支臂疲劳试验工装改型研究

支臂疲劳试验工装改型研究

李洪彬

沈阳飞机工业（集团）有限公司辽宁沈阳110850

摘要：经过人类不断的对机械产品失效形式的研究分析，从大量结果表明由于疲劳破坏所导致的机械产品失效占据所有失效比例将近80%。这种在随时间做周期性变化的应力作用下引起的失效与静应力引起的失效截然不同，在这种交变应力作用下往往使产品失效的应力水平低于产品屈服极限。进行疲劳试验目的就是通过某种给定的交变应力条件下来验证我们在产品批量生产过程中的工艺稳定性，以及产品的疲劳特性是否满足使用要求。而为了完成试验疲劳试验，工装是一个重要因素，而工装的改型研究一直处于空白，如何把原有工装有效配置使其发挥作用是本文研究的主旨。

关键字；交变应力:疲劳试验:工装改型

以某机载设备支臂疲劳试验为例进行研究，以此总结出在疲劳试验工装改型过程的普遍规律，为其他项目的疲劳试验工装改型提供借鉴。从所给的输入条件载荷要施加在设备的重心上，重心位于两个支臂连接平面里面，在加载时根据力的传导性原理可将加载点在重心处沿各自轴线进行外延。试验按机体坐标系加载（X轴为机身水平基准线且顺航向为正，Y轴向上为正，并根据右手定则确定Z轴正向左机翼为正）。

直接按给定方向施加试验载荷，支臂安装的框线与X向和Y向相对地面都成一定角度，这样一方面使支臂与机载设备假件和试验工装之间连接难度都将加大不利于安装，另一方面也会使载荷施加设备与水平方向形成一定夹角，由于加载设备自重影响，也将导致施加载荷产生角度分量不能保证加载精度。

为了保证试验的准确，且便于试验过程中各种连接件的安装，需要在保证支臂相对空间位置的基础上使载荷方向调整到一个便于后续安装和加载的方向。由于该机载设备本身安装在两框之间，并与机身水平轴线成7.5°，试验要求在三个坐标轴六个方向上施加载荷谱块，这里我们把给定的支臂相对尺寸整体顺时针旋转187.5°，通过旋转就能使给定加载方向与我们实际空间的坐标重合，即与机头锥轴线重合，这样就解决了上述安装和加载的困难。

由于给定的载荷谱是建立在原有的坐标系基础上的，而进行了坐标转换以后，相应的还要把试验载荷谱进行矢量转化，这样才能使试验真正满足考核的要求。为了与转化后的载荷相匹配，需要在坐标转换后的机载设备假件上准确的定位出重心（或重心的延长线）。后续就要在相应位置补焊出满足强度和刚度要求的施力横梁。

由于只是在XY平面内进行旋转，所以Z向载荷没有变化。通过进一步分析发现整个载荷谱共8个谱序，把原有X向和Y向载荷谱进行综合归纳分析处理可分为4种情况，然后分别计算。

完成了试验坐标系的转换和载荷谱的矢量转化，接下来就是要进行支臂的夹具设计和施力梁的焊接。采用工装改型方式，由于上部两支臂转化后安装简化可以方便安装定位，以此作为安装基准，而改型研究的重点是坐标转换后支持底部两支臂的夹具设计。

在交变应力的作用下，应力集中对零件的强度都有严重影响，尤其是截面尺寸的急剧改变或者出现尖角往往都是零件破坏的根源。要使试验能顺利进行，夹具自身的持久极限一定要满足强度要求。可以采用对比法，与之前夹具相比，此次设计的夹具承力方向尺寸从8mm增加到10mm,制造过程采用整块胚料数控铣床一体加工，而原有夹具采用片式加工，后期焊接成型。同时加工表面对疲劳强度影响很大，高强度钢对表面粗糙度更为敏感，精加工才有利于发挥它的高强度性能。否则将会使持久极限大幅度下降。此次选择的材料与以往相同，都是30CrMnSi属于高强度钢范畴,通过数控铣床的精加工更好的保证了其强度要求。加工后又进行了淬火处理进一步提升了夹具的疲劳强度。而相比之前试验载荷值没有变化，所以夹具本身能够达到疲劳强度要求。

在夹具满足强度要求的基础上，保证支臂自身的夹角尺寸，以此形成空间夹角，因其直接影响到试件与夹具的贴合，如不能良好贴合将会在装配过程中产生应力集中，严重将损伤试件导致试验失败。

在完成了底部支持夹具的制造后，开始焊接机载设备假件上的施力横梁。对焊接施力横梁的焊接强度及横梁本身强度进行校核，由于受力模式相同，这里选取载荷值最大的负Y向进行校验，如经校核其能满足要求，其他情况载荷均可行。焊接的横梁采用普通10#槽钢两根，经计算得；k;焊缝腰长,本次焊接为8mm

l;焊缝长度，为40mm（减去两端部分），共4条。

[τ];焊缝许用切应力为100MPa

所得结果远远小于许用应力，所以焊接强度满足要求。

横梁强度计算得；

结果表明横梁自身能承受试验载荷。

图1

通过试验验证了支臂的疲劳特性满足飞机生命周期需要，同时也验证了工装改型方法的合理性和可行性。通过上述某机载设备疲劳试验工装改型方案的研究验证，总结出了一般规律，首先根据试验条件，定义利于工程实践的安装尺寸位置，其次对载荷谱块进行矢量转化并归纳载荷谱块类型，再次根据工装改型方案进行改装部位强度分析，最后通过试验进行验证。由于选择改型的疲劳试验工装为非特殊类型，所以具有普遍意义。为将来试验工装可重复利用以及试验成本控制都提供了新的思路。

参考文献

[1]《机械零件》西北工业大学机械原理及机械零件教研组编。濮良玉主编主编，1962年修订本。

[2]《机械设计》西北工业大学机械原理及机械零件教研组编。濮良玉、纪名刚主编，2001年年修订本。

[3]《材料力学》高等教育出版社。刘鸿文主编，2004年年修订本。