另一試件大體上互補(bǔ)以便模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片-盤片附連件，所述設(shè)備還包括用于對(duì)所述試件加熱的裝置和用于以振動(dòng)的方式對(duì)所述試件加載以便執(zhí)行微動(dòng)疲勞試驗(yàn)的裝置，并且所述設(shè)備的特征在于，所述設(shè)備包括用于繞與拉伸軸線平行的軸線調(diào)節(jié)所述試件的位置的裝置以及用于繞所述軸線將所述試件鎖定就位的裝置。
[0013]具有呈葉片根部的形狀的部分的試件例如被連接至所述牽引裝置，并且包括所述凹槽的另一試件于是被固定到所述框架上。
[0014]本發(fā)明旨在通過能夠表征受到微動(dòng)疲勞應(yīng)力的葉片-盤片附連件來提出一種新的實(shí)驗(yàn)性試驗(yàn)設(shè)備，所述試驗(yàn)設(shè)備將代表動(dòng)力飛行(離心力)的低周循環(huán)和代表由飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作產(chǎn)生的振動(dòng)的高周循環(huán)結(jié)合并同時(shí)確保所述支承表面之間的滑動(dòng)。本發(fā)明的定義特征是使得能夠盡可能地接近葉片的振動(dòng)應(yīng)力模式(有時(shí)復(fù)雜并且處于高頻下)以及葉片的使用的實(shí)際溫度條件，同時(shí)確保和控制接觸區(qū)域中的滑動(dòng)。
[0015]最后，繞與拉伸軸線平行的軸線調(diào)節(jié)和鎖定試件的位置使得可調(diào)節(jié)加載方向，并且因此實(shí)現(xiàn)能夠?qū)⒗鐝澢团でY(jié)合的復(fù)雜的共振模式。
[0016]本發(fā)明因此可盡可能接近地模擬轉(zhuǎn)子葉片在工作期間遭受的條件。
[0017]所述試件能夠由相同的或不同的材料制成。在試件由不同的材料制成的情況下，所述試驗(yàn)設(shè)備可表征處于接觸的成對(duì)的材料。
[0018]加熱裝置能夠?qū)⒃嚰訜岬酱蠹s800°C的溫度，即，該溫度代表渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片根部的使用中的實(shí)際條件的溫度。
[0019]有利地，試驗(yàn)設(shè)備被配置成:使得呈第一試件的葉片根部的形狀的部分和第二試件中的凹槽位于所述設(shè)備的第一振動(dòng)模式的波腹中。這可使試件的滑動(dòng)幅度和形變幅度最大化。
[0020]優(yōu)選地，呈葉片根部的形狀的部分具有與實(shí)際的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的形狀和尺寸類似的形狀和尺寸，以便盡可能如實(shí)地模擬葉片-盤片附連件。試件的尺寸能夠被設(shè)置成與可購(gòu)得的單晶體坯的尺寸相配。這使得可表征該單晶體并且設(shè)想對(duì)加工和關(guān)于成對(duì)的材料的性能方面的幾何參數(shù)(葉片-盤片附連件中的間隙的作用、表面冶金學(xué)健康等)進(jìn)行研究。優(yōu)選地，包括凹槽的試件足夠剛性以防止由于所述試件受到的大的機(jī)械應(yīng)力而引起其太大的變形。
[0021]加載裝置能夠包括振動(dòng)器，所述振動(dòng)器將所述設(shè)備的一部分加載到大約2000Hz，并且優(yōu)選地，加載到介于1000Hz和2000Hz之間的頻率。所述設(shè)備因此可在與轉(zhuǎn)子葉片的固有頻率類似的高頻下工作。試件的固有頻率能夠通過以適當(dāng)?shù)姆绞礁淖兗?lì)裝置的尺寸來更改。
[0022]有利地，所述試件中的一個(gè)試件通過具有撓性中間部分的I形部件連接至框架，并且另一試件通過具有撓性中間部分的另一I形部件連接至牽引裝置。所述I形部件用于被加載裝置激勵(lì)。通過計(jì)算和改變其沿振動(dòng)激勵(lì)的方向的慣性力矩，可更改拉索的固有模式并且因此掃過葉片-盤片附連件的非常廣泛的工作區(qū)。
[0023]調(diào)節(jié)和鎖定裝置能夠包括同樣用于將試件固定至I形部件的螺栓。
[0024]試件的呈葉片根部的形狀的部分能夠?yàn)樾ㄐ?單葉型)或樅樹型(三葉型)。
[0025]本發(fā)明還涉及一種用于使用用于微動(dòng)疲勞和疲勞試驗(yàn)的設(shè)備的方法，所述試驗(yàn)設(shè)備包括試件和另一試件，所述試件被連接至牽引裝置并且包括呈渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片根部的形狀的部分，所述另一試件被固定至框架并且包括用于容納所述呈葉片根部的形狀的部分的凹槽，所述凹槽大體上與所述部分互補(bǔ)并且限定了所述部分的至少一個(gè)支承表面，所述步驟包括下述一步驟，所述步驟在于使兩個(gè)試件同時(shí)受到加熱并且同時(shí)受到用于微動(dòng)疲勞和低周疲勞試驗(yàn)及高周疲勞試驗(yàn)的拉伸應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力。所述方法的特征在于，所述方法在前述步驟之前包括以下步驟:繞與拉伸軸線平行的軸線調(diào)節(jié)和鎖定所述試件的位置。
【附圖說明】
[0026]根據(jù)閱讀以非限制性示例給出并且參考附圖的以下說明，本發(fā)明將被更好地理解，并且本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，在附圖中:
[0027]-圖1為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子盤片的凹槽中的葉片根部的附連件的示意性的視圖，
[0028]-圖2為根據(jù)本發(fā)明的試驗(yàn)設(shè)備的示意性的視圖，
[0029]-圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一試驗(yàn)設(shè)備的示意性視圖，
[0030]-圖4為根據(jù)本發(fā)明的試驗(yàn)設(shè)備的試件的局部示意性透視圖，
[0031]-圖5和圖6為來自圖4的試件的示意性透視圖，
[0032]-圖7為根據(jù)本發(fā)明的另一試驗(yàn)設(shè)備的試件的示意性透視圖，
[0033]-圖8為圖7的試件中的一個(gè)試件的示意性透視圖，以及
[0034]-圖9為用于將試件固定到圖3的設(shè)備的I形部件上的裝置的示意性透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]首先參考圖1，圖1示意性地示出了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片-盤片附連件，葉片10為包括根部12的轉(zhuǎn)子葉片，根部12被插入到盤片16的外周中的凹槽14中，所述盤片包括這種類型的凹槽14的環(huán)形陣列以用于容納多個(gè)葉片的根部。由盤片16和葉片10形成的組件形成了例如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪的轉(zhuǎn)子輪。在此處的情況下，根部12為楔型。
[0036]在工作期間，葉片10受到離心力(箭頭18)的作用并且其輪葉具有擺動(dòng)(箭頭20)的傾向，從而導(dǎo)致代表葉片根部12的螺紋的側(cè)向部分壓靠盤片中的凹槽14的側(cè)向突出部22并在該側(cè)向突出部上滑動(dòng)。箭頭24示出了施加到面向葉片根部12和凹槽14的表面的法向力，并且箭頭26表示施加到所述表面上的剪切力。
[0037]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)施例，該試驗(yàn)設(shè)備被設(shè)計(jì)成模擬受到低周疲勞(low-cycle fatigue，LCF)載荷和高周疲勞(high-cycle fatigue，high-cycle fatigue)載荷的葉片-盤片附連件。
[0038]試驗(yàn)設(shè)備100包括連接至牽引裝置(箭頭104)的第一部分102和連接至固定框架108的第二部分106。
[0039]第一部分102包括凸形試件110，凸形試件110包括成形到葉片根部中且連接至牽引裝置的部分112。所述牽引裝置例如包括致動(dòng)器，致動(dòng)器的桿的自由端被連接至試件110并且致動(dòng)器的圓筒由試驗(yàn)設(shè)備100的固定部分支撐。優(yōu)選地，所述致動(dòng)器定向成與凸形試件110的延伸軸線平行并且意在模擬轉(zhuǎn)子葉片在工作期間受到的離心力。
[0040]試驗(yàn)設(shè)備100的第二部分106包括凹形試件114，凹形試件114包括用于插入試件110的前述部分112的凹槽116。
[0041]用于將凸形試件110連接至牽引裝置的裝置118和用于將凹形試件114連接至框架108的裝置120中的至少一個(gè)由例如為振動(dòng)器的激勵(lì)裝置122加載，激勵(lì)裝置122用于使葉片-盤片附