叶片振动疲劳测试装置及测试方法与流程

本发明涉及叶片测试，尤其涉及叶片振动疲劳测试装置及测试方法。

背景技术：

1、叶片是发动机的关键部件，在周期性气流激振力作用下，因叶片共振导致的振动疲劳失效是叶片的主要失效形式，叶片疲劳试验是考核叶片强度的直接方法。

2、现有的叶片振动疲劳装置，通过钟罩炉对叶片进行加热，需要将固定叶片的夹具一起放入钟罩炉中加热，高温环境对夹具的力学传递特性提出非常高的要求，很多材料在常温和高温下表现出的力学特性差异很大，如在高温加热并恢复常温后(类似于淬火工艺)，材料微观晶体结构易发生明显变化，无法二次使用造成试验成本不受控；其次高温对系统连接部分的阻尼特性影响也不可忽视，实测表明在不同温度下连接部位的阻尼变化较大，阻尼的增大会导致信号幅值衰减，叶尖振幅采集信噪比降低。

3、另外，现有的叶片振动疲劳试验中，对叶片振动频率的追踪，都是在振动台振动一定次数(如一万次)后，对叶片重新进行一次扫频，在进行扫频后驻留频率，当叶片的固有频率下降了1％，视为出现了裂纹。该振动控制技术相对落后，无法实时监测叶片频率变化情况，故无法及时监控叶片的失效情况。

4、因此，亟需叶片振动疲劳测试装置及测试方法，以解决以上问题。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于提供一种叶片振动疲劳测试装置，能够单独对叶片进行均匀加热，避免高温加热对夹具造成影响，使夹具能够重复多次利用，同时削弱高温对系统连接部分的阻尼特性影响，有利于防止叶尖振幅采集信噪比降低。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、叶片振动疲劳测试装置，包括：

4、振动台，用于对待测试的叶片提供激振力，所述叶片通过夹具安装于所述振动台上；

5、加速度传感器，用于采集所述振动台输出的振动加速度信号；

6、磁感线圈，所述磁感线圈设置于所述叶片的待加热区域，用于对所述叶片加热；

7、非接触式温度传感器，用于测量所述叶片的温度；

8、应变片，所述应变片粘贴于所述叶片的最大应力点处，用于监测所述叶片的应力等级；

9、位移传感器，用于监测所述叶片的叶尖振幅；

10、振动控制器，与所述振动台、所述加速度传感器以及所述位移传感器电连接，所述振动控制器根据所述加速度传感器和位移传感器采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当所述叶片的共振频率下降预设值时，所述振动台停止振动。

11、作为可选方案，所述叶片振动疲劳测试装置还包括：

12、导磁体，所述导磁体设置于所述叶片的叶尖，以增大所述叶片处的磁感强度。

13、作为可选方案，所述叶片振动疲劳测试装置还包括：

14、功率放大器，电连接于所述振动控制器和所述振动台之间，所述振动控制器发出的驱动信号经所述功率放大器放大后驱动所述振动台产生振动激励。

15、本发明的第二个目的在于提供一种叶片振动疲劳测试方法，能够实时监测叶片固有频率变化情况，并通过对叶片固有频率变化分析，及时监控叶片的失效情况，提高了叶片振动疲劳测试的精准度。

16、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

17、叶片振动疲劳测试方法，基于如上所述的叶片振动疲劳测试装置对所述叶片进行振动疲劳测试，包括如下步骤：

18、s1：利用所述夹具将所述叶片固定于所述振动台上；

19、s2：在所述叶片上安装所述磁感线圈，开启对所述叶片进行磁感加热，使所述叶片温度维持在预设温度；

20、s3：启动所述振动台对所述叶片施加振动激励，对所述叶片的共振频率进行实时监测，当所述叶片的共振频率下降预设值时，所述振动台停止振动；

21、s4：对所述叶片进行探伤，确定失效位置，以判断测试数据是否有效。

22、作为可选方案，在步骤s3中，在低振动量级时扫频获取所述叶片的共振频率，在共振频率上进行共振驻留试验，逐步增加振动量级以提高所述叶片的振幅，所述叶片的振幅达到初始应力等级对应振幅值80％时作为共振驻留试验开始时间，然后将所述叶片振幅逐渐增加到100％振幅。

23、作为可选方案，在步骤s3中，所述叶片的共振频率下降≥1％时停止测试。

24、作为可选方案，在步骤s4中，判断测试数据是否有效时，若失效位置在目标考核位置，则数据有效；若失效位置在非考核部位则数据无效；若所述叶片的共振频率下降＜1％且达到规定的振动循环数，测试后所述叶片探伤无异常则数据有效。

25、作为可选方案，在进行步骤s2前，对加工完成的所述磁感线圈进行温度标定试验，包括：

26、将所述磁感线圈安装于试验用的所述叶片上，在所述叶片上选取多个温度监测点，在所述温度监测点处设置接触式热电偶，通过所述接触式热电偶检测磁感加热时所述叶片上各温度监测点处的实际温度，并比对各温度监测点处的温度偏差，以判断所述磁感线圈对所述叶片加热的均匀性；

27、选取实际温度最高的所述温度监测点，通过所述非接触式温度传感器对温度最高的所述温度监测点进行温度监测，根据所述非接触式温度传感器和所述接触式热电偶的监测温差，调整所述非接触式温度传感器的红外发射率，确保所述接触式热电偶和所述非接触式温度传感器的监测温差控制在预设范围内。

28、作为可选方案，在进行步骤s1前，对所述夹具的夹紧力矩进行摸索试验，包括：

29、从待测试的所述叶片中任意选择多个所述叶片，测量所述叶片的一阶固有频率与安装夹紧力矩之间的关系，得到多个所述叶片的一阶固有频率趋于平稳时的安装夹紧力矩，取多个所述叶片的所述安装夹紧力矩的平均值，作为正式测试时所述夹具对所述叶片的安装力矩。

30、作为可选方案，在进行步骤s1前，进行应力振幅标定试验，包括：

31、进行特征扫频得到所述加速度传感器和所述位移传感器的传递关系，识别所述叶片的一阶共振频率，在所述一阶共振频率上进行所述叶片的共振驻留试验，使用所述位移传感器测量所述叶片的叶尖振幅，在固定的所述叶尖振幅下读取所述应变片测量的叶片应变值，获取一组所述叶片应变值与所述叶尖振幅的关系，通过增加所述叶尖振幅的方式获取三组以上数据，获得所述叶片应变值与所述叶尖振幅的相关系数，若所述相关系数不小于预设系数，则根据标定结果计算所述叶片在指定应力水平下的振幅，作为正式测试时的控制参数。

32、有益效果：

33、本发明提出的叶片振动疲劳测试装置，通过设置磁感线圈对叶片进行加热，加热速度较快，有效缩短测试时间。而且能够单独对叶片进行均匀加热，避免高温加热对夹具造成影响，使夹具能够重复多次利用，同时削弱高温对系统连接部分的阻尼特性影响，有利于防止叶尖振幅采集信噪比降低，从而提高测试精准度。并且，可有效避免对非接触式温度传感器、位移传感器及加速度传感器的电磁干扰。另外，通过位移传感器对叶片的叶尖振幅进行实时监测，并通过加速度传感器采集振动台输出的振动加速度信号，振动控制器根据加速度传感器和位移传感器采集的信号传递关系获取当前共振频率，通过实时跟踪共振频率的相位变化情况分析计算实时共振频率，当叶片的共振频率下降预设值时判断叶片已经出现损伤失效，振动台停止振动，疲劳测试停止。

34、本发明提出的叶片振动疲劳测试装置，通过磁感线圈取代钟罩炉对叶片进行加热，降低了振动台上承载的机构重量，有利于提升振动台出力，获取更高加速度激振，满足高加速度应用需求。再者，降低了振动台上承载的机构高度，有利于降低横向振动影响，优化振动传递效率和扫频幅值比，有利于更好地发现共振频率，改善共振频率失稳情况，满足更高频的叶片测试需求。

35、本发明提出的叶片振动疲劳测试装置，取代了传统的钟罩炉，叶片无遮挡，直接对叶片进行位移测量，解决了传统钟罩炉叶片位移测量时需透过石英玻璃，受散射、衰减问题影响严重，位移信噪比明显差等问题。再者，位移传感器安装布局不受限制，可任意调整角度，传统的钟罩炉加热时，只能通过狭小的石英玻璃观察窗口入射激光信号，安装角度位置比较受限。

36、本发明提出的叶片振动疲劳测试方法，能够实时监测叶片固有频率变化情况，并通过对叶片固有频率变化分析，及时监控叶片的失效情况，提高了叶片振动疲劳测试的精准度。