一種空心圓棒試件的高溫拉壓疲勞試驗夾具的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料疲勞性能試驗設備，尤其是金屬材料的單軸高溫拉伸/壓縮疲勞試驗夾具的設計制造領域。
【背景技術】
[0002]航空發(fā)動機渦輪葉片服役條件惡劣(高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、燃氣腐蝕等)，葉片材料承受著交變的機械載荷與熱載荷。開展葉片材料在復雜極端工況下的疲勞試驗，以研宄其疲勞性能，具有十分重要的意義。目前高壓渦輪葉片大多為空心氣冷葉片，葉片內(nèi)外壁存在很高的溫差，導致葉片在壁厚方向存在著顯著的溫度梯度。已有研宄表明，溫度梯度的存在改變了葉片材料的微觀結(jié)構(gòu)的損傷機理，使葉片表面提前形成褶皺，產(chǎn)生應力集中，使葉片疲勞損傷加劇。因此十分有必要研宄葉片材料在溫度梯度下的高溫疲勞性能，研宄成果可支撐先進航空發(fā)動機渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強度設計與疲勞壽命預測。
[0003]標準空心圓棒試件被美國ASTM E2368-10、ISO 12111:2011等標準推薦作為高溫疲勞試驗試件。在試件整體加熱的同時，在試件內(nèi)部通冷卻氣體模擬真實空心氣冷渦輪葉片的內(nèi)部空氣冷卻，可有效地在試件壁厚方向形成理想的溫度梯度。此時對試件進行拉伸/壓縮疲勞試驗，則可獲得葉片材料在溫度梯度下的疲勞性能。但對空心圓棒試件的拉伸/壓縮疲勞夾具的設計存在兩個顯著的問題:(I)如何消除試件與夾具的螺紋連接間隙，以開展拉伸/壓縮疲勞試驗；(2)如何設計冷卻氣流通道，以冷卻試件內(nèi)部，形成溫度梯度。查閱了已有專利文獻，并未發(fā)現(xiàn)可以能夠解決上述兩個核心問題的空心圓棒試件高溫夾具，因此有必要設計一種適用于空心圓棒試件的高溫拉伸/壓縮疲勞試驗夾具。
[0004]實用新型CN 2767993Y設計了一種測試薄壁管材高溫拉伸性能的夾具，用于測試薄壁管材(壁厚小于2_)的全管段試樣高溫拉伸性能。由于全管段試樣的結(jié)構(gòu)與標準空心圓棒試件具有明顯差異，導致該專利無法夾持空心圓棒試件。此外，該專利的夾持方案也不能滿足施加壓縮載荷的需要。
[0005]發(fā)明專利CN 101358915A設計了一種金屬薄壁管材試樣軸向拉壓疲勞試驗夾具，通過一對分別具有凹凸面的楔形夾塊壓緊薄壁管試件，用于測試管壁拉壓性能。該夾具設計方案不能用于標準空心圓棒試件的夾持，也無法完成試件壁厚方向溫度梯度的構(gòu)建。
[0006]發(fā)明專利CN 104101532A設計了一種金屬薄壁管材試樣高溫高壓水軸向拉壓疲勞試驗夾具。該專利同樣也不適用于標準空心圓棒試件的夾持，且無法完成試件壁厚方向溫度梯度的構(gòu)建。
[0007]實用新型CN 201382879Y設計了一種金屬薄壁等厚管材高溫疲勞試驗夾具。該專利無法滿足標準空心圓棒試件的夾持，且不能提供壓縮載荷，不能在試件內(nèi)部提供冷卻氣流。
[0008]實用新型CN 201867334 U設計了一種多功能材料疲勞試驗引申夾具。該專利無法滿足標準空心圓棒試件的夾持，且不能提供壓縮載荷，不能在試件內(nèi)部提供冷卻氣流。
[0009]實用新型CN 204101375 U設計了一種軸向疲勞性能試驗用夾具。該專利針對實心圓棒試件設計，夾具不能在試件內(nèi)部提供冷卻氣流，形成溫度梯度。
[0010]綜上，現(xiàn)有技術不能用于標準空心圓棒試件的夾持，也無法完成試件壁厚方向溫度梯度的構(gòu)建；同時不能提供壓縮載荷，不能在試件內(nèi)部提供冷卻氣流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明解決的技術問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種空心圓棒試件的高溫拉壓疲勞試驗夾具，滿足空心圓棒試件在溫度梯度下的拉伸/壓縮疲勞試驗需求，且能夠穩(wěn)定夾持空心圓棒試件，同時能夠進行冷卻空氣通道的疲勞試驗。
[0012]本發(fā)明的技術解決方案是:一種空心圓棒試件的高溫拉壓疲勞試驗夾具，包括:接頭⑴、連桿⑵、套筒⑷、試件蓋(5)、空心圓棒試件(6)和冷卻器接頭⑶；接頭⑴的光棒端被疲勞機液壓夾頭夾緊；接頭(I)通過沉頭螺栓(7)與連桿(2)相連；連桿(2)與套筒(4)通過螺母(3)擰緊；空心圓棒試件(6)擰進試件蓋(5)中，作為整體通過試件蓋(5)的螺紋旋進套筒(4)中，且被連桿(2)的空心桿端頂住，消除了螺紋間隙；冷卻器接頭(8)穿過套筒(4)，將冷氣通入連桿(2)的內(nèi)腔，進而進入空心圓棒試件內(nèi)部，向下并排出，實現(xiàn)試件的內(nèi)部冷卻，以實現(xiàn)在試件壁厚方向的溫度梯度。
[0013]在拉伸/壓縮疲勞試驗中的拉伸部分，拉力通過疲勞機夾頭傳遞給接頭(I)，并通過六個沉頭螺栓(7)將拉力傳給連桿(2);連桿(2)與套筒(4)通過螺母(3)螺紋連接，從而將拉力傳遞給了套筒(4);套筒(4)通過螺紋連接將拉力傳遞給試件蓋(5);試件蓋(5)與空心圓棒試件(6)螺紋連接傳遞拉力，從而實現(xiàn)了拉伸/壓縮疲勞試驗中拉伸載荷的施加。
[0014]在拉伸/壓縮疲勞試驗中的壓縮部分，壓力通過疲勞機夾頭傳遞給接頭(I)，并進通過接頭(I)與連桿(2)之間的接觸，將壓力傳給連桿(2);連桿(2)空心桿端與空心圓棒試件(6)端部接觸，從而將壓力傳給空心圓棒試件￠)，從而實現(xiàn)了拉伸/壓縮疲勞試驗中壓縮載荷的施加。
[0015]所述套筒(4)具有一個長孔，其尺寸可允許冷卻接頭(8)無阻礙地穿過套筒(4)，并螺紋連接到連桿(2)的空心桿上；而連桿(2)的空心桿與空心圓棒試件(6)接觸，從而氣流從冷卻接頭(8)進入連桿(2)，并通過空心桿流入空心圓棒試件，實現(xiàn)空心圓棒試件的內(nèi)部氣流冷卻。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有疲勞試驗夾具方案相比的優(yōu)點在于:
[0017](I)本發(fā)明可用于空心圓棒試件在室溫至高溫1000°C的溫度范圍內(nèi)的拉伸/壓縮疲勞試驗；
[0018](2)本發(fā)明可以為空心圓棒試件提供冷卻空氣，從而在試件壁厚方向形成所需的溫度梯度；
[0019](3)本發(fā)明的形式簡單，加工方便，通壓縮空氣冷卻試件時，可同時有效降低夾具溫度，減少高溫試驗時不必要的熱量傳遞給疲勞機。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明夾具在夾持空心圓棒試樣時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明夾具的接頭圖，其中(a)為外觀圖；(b)為左視圖；(C)為俯視圖；(d)為右視圖；
[0022]圖3為本發(fā)明夾具的連桿示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明夾具的套筒示意圖，其中(a)為外觀圖；(b)俯視圖；(C)右視圖；
[0024]圖5為本發(fā)明夾具的螺母示意圖，其中(a)外觀圖；(b)左視圖；(C)俯視圖；(d)右視圖；
[0025]圖6為本發(fā)明夾具的試件蓋示意圖，其中(a)外觀圖；(b)外觀圖；(C)左視圖；(d)俯視圖；(e)右視；
[0026]圖7為本發(fā)明夾具的冷卻器接頭示意圖，其中(a)外觀圖；(b)左視圖；(C)俯視圖；
[0027]圖8為本發(fā)明中夾持的空心圓棒試件示意圖，(a)外觀圖；(b)俯視圖；(C)剖視圖；
[0028]圖9為本發(fā)明中夾具組裝在疲勞機上進行試驗的總圖；
[0029]圖10為本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖視圖。
【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明主要針對適用于空心圓棒試件的帶冷卻通道的高溫疲勞夾具進行了設計。實際上試驗時，整套夾具包括兩個本發(fā)明夾具，分為上夾具和下夾具，完整安裝的總圖見圖9。首先分別組裝上、下夾具:
[0031]如圖1、2、3、4、5、6、7、10所示，首先組裝夾具。將接頭I與連桿2的粗端通過六個沉頭螺栓7連接擰緊，然后將套筒4套入連桿2的空心桿一端，要求套筒4的缺口正好與位于連桿2空心桿根部的兩個小齒套合，這樣既可以防止不必要的轉(zhuǎn)動，同時也準確定位了連桿2、套筒4的相對位置，方便后續(xù)安裝冷卻器接頭8。此時將螺母從連桿2的細端套入，并通過螺紋與連桿2粗端的螺紋擰緊連接，螺母將套筒4的臺階緊緊壓在連桿2上。最后將試件蓋5的圓端通過螺紋與套筒4連接，無需擰緊。此時即完成了上夾具的組裝。
[0032]下夾具的結(jié)構(gòu)與上夾具的結(jié)構(gòu)相同，組裝過程相同，完成下夾具的組裝。
[0033]完成上、下夾具的組裝后，分別將上、下夾具中的接頭放入疲勞機液壓夾頭夾塊中，然后夾緊疲勞機夾塊。完成夾具的安裝。
[0034]將圖8中的空心圓棒試件分別擰入上、下夾具中的試件蓋5中，此時注意將空心圓棒試件6夾持段的螺紋段超過試件蓋5螺紋長度，使空心圓棒試件6端部與連桿2的空心桿接觸。此時在分別擰緊上、下試件蓋，消除螺紋間隙。此時完成了試件的安裝。
[0035]如圖9，將包含試件的夾具部分放入高溫爐中。
[0036]從空氣壓縮機引出壓縮冷卻氣膠管，膠管與上夾具中的冷卻氣接頭8相連，用密封環(huán)壓緊膠管與冷卻氣接頭8。
[0037]冷卻氣流經(jīng)過上夾具一一空心圓棒試件一一下夾具后從下夾具的冷卻氣接頭噴出。如果氣溫過高，應從下夾具的冷卻氣接頭8將氣流引出進行冷卻，防止高溫氣流對其他的儀器的損傷。至此整套夾具的安裝完成。
[0038]從上述具體實施過程可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明夾具不僅可以進行空心圓棒試件在高溫下帶溫度梯度的拉伸/壓縮試驗，還可以滿足實心圓棒試件高溫拉伸/壓縮疲勞試驗的需求。當然地，本發(fā)明夾具可用于常溫下的拉伸/壓縮試驗。附加地，在試驗結(jié)束試件時，如果試件并未完全斷裂，此時打開高溫爐自然冷卻試件的同時通入冷卻氣，可大大提高試件冷卻速率，顯著減少拆卸試件的等待時間。
【主權(quán)項】
1.一種空心圓棒試件的高溫拉壓疲勞試驗夾具，其特征在于包括:接頭(I)、連桿(2)、套筒(4)、試件蓋(5)、空心圓棒試件(6)、沉頭螺栓(7)和冷卻器接頭⑶；接頭⑴的光棒端與疲勞機相連，另一端通過六個沉頭螺栓(7)與連桿(2)的粗端相連；連桿(2)的空心桿部分套入套筒(4)中，連桿(2)與螺母(3)之間為螺紋連接；空心圓棒試件(6)與試件蓋(5)螺紋連接；試件蓋(5)與套筒(4)螺紋連接；空心圓棒試件￠)的端部被連桿(2)的空心桿頂?。焕鋮s器接頭(8)穿過套筒(4)的孔，與連桿(2)的空心部分螺紋連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心圓棒試件高溫拉壓疲勞試驗夾具，其特征在于:所述連桿(2)中的空心桿與空心圓棒試件(6)的端部壓緊，可以消除空心圓棒試件(6)與試件蓋(5)、試件蓋(5)與套筒(4)之間螺紋間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心圓棒試件高溫拉壓疲勞試驗夾具，其特征在于:所述連桿(2)中的空心桿與空心圓棒試件(6)連通，形成空心圓棒試件的冷卻氣流通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心圓棒試件高溫拉壓疲勞試驗夾具，其特征在于:所述套筒(4)存在稍大于冷卻氣接頭(8)的外徑的孔。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空心圓棒試件的高溫拉壓疲勞試驗夾具，實現(xiàn)對空心圓棒試件在高溫試驗時的內(nèi)部氣流冷卻，進而可以在高溫試驗時在空心圓棒試件內(nèi)外壁面形成所需的溫度梯度；疲勞機液壓夾頭夾緊接頭的光棒端，并通過沉頭螺栓與連桿相連；連桿與套筒通過螺母擰緊；試件擰進試件蓋中，并一同擰入套筒中，且被連桿的空心桿端頂住，消除螺紋間隙；從壓縮機過來的冷卻氣流從冷卻器接頭穿過，通過較大的孔穿過套筒，進入連桿的內(nèi)腔，并進而進入空心圓管試件內(nèi)部，向下進入試件，并通過下夾具并排出。本發(fā)明滿足多種尺寸的空心圓棒試件的穩(wěn)定夾持，并實現(xiàn)其在高溫條件下的單軸拉伸、拉伸/壓縮疲勞。
【IPC分類】G01N3-04
【公開號】CN104792612
【申請?zhí)枴緾N201510232959
【發(fā)明人】王榮橋, 蔣康河, 胡殿印, 申秀麗, 樊江
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年5月8日