一种适用于高温环境的微动试验装置及其试验方法

本发明属于航空航天发动机，具体涉及一种适用于高温环境的微动试验装置及其试验方法，用于开展航空发动机高温部件的微动损伤评估工作。

背景技术：

1、连接件在力振动、温度循环变化等交幅变化载荷的耦合作用下，接触面之间会发生位移幅度在微米量级的相对运动，称为微动。结构件接触面间的微动会促进损伤处产生裂纹、裂纹扩展甚至到断裂，这个过程被称为微动疲劳，会加速结构件的破坏，导致一些连接件结构寿命显著下降，是导致结构件破坏的重要原因之一，被称为工业“癌症”。

2、在航空工业领域，微动疲劳更是造成故障的重要来源。据统计，在航空发动机的故障中，约有1/6是由微动疲劳引起的。航空发动机的涡轮盘与叶片通过榫接结构连接，在极高转速、振动、叶片气动力造成的惯性力和高温造成的温度载荷(约600℃)构成了接触面的接触载荷。在这种载荷下，接触区域的边缘会产生很高的应力集中和磨损，导致裂纹的产生和疲劳寿命的下降，使得微动疲劳成为榫接结构的主要失效模式。为评估航空发动机榫接结构微动疲劳寿命，需开展微动试验，揭示微动疲劳和微动磨损的失效机理。由于微动试验的多轴载荷特性，尤其是微动疲劳试验仍是一种典型的非标试验，其试验装置的设计仍是开展试验研究的最大难题。

3、目前的微动试验装置主要基于疲劳试验机进行改装设计：在利用单轴疲劳试验机施加切向载荷的同时，通过额外设计的加载装置施加法向载荷，其中采用自平衡力系加载原理设计的应力环装置，由此优势，已成为高温环境下施加法向载荷的常用选择。如，中国发明专利申请cn110208108 a（一种适用于高温的单卡头式微动疲劳试验装置）提出了一种开展高温环境下微动疲劳试验的可行方案，该方案的法向载荷加载为纯机械式装置，即螺栓加载的应力环装置，其结构紧凑，加载简单可靠，尤其适用于高温环境；为了避免与法向加载和切向加载装置的干涉，将高温炉分为三部分，各部分相对独立；此外，为了避免在高温环境下布置传感器，在应力环上粘贴应变片测量应变，从而间接换算为法向载荷。

4、然而，现有技术方案存在各自的不足，难以满足高温环境开展微动疲劳以及微动磨损试验的需求，具体不足如下：

5、（1）现有技术方案多采用整体形式的应力环进行法向载荷加载，需要使用定制的分体式高温炉加热，试验装置重量大，安装过程复杂、繁琐，不利于微动试验的开展。

6、（2）现有技术方案中微动垫直接与对中或者限位装置配合，受尺寸公差的影响存在装配间隙，在切向载荷作用下微动垫会发生刚体转动，一方面影响法向载荷的加载均匀性，另一方面则影响切向载荷的准确度。

7、（3）现有技术方案多在应力环上布置应变片，通过有限元方法建立应变与法向载荷的关系，进而间接测量法向载荷，受仿真模型、加工过程、应变片粘贴、摩擦力损耗等多种因素的影响，系统误差较大，法向载荷的测量精度差。

技术实现思路

1、为克服现有技术方案的不足，本发明提供一种适用于高温环境的微动试验装置及其试验方法，能够充分法向载荷对中性、切向载荷精准度、可安装性等要求，能够有效开展材料级试验件的微动磨损和微动疲劳试验，服务与支撑航空发动机高温部件的微动疲劳性能评估。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于高温环境的微动试验装置，包括法向载荷加载装置、微动垫限位装置、切向载荷加载装置、高温加载装置以及相应的试验件和微动垫；所述的法向载荷加载装置包括分半式应力环、加载螺栓、防松螺母、加载盒、传感器组件、直线轴承、加载连杆、水冷装置、应力环水冷管道接头；分半式应力环通过螺栓连接组成完整的应力环，实现法向载荷的同步、稳定加载，同时分半式设计便于试验安装；通过拧紧加载螺栓产生法向压紧力，依次通过传感器组件、加载连杆、微动垫传递到试验件上；加载连杆通过直线轴承安装在分半式应力环上，减小法向载荷传递的损耗并提高同轴性；分半式应力环靠近直线轴承处的上下端面设置有水冷装置，对直线轴承进行冷却，并防止热量传递到传感器组件上；微动垫限位装置包括支撑外壳、轴承盖、调节螺栓和异形分半式直线轴承；通过调节螺栓顶紧微动垫，消除微动垫与支撑外壳之间的配合间隙，保证切向载荷施加过程中的精准可控；采用异形分半式直线轴承降低微动垫与支撑外壳之间的摩擦系数，减小因消除间隙过程中调节螺栓引入的预紧力对法向载荷传递造成的损耗。所述的切向载荷加载装置为水冷式拉伸夹具，分为上夹具、下夹具，上夹具、下夹具完全对称，上夹具、下夹具均包含试验件夹具、夹持段、夹具水冷管道接头、限位装置拧紧螺栓和试验件拧紧螺栓；试验件夹具的一端与试验件以及微动垫限位装置相连，另一端与夹持段相连，夹持段的另一端与疲劳试验机相连；由疲劳试验机施加周期性的切向载荷，依次经过夹持段、试验件夹具传递到试验件上；所述高温加载装置为对开式高温炉，整体置于分半式应力环的内侧，包含通过合页连接的左炉体和右炉体，高温炉上设置有相互垂直的切向加载孔和法向加载孔，分别穿过切向载荷加载装置和法向载荷加载装置，左炉体、右炉体的开合面中部设置有矩形观察窗，用于试验前安装过程的辅助定位和试验中的状态监测。

4、进一步地，所述分半式应力环上设置有贯穿式的方形槽，用于布置所述传感器组件的信号线。

5、进一步地，所述传感器组件包括压力传感器和传感器安装座，两者通过螺栓连接，传感器安装座的外部对称设置“一”字型限位结构，与方形槽配合限制周向运动，防止螺栓拧紧过程的扭矩带动传感器组件旋转，损坏信号线。

6、进一步地，所述加载盒与分半式应力环为分离式设计，两者通过螺栓连接，便于传感器组件以及加载连杆的安装。

7、进一步地，所述水冷装置上配置有应力环水冷管道接头，通过水冷管道与冷水机相连提供冷却水，每个分半式应力环上设置有两个应力环水冷管道接头，其中，位于下端的水冷管道接头为入水口，位于上端的水冷管道接头为出水口，实现对分半式应力环的充分冷却。

8、进一步地，所述异形分半式直线轴承与微动垫之间在紧密贴合状态下为过盈配合，异形分半式直线轴承与微动垫形成的装配体与支撑外壳之间为间隙配合，保证调节螺栓具有足够的调节行程来消除间隙。

9、进一步地，所述调节螺栓共有4组，分别限制两侧微动垫在垂直于法向的平面内两个方向上的位移，实现对装配间隙的消除作用，同时调节螺栓均配置有弹簧垫片和螺母，防止调节螺栓在试验过程中发生松动形成新的间隙。

10、进一步地，所述异形分半式直线轴承包括轴承外环、固定架、固定螺钉、限位销钉、球滚子，整体外轮廓以及工作面轮廓为方形，外轮廓中每个角均做切角处理，并沿对角线切分为两块，每块之间通过四个沿对角线方向的限位销钉连接，防止调节螺栓顶紧，从而消除间隙过程中的错位。

11、进一步地，所述轴承外环的内侧各面上均设置有两条圆柱形槽，用于安装球滚子；球滚子的半径小于圆柱形槽的半径，直径大于圆柱形槽的最大深度，保证球滚子在安装后凸出于轴承外环的表面，实现对微动垫的支承。

12、进一步地，所述球滚子的材料为氮化硅，硬度和弹性模量较高，具有良好的耐磨性和较低的摩擦系数。

13、进一步地，所述固定架安装在轴承外环两侧，限制球滚子在槽内的运动，固定架与轴承外环之间通过固定螺钉连接，保证足够的连接刚度。

14、进一步地，所述应力环水冷管道接头和夹具水冷管道接头为气动快插式接头，便于试验前后的快速安装与拆卸。

15、进一步地，所述高温加载装置的外壁面设置有沿周向均布的支承结构，用于支承分半式应力环，使得加载连杆保持悬空，不与高温加载装置直接接触，避免在法向载荷传递路径上引入额外的阻力。

16、进一步地，所述试验件包括微动磨损试验件和微动疲劳试验件，试验件考核截面为方形，通过螺纹、销钉连接的方式与试验件夹具相连。

17、进一步地，所述微动垫的外形为凸字形，与异形分半式直线轴承的接触部分为方形，具有自定位、防旋转的功能。

18、本发明还提供一种适用于高温环境的微动试验方法，包括如下步骤：

19、步骤1、将微动垫与微动垫限位装置组装为一体，拧紧调节螺栓，消除微动垫的配合间隙；

20、步骤2、在疲劳试验机上安装切向载荷加载装置、微动垫限位装置以及试验件；

21、步骤3、合上高温加载装置的左炉体、右炉体，通过法向加载孔放置加载连杆，组装法向载荷加载装置；

22、步骤4、连接水冷管道，打开冷水机，设定加热温度，开始加热，当温度达到设定值后再保温30min，使得温度彻底稳定；

23、步骤5、拧紧加载螺栓，观察压力传感器的示数使得法向载荷达到试验要求，通过疲劳试验机控制软件设置切向载荷参数，然后开始试验；

24、步骤6、试验过程中监测压力传感器的示数，当示数变化超过2%时，暂停试验重新调整法向载荷；否则，无需调整，直到试验结束。

25、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

26、（1）本发明提出的法向载荷加载装置大量采用了分体式设计，如分半式应力环、分离式的加载盒、分段的连载螺栓和加载连杆，便于高温试验的安装与拆卸，同时便于高温易损件更换，试验成本低。

27、（2）本发明在加载螺栓和加载连杆之间布置压力传感器直接测量法向载荷，相比与采用应变片间接测量的方法，系统误差更小，测量精度更高。

28、（3）本发明提出的微动垫限位装置，采用调节螺栓消除装配间隙，切向载荷的加载精度更高，同时采用异形分半式直线轴承，降低摩擦力，减小法向载荷的传递损耗更小。