張 偉,由 于,徐 健
(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所,陜西?西安?710065)
某涵道尾槳疲勞壽命認(rèn)定試驗(yàn)中,尾槳受到2個方向的作用力:沿葉身方向的離心力和葉身法向的氣動力。離心力是葉片自重在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生,同時因轉(zhuǎn)速的波動而發(fā)生低周循環(huán);氣動力是尾槳高速旋轉(zhuǎn)時葉身受到的氣流壓力,同時因?yàn)橹味ㄗ拥母缮孀饔枚l(fā)生高周循環(huán)。
試驗(yàn)要求2種載荷能夠協(xié)調(diào)同步加載,真實(shí)模擬尾槳葉片在真實(shí)工作環(huán)境下的受載情況,復(fù)現(xiàn)葉片在工作中的破壞故障。
葉片受到的兩種試驗(yàn)載荷在三維坐標(biāo)系中正交,且頻率相差較大,無法使用單一試驗(yàn)加載設(shè)備進(jìn)行同時加載。經(jīng)過研究和試驗(yàn),最終的試驗(yàn)方案是離心力載荷采用由載荷傳感器、液壓作動缸和MOOG協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確加載,氣動力載荷采用由加速度傳感器、電磁振動臺和振動控制儀組成的系統(tǒng)進(jìn)行控制加載[1]。試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。
圖1 ??試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
試驗(yàn)采用疲勞試驗(yàn)?zāi)J剑?1.6 s為一個試驗(yàn)周期,每個試驗(yàn)周期中間間隔2 s。每一個試驗(yàn)周期內(nèi),高周循環(huán)載荷主動加載,且在加載開始時,發(fā)出同步觸發(fā)信號;低周循環(huán)載荷在初始狀態(tài),接收同步觸發(fā)信號,開始自動加載,一個周期結(jié)束后,回到初始狀態(tài),等待下一個試驗(yàn)周期的觸發(fā)信號[2]。試驗(yàn)流程如圖2所示。
圖2 ??試驗(yàn)同步加載流程
準(zhǔn)備工作就緒后,首先將低周循環(huán)載荷加載至初始狀態(tài)并保持,等待同步信號的觸發(fā);然后啟動高周循環(huán)載荷的加載,同時,振動控制儀發(fā)出同步觸發(fā)信號;MOOG控制器接收到觸發(fā)信號,執(zhí)行自動啟動試驗(yàn)的腳本文件,按照給定的載荷譜和加載程序,開始低周載荷的加載;同步觸發(fā)在0.3 s內(nèi)即可完成,因此認(rèn)為高、低周載荷是同時開始加載;一個試驗(yàn)周期結(jié)束,高周載荷停止,低周載荷回至初始狀態(tài);振動控制儀判斷是否到達(dá)設(shè)定的循環(huán)次數(shù),如果到達(dá),試驗(yàn)結(jié)束,若未到達(dá),間隔2 s,開始下一個試驗(yàn)周期的試驗(yàn);如果手動停止試驗(yàn),則高低周載荷分別執(zhí)行完本試驗(yàn)周期的載荷加載后,停止試驗(yàn)。
隨機(jī)截取一個試驗(yàn)周期內(nèi)的某段加載數(shù)據(jù),見表1,表中列出了每一個低周循環(huán)載荷到達(dá)峰谷時的命令反饋誤差,圖3則展示了實(shí)時加載過程中的加載精度。
表1 ??低周載荷加載結(jié)果
圖3 ??低周載荷加載過程曲線
對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得知,試驗(yàn)過程中低周載荷加載準(zhǔn)確,加載過程平穩(wěn),加載誤差小于0.8%,滿足試驗(yàn)的加載精度要求。低周疲勞載荷加載不受高周載荷加載的影響,充分驗(yàn)證了試驗(yàn)方案設(shè)計的正確性、載荷解耦的合理性。
試驗(yàn)前,對高周循環(huán)載荷進(jìn)行標(biāo)定,將力載荷轉(zhuǎn)化為位移量載荷。經(jīng)過標(biāo)定,高周載荷對應(yīng)的位移量為0.32 mm(峰峰值),試驗(yàn)將按照此位移量進(jìn)行控制加載。加載結(jié)果如圖4所示。
圖4??高周載荷加載結(jié)果
圖4 中左下部分和右半部分為實(shí)時控制信息,其中,C為控制命令:0.32 mm(峰峰值),加載頻率為91.82 Hz(Freq);1#和2#為振動臺臺面的位移幅值,3#為上夾板處位于葉尖的位移幅值,4#為上夾板處靠近葉根的位移幅值,該兩個測量點(diǎn)距離轉(zhuǎn)軸軸心的距離分別為220 mm和72 mm;左上部分為某段時間內(nèi)的加載控制結(jié)果。
從圖4的左上部分的加載結(jié)果可以看出,高周循環(huán)載荷的加載重復(fù)性較好,3#和4#測量點(diǎn)的位移量呈現(xiàn)線性比例關(guān)系,位移量之比大概為3:1,與測點(diǎn)位置距離轉(zhuǎn)軸軸心的比值近似相同。測量點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸的距離和測量點(diǎn)的位移量的比例關(guān)系為式(1)。
由式(1)的計算結(jié)果看出,測量點(diǎn)距轉(zhuǎn)軸的距離和測量點(diǎn)的位移量的比例關(guān)系的誤差小于2%,充分說明了高周循環(huán)載荷加載的準(zhǔn)確性較高,重復(fù)性較好。
任意選取某段時間內(nèi)的高周載荷加載過程,加載控制誤差如圖5所示。
圖5 ??高周載荷控制誤差
從圖5中可以看出,高周載荷的加載控制誤差均小于0.8%,低于試驗(yàn)大綱要求的1%的加載控制誤差,且加載的重復(fù)性較好。
高周載荷加載結(jié)果充分說明,高周循環(huán)載荷加載方案正確可行,能夠真實(shí)模擬試驗(yàn)件的受載情況,加載控制穩(wěn)定,重復(fù)性高,控制誤差小于0.8%,滿足高周循環(huán)載荷加載的精度要求。
高低周復(fù)合載荷的兩種載荷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理解耦及單獨(dú)加載,但最終還是通過一套內(nèi)外夾具將載荷傳遞至同一試驗(yàn)件上,兩種載荷的加載存在著較小的相互耦合,對載荷加載的精度會有一定的影響[3]。
對低周載荷加載誤差進(jìn)行分析,主要影響因素包括:
(1)高周循環(huán)載荷加載時的振動通過內(nèi)外夾具,傳遞至低周載荷加載裝置,導(dǎo)致低周載荷加載會出現(xiàn)輕微的波動,但沒有超出低周載荷的加載精度要求范圍。
(2)控制參數(shù)的設(shè)置。
(3)油源系統(tǒng)的壓力波動。
對高周載荷加載誤差進(jìn)行分析,主要影響因素包括以下2點(diǎn)。
(1)振動臺和試驗(yàn)件之間的連接機(jī)構(gòu)的微小間隙。
(2)長時間的高頻試驗(yàn),導(dǎo)致連接機(jī)構(gòu)緊固部分可能會出現(xiàn)松動[4]。
針對上述原因,在試驗(yàn)過程中,采取了以下措施:
(1)在內(nèi)外夾具之間增加橡膠墊進(jìn)行隔振處理。
(2)不斷調(diào)整和優(yōu)化控制參數(shù),以獲得更理想的控制效果。
(3)對低周載荷加載裝置進(jìn)行加固和減振處理,減小其受迫振動。
(4)每500個試驗(yàn)周期結(jié)束,試驗(yàn)暫停,使油泵系統(tǒng)、電磁振動臺冷卻降溫,對加載設(shè)備等進(jìn)行檢查緊固。
通過試驗(yàn)驗(yàn)證,上述措施,均有效提高了高、低周載荷的加載控制精度,進(jìn)一步改善了加載控制品質(zhì)。
通過試驗(yàn)驗(yàn)證,充分證明了該高低周復(fù)合載荷加載控制技術(shù)的正確性和可行性,加載控制協(xié)調(diào)平穩(wěn),加載精度滿足試驗(yàn)的要求。同時,此方法也為此類復(fù)合載荷試驗(yàn)提供了一種新的試驗(yàn)方法,為復(fù)合載荷的加載控制積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。對該試驗(yàn)方法加以改進(jìn)和優(yōu)化,即可進(jìn)行更大尺寸、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高低周復(fù)合載荷試驗(yàn),后期還可以考慮溫度載荷的疊加。