Установка для испытания образцов на термоусталость
FACILITY TO TEST SAMPLES FOR THERMAL FATIGUE

Изобретение относится к области технической физики, а именно к установкам для термоциклических испытаний образцов на длительную прочность, и может быть использовано для определения долговечности сплавов, применяемых в авиакосмической технике в условиях совместного действия термомеханических и вибрационных нагрузок.
Циклический характер теплового режима эксплуатации газотурбинных двигателей (ГТД), чередование переходных и стационарных этапов вызывает возникновение в элементах конструкций значительных температурных градиентов (до 300°С при максимальных температурах до 1200°С), что обуславливает возникновение больших термических напряжений. Между тем, большое число связанных между собой устройств и деталей, в совокупности с газодинамическими процессами, происходящими в газовом тракте ГТД, приводят к возникновению вибраций в отдельных узлах и системах.
Вибрационные нагрузки существенно влияют на термоциклический ресурс деталей, в связи с этим на стадии проектирования необходимо проводить исследования материалов, используемых для изготовления деталей ГТД, работающих в условиях комбинированного нагружения. Вместе с тем, в деталях ГТД, как правило, присутствуют остаточные напряжения, и реальный цикл нагружения является несимметричным. В связи с этим, для достоверного прогнозирования ресурса деталей необходимо использовать результаты испытаний материалов в условиях приложения комбинированных нагрузок при заданной асимметрии цикла.
Известна установка для испытания образцов на термическую усталость, содержащая силовой контур, выполненный в виде основания, закрепленные на нем колонны с неподвижной и подвижной траверсами, захваты для крепления образца, средства нагрева и охлаждения, регулятор температуры и узел изменения жесткости силового контура, выполненный в виде электромагнитов, установленных на колоннах и связанных с подвижной траверсой (авторское свидетельство СССР №1281982, кл. G01N 3/60, 1987 г.). Недостатком известного технического решения является ограничение возможностей применения установки, поскольку регулирование термического цикла на стадии нагрева-охлаждения обеспечивается изменением температуры при постоянном продувании сжатого воздуха через полый образец. Кроме того, узел изменения жесткости силового контура не обеспечивает возможность приложения к образцу регулируемых осевой нагрузки и динамического вибронагружения.
Известно устройство для испытания образцов на виброусталость, включающее в себя силовой контур, выполненный в виде основания, закрепленные на нем колонны с неподвижной и подвижной траверсами, пассивный захват, связанные с подвижной траверсой механизм статического нагружения осевой нагрузкой и электромагнитный возбудитель колебаний с рабочим органом, выполненным в виде резонатора, центральная часть которого представляет собой активный захват, соосный пассивному захвату, периферийная часть диска снабжена равномерно распределенной по периферии инерционной массой, а средняя часть жестко связана с подвижной траверсой, и средства контроля и регулирования нагрузки (В.В. Клюев «Испытательная техника», М., Машиностроение, 1982, т. 1, стр. 127, рис. 46). Недостатком данного устройства является наличие зазоров в подвижных соединениях низкочастотного привода статического нагружения, что не позволяет поддерживать резонансным режим высокочастотного нагружения в процессе изменения статической нагрузки. Кроме того, устройство не обеспечивает возможность проведения испытаний на термоусталость.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является известная установка для испытания образцов на термоусталость, содержащая установленную на основании силовую раму, размещенные на ней пассивный захват, устройство для нагружения знакопеременной нагрузкой, средство электронагрева испытуемого образца, блок управления и контроля температуры и средство регистрации термических нагрузок, при этом устройство для нагружения выполнено в виде корпуса с установленным в нем пакетом пьезоэлементов и рабочего органа, выполненного в виде диска, центральная часть которого представляет собой активный захват, соосный пассивному захвату, периферийная часть диска снабжена равномерно распределенной по окружности диска инерционной массой, а средняя часть жестко связана с корпусом (авторское свидетельство СССР №1631356, кл. G01N 3/60, 1991 г.). Особенностью жесткого термоциклического нагружения является то, что без дополнительной механической нагрузки растягивающие (в полуцикле охлаждения) и сжимающие (в полуцикле нагрева) напряжения в цикле неодинаковы. Асимметрия цикла по напряжениям при существенно различных значениях температуры имеет иной смысл, чем асимметрия при постоянной температуре. В первом случае большим значениям напряжений в цикле соответствуют меньшие значения температуры, и наоборот. Таким образом, основным недостатком известного технического решения является невозможность создания асимметрии цикла в процессе комбинированного нагружения образца, а также невозможность изменить частоту нагружения, не позволяющие в процессе испытаний полностью воспроизводить эксплуатационные условия нагружения материала.
Таким образом, техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в расширении технологических возможностей установки.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в реализации асимметричного термомеханического цикла изменяемой частоты нагружения.
Результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что установка для испытания образцов на термоусталость содержит установленную на основании силовую раму, размещенные на ней пассивный захват, устройство для нагружения знакопеременной нагрузкой, средство электронагрева испытуемого образца, блок управления и контроля температуры и средство регистрации термических нагрузок, при этом устройство для нагружения выполнено в виде корпуса с установленным в нем пакетом пьезоэлементов и рабочего органа, выполненного в виде диска, центральная часть которого представляет собой активный захват, соосный пассивному захвату, периферийная часть диска снабжена равномерно распределенной по окружности диска инерционной массой, а средняя часть жестко связана с корпусом. Согласно предлагаемому изобретению установка снабжена дополнительным устройством нагружения осевой нагрузкой, выполненным в виде трубчатого электронагревателя с трубопроводом, предназначенным для подачи охлаждающей среды, подвижной траверсой, установленной на раме с возможностью осевого перемещения и фиксации относительно последней, и платформой, размещенной на подвижной траверсе и снабженной средством регистрации термических нагрузок, причем один торец электронагревателя закреплен на основании, подвижная траверса связана с другим торцом электронагревателя, корпус устройства нагружения знакопеременной нагрузкой закреплен на платформе, а средства регистрации термических нагрузок выполнены в виде по крайней мере трех тензометрированных стержней.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заданного технического результата, а именно:
- снабжение установки дополнительным устройством нагружения осевой нагрузкой, выполненным в виде трубчатого электронагревателя с трубопроводом, предназначенным для подачи охлаждающей среды, подвижной траверсой, установленной на раме с возможностью осевого перемещения и фиксации относительно последней, и платформой, размещенной на подвижной траверсе и снабженной средством регистрации термических нагрузок, закрепление одного торца электронагревателя на основании, связь подвижной траверсы с другим торцом электронагревателя, закрепление корпуса устройства нагружения знакопеременной нагрузкой на платформе и выполнение средства регистрации термических нагрузок в виде по крайней мере трех тензометрированных стержней позволяет создавать и регулировать асимметрию термомеханического цикла при изменении частоты нагружения.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его конструкции и работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах, где:
на фиг. 1 изображена схема установки;
на фиг. 2 изображена схема выполнения рабочего органа устройства для нагружения знакопеременной нагрузкой.
Установка для термоциклических испытаний образцов на длительную прочность содержит основание 1, установленную на нем силовую раму, включающую колонны 2, связанные между собой при помощи верхней траверсы 3 (фиг. 1). На траверсе 3 закреплена втулка 4, в которой установлен пассивный захват 5, причем последний имеет возможность осевого перемещения для регулирования положения образца в процессе подготовки испытаний. На основании 1 размещено устройство для нагружения осевой нагрузкой, выполненное в виде трубчатого электронагревателя 6, в полости которого коаксиально последнему размещен трубопровод 7, предназначенный для подачи охлаждающей среды. Один торец электронагревателя 6 закреплен на основании 1, а другой торец связан с подвижной траверсой 8, установленной на колоннах 2 силовой рамы с возможностью перемещения и фиксации относительно колонн 2. На подвижной траверсе 8 размещена платформа 9, которая связана с траверсой 8 при помощи средства регистрации термических нагрузок, выполненного в виде по крайней мере трех тензометрированных стержней 10. На платформе 9 закреплен корпус 11 устройства для нагружения знакопеременной нагрузкой, в котором через сферическую шайбу 12 винтом 13 и гайкой 14 зажат пакет пьезоэлементов 15 (см. фиг. 1 и 2). Для фиксации устройства от осевого поворота предусмотрен стопорный штифт 16. Устройство для нагружения знакопеременной нагрузкой содержит рабочий орган, выполненный в виде диска 17, центральная часть которого представляет собой активный захват 18, расположенный соосно пассивному захвату 5, периферийная часть диска 17 содержит равномерно распределенную по его окружности инерционную массу 19, а средняя часть - жестко связана с корпусом 11 устройства. На активном захвате 18 закреплен датчик 20 контроля величины перемещений. Пассивный захват 5 через втулку 4 при помощи токоподводящей шины 21, активный захват 18 при помощи токоподводящей шины 22 и электронагреватель 6 при помощи токоподводящих шин 23 связаны с блоком управления и контроля температуры (на чертеже не показан). Для предотвращения скручивания образца 24 при его установке в активном захвате 18 предусмотрен упор 25.
Установка работает следующим образом. Фиксируют положение подвижной траверсы 8 относительно колонн 2. Образец 24 закрепляют в захватах 5 и 18 и перемещением пассивного захвата 5 во втулке 4 выбирают зазоры в цепи нагружения. При помощи токоподводящих шин 21, 22 и 23 производят нагрев образца 24 и электронагревателя 6 до заданной температуры, предварительно обеспечив возможность перемещения подвижной траверсы 8 относительно колонн 2. Образец 24, жестко закрепленный в захватах 5 и 18, в полуцикле нагрева увеличивается в размерах, в результате происходит сжатие. В полу цикле охлаждения размеры образца 24 уменьшаются, в результате происходит растяжение. Нагреватель 6, установленный соосно с образцом 24, при нагреве также изменяет свою длину, создавая дополнительную осевую нагрузку. Нагрузка от электронагревателя 6 через траверсу 8, тензометрированные стержни 10 и платформу 9 передается на активный захват 18. Управление частотой и амплитудой нагружений осуществляется изменением температуры электронагревателя 6 и расхода охлаждающей среды, подаваемой через трубопровод 7. Это позволяет осуществлять сочетание силовых статических нагрузок с различными термическими циклами, в том числе с выдержкой по времени, и регулировать задаваемую асимметрию циклов. В процессе испытания образец 24 нагружают знакопеременной нагрузкой при помощи рабочего органа соответствующего устройства. К пакету пьезоэлементов 15 подводят электрический ток, что приводит к последовательному расширению и сжатию последних с частотой проходящего через пакет тока. Колебания передаются на инерционную массу 19, расположенную по периферии диска 17, при этом частота колебаний пакета выбирается из условия обеспечения резонансных колебаний системы. Энергия колеблющейся массы 19 передается на активный захват 18 образца 24. Частота колебаний диска 17 регулируется путем изменения веса инерционной массы 19, а величина вибрационной нагрузки регулируется уровнем напряжения, подаваемого на пакет пьезоэлементов 15. Штифт 16 в процессе испытания предохраняет от возможного поворота захват 18 и приложения к образцу 24 скручивающего усилия. Регистрация термических нагрузок в процессе испытания осуществляется при помощи тензометрированных стержней 10.
Таким образом, предложенная установка обладает повышенными техническими возможностями за счет обеспечения возможности создавать и регулировать асимметрию термомеханического цикла при изменении частоты нагружения.