本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)裝置、系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路很多，有燃油管路、滑油管路和空氣管路等，形狀復(fù)雜，一般由管接頭和管身焊接而成。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，管路受到各種機(jī)械振動(dòng)、氣動(dòng)激勵(lì)等的作用，除了承受穩(wěn)態(tài)應(yīng)力外，還承受著振動(dòng)應(yīng)力。同時(shí)管接頭和管身通過(guò)焊接連接，存在著焊接殘余應(yīng)力。

在各種交變載荷作用下，管路容易產(chǎn)生疲勞裂紋，造成管路漏油漏氣，嚴(yán)重威脅到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全。疲勞裂紋首先發(fā)生在應(yīng)力集中的地方，如零件機(jī)械加工的切削紋，結(jié)構(gòu)上的內(nèi)圓角，亞表面的夾雜物和焊接位置處等。疲勞破壞是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件失效的主要原因之一，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性及可靠性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件高周疲勞試驗(yàn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度考核試驗(yàn)規(guī)范中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目的是為了考核零部件有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命，使之在發(fā)動(dòng)機(jī)的全壽命周期內(nèi)能安全可靠工作，不發(fā)生疲勞失效。開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的疲勞試驗(yàn)研究有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明一套獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)，可用于獲取焊接管路的振動(dòng)疲勞極限。

為了達(dá)到上述目的，一方面，本發(fā)明提供一種獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)裝置，包括：

安裝座，所述安裝座具有一容納部；

管路，所述管路具有管接頭、管身和安裝節(jié)，所述管身位于所述管接頭和所述安裝節(jié)之間；

多個(gè)應(yīng)變片，粘附于所述管路上，用于測(cè)量所述管路的振動(dòng)應(yīng)力并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)；

位移測(cè)量傳感器，設(shè)置于所述管身的上方并與所述管身保持一定距離，用于測(cè)量所述管路在振動(dòng)時(shí)的位移并將其轉(zhuǎn)換為振動(dòng)位移信號(hào)；以及

振動(dòng)加速度傳感器，固定設(shè)置于所述容納部的上方，用于獲取所述管路的振動(dòng)加速度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)模擬電壓信號(hào)；

其中，所述管接頭固定于所述容納部中。

在本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的一個(gè)實(shí)施方式中，所述管接頭與所述容納部的內(nèi)壁之間設(shè)置有彈墊。

在本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述管接頭與所述管身之間具有焊縫，所述多個(gè)應(yīng)變片粘貼于所述焊縫的兩側(cè)以測(cè)量最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)變。

在本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述位移測(cè)量傳感器為激光位移測(cè)量傳感器或電渦流位移測(cè)量傳感器。

在本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的另一個(gè)實(shí)施方式中，還包括一測(cè)量薄片位于所述管身上，所述測(cè)量薄片包括一測(cè)量面和一粘貼部，所述測(cè)量面為平面并對(duì)準(zhǔn)所述位移測(cè)量傳感器，所述粘貼部為曲面并粘附于所述管身上。

另一方面，本發(fā)明提供一種獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的方法，包括：

利用上述試驗(yàn)裝置，使所述焊接管路以10⁷次/循環(huán)進(jìn)行疲勞循環(huán)；

每完成一個(gè)循環(huán)，增加應(yīng)力載荷進(jìn)入下一循環(huán)，直至所述焊接管路的最大振動(dòng)應(yīng)力或振幅下降2％；以及

記錄產(chǎn)生所述焊接管路的最大振動(dòng)應(yīng)力或振幅下降2％時(shí)所經(jīng)歷的疲勞循環(huán)數(shù)，然后代入s-n曲線方程中計(jì)算出所述焊接管路的疲勞極限。

在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方式中，所述疲勞循環(huán)的初始應(yīng)力載荷為所述焊接管路的材料的疲勞極限的60％。

在本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)施方式中，每完成一個(gè)循環(huán)后，所增加的應(yīng)力載荷為所述焊接管路的材料的疲勞極限的5％。

再一方面，本發(fā)明提供包括上述試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)，其還包括：

振動(dòng)源，所述振動(dòng)源向所述試驗(yàn)裝置提供振動(dòng)信號(hào)；

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)，所述動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)接收來(lái)自所述試驗(yàn)裝置的所述動(dòng)態(tài)模擬電壓信號(hào)、所述動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)和所述振動(dòng)位移信號(hào)并進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理分析。

在本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式中，所述振動(dòng)源包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和振動(dòng)臺(tái)，所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過(guò)所述功率放大器后使所述振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，疲勞試驗(yàn)方法正確可行。在高周疲勞試驗(yàn)中，管接頭不發(fā)生松動(dòng)，振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)穩(wěn)定，能比較準(zhǔn)確地獲取焊接管路的疲勞極限。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1中沿a-a線的橫向剖視圖；

圖3為圖2中b線內(nèi)4:1的放大圖；

圖4為圖2中c線內(nèi)4:1的放大圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)系統(tǒng)圖。

其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下：

1：安裝座

2：管路

20：管接頭

21：管身

22：安裝節(jié)

23：焊縫

24：焊縫

3：彈墊

40：應(yīng)變片

41：應(yīng)變片

5：測(cè)量薄片

6：激光位移測(cè)量傳感器

60：發(fā)射頭

7：振動(dòng)加速度傳感器

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于以下實(shí)施例，列舉這些實(shí)例僅出于示例性目的而不以任何方式限制本發(fā)明。

疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)在指定應(yīng)力水平下產(chǎn)生疲勞裂紋前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。一般情況下，零部件的疲勞壽命由其疲勞試驗(yàn)確定。在線彈性條件下，通常由材料或零件的應(yīng)力疲勞曲線(s-n曲線)確定。應(yīng)力疲勞曲線是根據(jù)應(yīng)力幅s與相應(yīng)的失效循環(huán)數(shù)nl之間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所做的曲線。但是一般情況下通過(guò)疲勞試驗(yàn)得出s-n曲線，周期長(zhǎng)且耗資大，從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，可以建立s-n曲線形狀的經(jīng)驗(yàn)公式，以便利用少量的s-n數(shù)據(jù)確定材料或構(gòu)件的疲勞壽命。根據(jù)s-n曲線的經(jīng)驗(yàn)公式，利用疲勞試驗(yàn)得出的交變應(yīng)力/載荷與對(duì)應(yīng)于交變應(yīng)力/載荷的破壞循環(huán)數(shù)的成對(duì)數(shù)據(jù)，即可確定構(gòu)件的疲勞極限，然后結(jié)合載荷譜(應(yīng)力譜)，即可估算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

通常采用的零部件高周疲勞試驗(yàn)是將試驗(yàn)件固定在振動(dòng)臺(tái)上，然后在試驗(yàn)件的某階固有頻率(一般為一階彎曲固有頻率)下對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行激振，同時(shí)在試驗(yàn)件上粘貼應(yīng)變片對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)和使用位移測(cè)量傳感器對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)。應(yīng)變片的粘貼點(diǎn)一般需要粘貼在最大應(yīng)力點(diǎn)處，最大應(yīng)力點(diǎn)的確定可以結(jié)合有限元計(jì)算與應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果。應(yīng)力標(biāo)定試驗(yàn)即在試驗(yàn)件表面粘貼一系列應(yīng)變片，然后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行激振，同時(shí)監(jiān)測(cè)各應(yīng)變片的振動(dòng)應(yīng)變。比較各位置處應(yīng)變片的應(yīng)變值，即可確定最大應(yīng)力點(diǎn)的位置。

現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的高周疲勞試驗(yàn)多針對(duì)單個(gè)葉片而言，將單個(gè)葉片的根部切割成平面，使用壓塊將其固定在振動(dòng)臺(tái)上。由于夾持段為平面，故壓緊比較牢靠，試驗(yàn)過(guò)程中葉片不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。葉片葉型比較平整，因此激光位移測(cè)量傳感器的激光點(diǎn)照射的區(qū)域近似平面，當(dāng)葉片振幅較大時(shí)，激光位移測(cè)量傳感器測(cè)得的振幅仍然比較穩(wěn)定，數(shù)值波動(dòng)比較小。

但將上述高周疲勞試驗(yàn)方法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)管路時(shí)存在較多問(wèn)題：首先，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油管一般由管接頭和管身焊接而成，管接頭一般為細(xì)牙螺紋連接結(jié)構(gòu)，將其通過(guò)螺紋固定在振動(dòng)臺(tái)上，在高周疲勞試驗(yàn)中，管接頭常發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)的能量不能很好地傳遞到管路上。其次，若事先在管身上粘貼好應(yīng)變片，然后將管路擰緊在振動(dòng)臺(tái)上后，應(yīng)變片通常偏移了管路的正上方或正下方位置，此時(shí)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)的應(yīng)變不是最大方向的應(yīng)變值。再者，由于管身為弧面，使用激光位移測(cè)量傳感器測(cè)量管路的振動(dòng)位移時(shí)，激光測(cè)量點(diǎn)一般要求為平面，管路在大振幅下橫向擺動(dòng)也大，管身的弧面結(jié)構(gòu)使得所測(cè)的振動(dòng)位移上下波動(dòng)十分明顯，有時(shí)達(dá)到上百微米，給振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)帶來(lái)較大誤差。

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)圖，圖2為圖1中沿a-a線的橫向剖視圖。如圖1和圖2所示，試驗(yàn)裝置包括：安裝座1、管路2、應(yīng)變片40/41、位移測(cè)量傳感器6、振動(dòng)加速度傳感器7。

安裝座1通過(guò)螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)(未示出)上，其具有一容納部以容納管路2的一部分并將其固定，如圖1和圖2所示，該容納部為一方塊形結(jié)構(gòu)的側(cè)凹部。

管路2包括管接頭20、管身21和安裝節(jié)22，管身21位于管接頭20和安裝節(jié)22之間。管接頭20和管身21通過(guò)焊接連接起來(lái)，連接處有焊縫23。管身21與安裝節(jié)22也通過(guò)焊接連接，連接處有焊縫24。管接頭20通過(guò)螺紋擰緊固定在安裝座1的容納部中。

安裝座1的容納部的內(nèi)壁與管接頭20的之間可設(shè)置一彈墊3，使管接頭20的端面抵著彈墊3固定于容納部中，彈墊3給管接頭20施加一個(gè)預(yù)緊力確保在整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中管接頭20不會(huì)在長(zhǎng)期的振動(dòng)載荷下發(fā)生松動(dòng)。

管路2上貼附有多個(gè)應(yīng)變片，用于測(cè)量管路2的振動(dòng)應(yīng)力并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)。

圖3為圖2中b線內(nèi)4:1的放大圖。對(duì)管路進(jìn)行有限元計(jì)算和應(yīng)力分布標(biāo)定試驗(yàn)可知，對(duì)于這種懸臂安裝的管路2，其最大應(yīng)力點(diǎn)在焊縫處。如圖3所示，在管路2正上方的焊縫23兩側(cè)的管壁處各粘貼一片應(yīng)變片40和41，用于監(jiān)測(cè)最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)變。

應(yīng)變片40和41的粘貼必須在將管路2固定在安裝座1上后才可進(jìn)行，以確保應(yīng)變片40和41粘貼在管路2的正上方位置，保證測(cè)量的是最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)變。

管路2的上方設(shè)有位移測(cè)量傳感器6，用于測(cè)量管路2在振動(dòng)時(shí)的位移并將其轉(zhuǎn)換為振動(dòng)位移信號(hào)。位移測(cè)量傳感器6與管身2保持一定距離，并通常位于管路2的正上方。

位移測(cè)量傳感器6可為激光位移測(cè)量傳感器或電渦流位移測(cè)量傳感器。

圖4為圖2中c線內(nèi)4:1的放大圖。如圖4所示，在管路2的管身21上貼附有測(cè)量薄片5，例如用強(qiáng)粘性快干膠貼附。測(cè)量薄片5包括一測(cè)量面和一粘貼部，測(cè)量面與粘貼部緊密結(jié)合在一起。

測(cè)量面為平面并對(duì)準(zhǔn)位移測(cè)量傳感器6，使得位移測(cè)量傳感器6的發(fā)射頭60所發(fā)出的激光或電渦流打在測(cè)量薄片5的測(cè)量面上。粘貼部為曲面或弧面并且形狀與管身21的外壁一致，以更好地粘附于管身21上。

測(cè)量薄片5能解決測(cè)量位移時(shí)由于管路2有橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)管路弧面反射激光不穩(wěn)，造成位移測(cè)量波動(dòng)大的問(wèn)題，可以保證管路2在振動(dòng)過(guò)程中，振動(dòng)位移的測(cè)量值始終保持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不發(fā)生大的跳動(dòng)。

安裝座1的容納部的頂部固定有振動(dòng)加速度傳感器7，例如用強(qiáng)粘性快干膠固定，其用于在試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的加速度，從而獲取所述管路的振動(dòng)加速度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)模擬電壓信號(hào)。

在焊接管路疲勞試驗(yàn)中，需要進(jìn)行最大應(yīng)力點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力與管路振幅的關(guān)系標(biāo)定，擬合測(cè)得振動(dòng)應(yīng)力—振幅標(biāo)定數(shù)據(jù)，得到最大應(yīng)力與振幅的線性關(guān)系。如在大應(yīng)力下應(yīng)變片發(fā)生失效，則可根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中通過(guò)監(jiān)測(cè)管路振幅來(lái)間接監(jiān)測(cè)振動(dòng)應(yīng)力直至焊接管路發(fā)生疲勞破壞為止。

在試驗(yàn)中，由于無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估焊接管路的疲勞極限，可采用分級(jí)加載逐次逼近的方法獲取焊接管路的振動(dòng)疲勞極限，其包括以下步驟：

利用上述試驗(yàn)裝置，使焊接管路以10⁷次/循環(huán)進(jìn)行疲勞循環(huán)；

每完成一個(gè)循環(huán)，增加應(yīng)力載荷進(jìn)入下一循環(huán)，直至產(chǎn)生疲勞裂紋；以及

記錄產(chǎn)生疲勞裂紋時(shí)所經(jīng)歷的疲勞循環(huán)數(shù)，然后代入s-n曲線方程中計(jì)算出焊接管路的疲勞極限。

試驗(yàn)過(guò)程中，選取疲勞循環(huán)的初始應(yīng)力載荷為焊接管路的材料的疲勞極限的60％，應(yīng)力載荷增加的步長(zhǎng)可設(shè)置為材料疲勞極限的5％，即每完成一個(gè)循環(huán)后，所增加的應(yīng)力載荷為焊接管路的材料的疲勞極限的5％。

試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)焊接管路最大振動(dòng)應(yīng)力或者振幅下降2％時(shí)，認(rèn)為焊接管路產(chǎn)生了疲勞裂紋，可記錄此時(shí)焊接管路經(jīng)歷的疲勞循環(huán)數(shù)，然后代入s-n曲線方程中可計(jì)算出疲勞極限。

為確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，可將多根焊接管路振動(dòng)疲勞試驗(yàn)獲得的疲勞極限取平均值，得到一批焊接管路的疲勞極限，再計(jì)算這一批焊接管路疲勞極限的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值和變異系數(shù)，從而對(duì)焊接管路的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的獲取焊接管路振動(dòng)疲勞極限的試驗(yàn)系統(tǒng)圖。如圖5所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括上述試驗(yàn)裝置、振動(dòng)源和動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)。

其中振動(dòng)源向上述試驗(yàn)裝置提供振動(dòng)信號(hào)，其包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和振動(dòng)臺(tái)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率與幅值可控的正弦電壓信號(hào)，對(duì)振動(dòng)臺(tái)的功率放大器的激振頻率和輸出功率實(shí)施控制，通過(guò)功率放大器使振動(dòng)臺(tái)進(jìn)振動(dòng)，振動(dòng)臺(tái)對(duì)管路進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)。

振動(dòng)加速度傳感器獲取振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)模擬電壓信號(hào)，管路上粘貼的應(yīng)變片獲取動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)并通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)傳遞，位移測(cè)量傳感器獲取振動(dòng)位移信號(hào)并通過(guò)振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳遞。

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)將上述三種信號(hào)接入，進(jìn)行管路的振動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理分析。

本發(fā)明的試驗(yàn)裝置、系統(tǒng)及方法已在焊接管路高周疲勞試驗(yàn)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，此試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，疲勞試驗(yàn)方法正確可行。在高周疲勞試驗(yàn)中，管接頭不發(fā)生松動(dòng)，振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)穩(wěn)定，能比較準(zhǔn)確地獲取焊接管路的疲勞極限。

本發(fā)明的試驗(yàn)裝置僅僅是以該焊接管路結(jié)構(gòu)為例，但不以此為限，亦可是普通管路，抑或其他零部件如葉片等。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明所描述的實(shí)施方式僅僅是示范性的，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出各種其他替換、改變和改進(jìn)。因而，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求限定。