CN103528824A - 基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台 - Google Patents

基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台，涉及航空发动机实验装置。本实验台的结构主要是：在外转轴内设置有内转轴，两者中心轴线重合，通过中介支承结构机械耦合；在内转子驱动电机机座上设置有内转子驱动电机，内转子驱动电机通过主联轴器和内转轴连接，套在内转轴上的内转子左轮盘、内转子左支承结构、内转子右轮盘和内转子右支承结构沿中心轴线依次连接；套在外转轴上的外转子左支承结构、外转子左轮盘和外转子右轮盘沿中心轴线依次连接。本发明采用可调刚度的弹性支承，可实验支承刚度对双转子动力特性的影响；可以模拟航空发动机双转子质量不平衡、转子碰摩和支座松动等机械故障。

Description

基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台
技术领域
本发明涉及航空发动机实验装置，尤其涉及一种基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台。
背景技术
航空发动机为飞行器的动力装置，其健康状况和可靠性影响着飞行的安全。随着航空运输业的快速发展，飞行器的复杂程度和制造成本不断提高，航空发动机工作可靠性对企业运营成本的影响日益突出。因此，为了使发动机安全高效地运行，节省维修成本，就必须了解发动机的运行状况，掌握其变化规律和趋势，对关键部件实时状态监测与故障诊断。
目前航空发动机故障诊断研究大多偏重于故障机理分析和诊断方法的探索。由于航空发动机造价不菲，试车成本昂贵，理论的验证往往要借助于故障模拟实验台。目前国内模拟航空发动机转子故障的双转子实验台极少。现有的双转子实验台也只是保留了航空发动机双转子这一典型结构，而对用于模拟压气机和涡轮级叶片的轮盘在转子上的定位比较随意，更没有考虑对实际航空发动机机匣所受的气动力、弹性力进行模拟。这些简化了的实验台与发动机的实际情况偏差极大，限制了其故障特性的实验研究。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台。
本发明的目的是这样实现的：
基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台的结构是：在外转轴内设置有内转轴，两者中心轴线重合，通过中介支承结构机械耦合；
在弹性基础的上面设置有底座；
在底座上的中间，从左至右，分别设置有内转子驱动电机机座、内转子左支承结构、外转子左支承结构和内转子右支承结构，分别通过紧固螺栓和底座连接；
在内转子驱动电机机座上设置有内转子驱动电机，内转子驱动电机通过主联轴器和内转轴连接，套在内转轴上的内转子左轮盘、内转子左支承结构、内转子右轮盘和内转子右支承结构沿中心轴线依次连接；套在外转轴上的外转子左支承结构、外转子左轮盘和外转子右轮盘沿中心轴线依次连接；
在底座上的前面，从左至右，依次设置有前外转子驱动电机机座、前一支承结构和前二支承结构，在前外转子驱动电机机座上设置有前外转子驱动电机，前外转子驱动电机、前联轴器、前一支承结构、前皮带轮和前二支承结构沿前轴线依次连接；
在底座上的后面，从左至右，依次设置有后外转子驱动电机机座、后一支承结构和后二支承结构，在后外转子驱动电机机座上设置有后外转子驱动电机，后外转子驱动电机、后联轴器、后一支承结构、后一皮带轮、后二皮带轮和后二支承结构沿后轴线依次连接；
外转轴由设置在前轴线和后轴线上的前皮带轮、后一皮带轮、后二皮带轮分别通过前皮带、后一皮带和后二皮带驱动；
前激振器安装于底座的前端，垂直于中心轴线，右激振器安装于底座的右端，平行于中心轴线；
将碰摩装置安装在待测轮盘位置，使碰摩内环包围在待测轮盘的外周，在碰摩装置的碰摩外环上呈90°安装两个压电式速度传感器；
在内转轴和外转轴附近各安装一个电涡流位移传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及积极效果：
1、采用可调刚度的弹性支承，可实验支承刚度对双转子动力特性的影响；
2、可以模拟航空发动机双转子质量不平衡、转子碰摩和支座松动等机械故障；
3、采用碰摩装置来模拟动静碰摩；
4、弹性可调的弹性基础，用来模拟机匣外所受的弹性力；
5、采用激振器，布置在与轴向垂直和平行的方向，用以模拟机匣振动。
附图说明
图1是本实验台的结构示意图（主视）；
图2是本实验台的结构示意图（俯视）；
图3是本实验台的结构示意图（侧视）；
图4.1是碰摩装置的结构示意图（主视）。
图4.2是碰摩装置的结构示意图（侧视）。
图中：
00—弹性基础；           01—底座；      02—内转子驱动电机机座； 
03—内转子驱动电机；     04—主联轴器；     05—内转轴；
06—内转子左轮盘；       07—内转子左支承结构； 
08—外转子左支承结构；   09—外转轴；       10—外转子左轮盘；     
11—外转子右轮盘；       12—中介支承结构；  
13—内转子右轮盘；       14—内转子右支承结构；                   
15-1—前外转子驱动电机， 15-2—后外转子驱动电机；
16-1—前一支承结构，     16-2—前二支承结构，
16-3—后一支承结构，     16-4—后二支承结构；   
17-1—前皮带轮，         17-2—后一皮带轮， 17-3—后二皮带轮；
18-1—前皮带，           18-2—后一皮带，   18-3—后二皮带；
19-1—前激振器，         19-2—右激振器；
20—碰摩装置，20-1—碰摩支座，20-2—碰摩外环，
20-3—碰摩内环，20-4—碰摩螺钉；
21-1—前联轴器，         21-2—后联轴器；
22-1—前外转子驱动电机机座，22-2—后外转子驱动电机机座；
A—电涡流位移传感器；
B—压电式速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明。
一、实验台的结构
1、总体
如图1、2、3，本实验台包括弹性基础00、底座01、内转子驱动电机机座02、内转子驱动电机03、主联轴器04、内转轴05、内转子左轮盘06、内转子左支承结构07、外转子左支承结构08、外转轴09、外转子左轮盘10、外转子右轮盘11、中介支承结构12、内转子右轮盘13、内转子右支承结构14、前外转子驱动电机15-1、后外转子驱动电机15-2、前一支承结构16-1、前二支承结构16-2、后一支承结构16-3、后二支承结构16-4、前皮带轮17-1、后一皮带轮17-2、后二皮带轮17-3、前皮带18-1、后一皮带18-2、后二皮带18-3、前激振器19-1、         右激振器19-2、碰摩装置20、前联轴器21-1、后联轴器21-2、前外转子驱动电机机座22-1、后外转子驱动电机机座22-2、电涡流位移传感器A和压电式速度传感器B；
其位置和连接关系是：   
在外转轴09内设置有内转轴05，两者中心轴线重合，通过中介支承结构12机械耦合；
在弹性基础00的上面设置有底座01；
在底座01上的中间，从左至右，分别设置有内转子驱动电机机座02、内转子左支承结构07、外转子左支承结构08和内转子右支承结构14，分别通过紧固螺栓和底座01连接；
在内转子驱动电机机座02上设置有内转子驱动电机03，内转子驱动电机03通过主联轴器04和内转轴05连接，套在内转轴05上的内转子左轮盘06、内转子左支承结构07、内转子右轮盘13和内转子右支承结构14沿中心轴线依次连接；套在外转轴09上的外转子左支承结构08、外转子左轮盘10和外转子右轮盘11沿中心轴线依次连接；
在底座01上的前面，从左至右，依次设置有前外转子驱动电机机座22-1、前一支承结构16-1和前二支承结构16-2，在前外转子驱动电机机座22-1上设置有前外转子驱动电机15-1，前外转子驱动电机15-1、前联轴器21-1、前一支承结构16-1、前皮带轮17-1和前二支承结构16-2沿前轴线依次连接；
在底座01上的后面，从左至右，依次设置有后外转子驱动电机机座22-2、后一支承结构16-3和后二支承结构16-4，在后外转子驱动电机机座22-2上设置有后外转子驱动电机15-2，后外转子驱动电机15-2、后联轴器21-2、后一支承结构16-3、后一皮带轮17-2、后二皮带轮17-3和后二支承结构16-4沿后轴线依次连接；
外转轴09由设置在前轴线和后轴线上的前皮带轮17-1、后一皮带轮17-2、后二皮带轮17-3分别通过前皮带18-1、后一皮带18-2和后二皮带18-3驱动；
前激振器19-1安装于底座01的前端，垂直于中心轴线，右激振器19-2安装于底座01的右端，平行于中心轴线；
将碰摩装置20安装在待测轮盘位置，使碰摩内环20-3包围在待测轮盘的外周，在碰摩装置20的碰摩外环20-2上呈90°安装两个压电式速度传感器B；
在内转轴05和外转轴09附近各安装一个电涡流位移传感器A。
2、工作机理
内转子驱动电机03通过主联轴器04带动内转轴05、内转子左轮盘06和内转子右轮盘13，用来模拟低压转子的转速和力矩；
内转子左轮盘06和内转子右轮盘13分别通过胀紧联结套安装在内转轴05的左右两边，外转子左轮盘10和外转子右轮盘11分别通过胀紧联结套安装在外转轴09的左右两边，在上述四个轮盘的外周设置有均匀排列的孔，用以安装平衡螺栓来模拟质量不平衡；
通过碰摩装置20进行碰摩实验，获得不同碰摩形式、不同碰摩位置、不同支承刚度、不同转速比条件下的振动信号；
通过调节待测轮盘上的平衡螺栓，进行质量不平衡实验，获得不同质量不平衡量、不同不平衡位置、不同支承刚度和不同转速比下的振动信号；
通过人为地将支承结构的紧固螺栓松开一定程度，并对其进行轴向限位，获得不同支座松动位置、不同松动程度、不同支承刚度、不同转速比下的振动信号。
3、功能部件
下述功能部件除弹性基础00和碰摩装置20外，其它均为常用件；或为标准件，直接购买；或为简单结构自行设计和加工。
* 弹性基础
弹性基础由水泥台、压缩弹簧和地基上下连接组成；
所述的水泥台是一方形水泥平板；
所述的压缩弹簧包括前后两排共6个弹簧组；每个弹簧组又包括左、中、右三根高度和直径递减的弹簧；
所述的地基是一方形混泥土地基。
通过使水泥台下沉一定距离，逐步使6根、12根和18根弹簧分段发生作用，能改变弹性基础的支承刚度。
* 底座01采用铸铁加工制造，具有抗振性。
* 内转子驱动电机机座02、前外转子驱动电机机座22-1、后外转子驱动电机机座22-2根据对应的电机定制。
* 内转子驱动电机03、前外转子驱动电机15-1、后外转子驱动电机15-2均为同类型直流电机，能实现均匀转速。
* 主联轴器04为挠性联轴器，可以补偿被联两轴轴线相对偏移，具有缓冲减震性能。
* 内转轴05、外转轴09采用中碳调质钢制造，具有足够的强度和韧性。
*内转子左轮盘06、内转子右轮盘13、外转子左轮盘10和外转子右轮盘11均采用25Cr2MoV，具有足够的耐磨性，适于做碰摩实验。
* 内转子左支承结构07、内转子右支承结构14和外转子左支承结构08均由支座、轴承和鼠笼式弹性支承构成，通过改换鼠笼式弹性支承调整支承刚度。
* 中介支承结构12由滚针轴承构成，径向结构紧凑，适用于径向安装尺寸受限制的支承结果。
* 前一支承结构16-1、前二支承结构16-2、后一支承结构16-3、后二支承结构16-4均由轴承和支座构成，刚度不可调。
* 前皮带轮17-1、后一皮带轮17-2、后二皮带轮17-3为标准件，根据实际情况选配。
* 前皮带18-1、后一皮带18-2、后二皮带18-3为平皮带，根据实际情况选配。
* 前激振器19-1和右激振器19-2均为标准件，根据实际情况选配。
* 碰摩装置20
碰摩装置20由碰摩支座20-1、碰摩外环20-2、碰摩内环20-3和碰摩螺钉20-4组成；
在碰摩支座20-1上设置有碰摩外环20-2，在碰摩外环20-2内设置有碰摩内环20-3，碰摩外环20-2和碰摩内环20-3的圆心重合，在碰摩外环20-2上均匀设置有碰摩螺钉20-4。
碰摩外环20-2和碰摩内环20-3分别由两个半圆环连接而成，可拆卸，便于实验时安装在待测轮盘的外周。
碰摩内环20-3安装在碰摩外环20-2内，轴向固定，通过碰摩螺钉20-4使碰摩内环20-3产生径向变形，改变碰摩内环20-3和所测轮盘之间的间隙，制造碰摩，可以模拟单点碰摩、两点碰摩和整圈碰摩。
* 前联轴器21-1和后联轴器21-2为刚性联轴器，用于连接电机轴和前后驱动轴。
* 电涡流位移传感器A
电涡流位移传感器A是外购标准件，用于测量振动信号。
* 压电式速度传感器B
压电式速度传感器B是外购标准件，用于测量振动信号。
二、实验台的实验方法
1、碰摩实验
①将碰摩装置20安装在待测轮盘位置，使碰摩内环20-3包围在待测轮盘（可以是内转子左轮盘06、内转子右轮盘13、外转子左轮盘10和外转子右轮盘11中的任一个或几个）的外周，在碰摩装置20的碰摩外环20-2上呈90°安装两个压电式速度传感器B（如图4.1）；
②启动三个驱动电机（内转子驱动电机03、前外转子驱动电机15-1和后外转子驱动电机15-2），稳定外转子转速为3600rpm，内转子转速为3000rpm，内外转子转速比1.2，调节碰摩螺钉20-4改变碰摩内环20-3的变形量，分别测量单点碰摩、两点碰摩和整圈碰摩时碰摩外环20-2的振动信号；
③关闭三个驱动电机，变换支承结构（可以是内转子前支承结构07、内转子后支承结构14和外转子前支承结构08中的任一个或几个）中的鼠笼式弹性支承，使得支承刚度改变，启动三个驱动电机，分别测量单点碰摩、两点碰摩和整圈碰摩时碰摩外环20-2的振动信号；
④改变内外转子转速，升高或降低内外转子转速比，分别测量单点碰摩、两点碰摩和整圈碰摩时碰摩外环20-2的振动信号；
Figure 2013105337695100002DEST_PATH_IMAGE001
分别或同时启动前激振器19-1和右激振器19-2，分别测量单点碰摩、两点碰摩和整圈碰摩时碰摩外环20-2的振动信号；
其实验意义是：获得不同碰摩形式、不同碰摩位置、不同支承刚度、不同转速比和加激振力条件下的振动信号。
2、质量不平衡实验
Figure 595007DEST_PATH_IMAGE002
在内转轴05和外转轴09附近各安装一个电涡流位移传感器A，位置如图1、图2所示；
Figure 2013105337695100002DEST_PATH_IMAGE003
调节待测轮盘（可以是内转子左轮盘06、内转子右轮盘13、外转子左轮盘10和外转子右轮盘11中的任一个或几个）上的平衡螺栓，使得轮盘质量不平衡；
Figure 799723DEST_PATH_IMAGE004
启动三个驱动电机（内转子驱动电机03、前外转子驱动电机15-1和后外转子驱动电机15-2），稳定外转子转速为3600rpm，内转子转速为3000rpm，内外转子转速比1.2，测量质量不平衡时，内外转子水平和垂直方向的振动信号；
关闭三个驱动电机，变换支承结构（可以是内转子前支承结构07、内转子后支承结构14和外转子前支承结构08中的任一个或几个）中的鼠笼式弹性支承，使得支承刚度改变，启动三个驱动电机，测量内外转子水平和垂直方向的振动信号；
⑤改变内外转子转速，升高或降低内外转子转速比，测量内外转子水平和垂直方向的振动信号；
Figure 998623DEST_PATH_IMAGE006
分别或同时启动前激振器19-1和右激振器19-2，测量内外转子垂直方向的振动的信号；
其实验意义是：获得不同质量不平衡量、不同不平衡位置、不同支承刚度、不同转速比和加激振力条件下的振动信号。
3、支座松动实验
Figure 667502DEST_PATH_IMAGE002
在内转轴05和外转轴09附近各安装一个电涡流位移传感器A，位置如图1、图2所示；
Figure 660866DEST_PATH_IMAGE003
人为地将支承结构（可以是内转子前支承结构07、内转子后支承结构14和外转子前支承结构08中的任一个或几个）的紧固螺栓（和底座01紧固）松开一定程度，并对其进行轴向限位；
Figure 352878DEST_PATH_IMAGE004
启动三个驱动电机（内转子驱动电机03、前外转子驱动电机15-1和后外转子驱动电机15-2），稳定外转子转速为3600rpm，内转子转速为3000rpm，内外转子转速比1.2，测量支座松动时，内外转子垂直方向的振动的信号；
关闭三个驱动电机，变换支承结构（可以是内转子前支承结构07、内转子后支承结构14和外转子前支承结构08中的任一个或几个）中的鼠笼式弹性支承，使得支承刚度改变，启动三个驱动电机，测量内外转子垂直方向的振动的信号；
⑤改变内外转子转速，升高或降低内外转子转速比，测量内外转子垂直方向的振动的信号；
Figure 613275DEST_PATH_IMAGE006
分别或同时启动前激振器19-1和右激振器19-2，测量内外转子垂直方向的振动的信号；
其实验意义是：获得不同支座松动位置、不同松动程度、不同支承刚度、不同转速比和和加激振力条件下的振动信号。
4、碰摩、质量不平衡、支座松动实验可单独或同时进行。

Claims (3)

1.一种基于弹性基础的内外双转子故障模拟实验台，其特征在于：
在外转轴（09）内设置有内转轴（05），两者中心轴线重合，通过中介支承结构（12）机械耦合；
在弹性基础（00）的上面设置有底座（01）；
在底座（01）上的中间，从左至右，分别设置有内转子驱动电机机座（02）、内转子左支承结构（07）)、外转子左支承结构（08）和内转子右支承结构（14），分别通过紧固螺栓和底座（01）连接；
在内转子驱动电机机座（02）上设置有内转子驱动电机（03），内转子驱动电机（03）通过主联轴器（04）和内转轴（05）连接，套在内转轴（05）上的内转子左轮盘（06）、内转子左支承结构（07）、内转子右轮盘（13）和内转子右支承结构（14）沿中心轴线依次连接；套在外转轴（09）上的外转子左支承结构（08）、外转子左轮盘（10）和外转子右轮盘（11）沿中心轴线依次连接；
在底座（01）的前面，从左至右，依次设置有前外转子驱动电机机座（22-）、前一支承结构（16-1）和前二支承结构（16-2），在前外转子驱动电机机座（22-1）上设置有前外转子驱动电机（15-1），前外转子驱动电机（15-1）、前联轴器（21-1）、前一支承结构（16-1）、前皮带轮（17-1）和前二支承结构（16-2）沿前轴线依次连接；
在底座（01）的后面，从左至右，依次设置有后外转子驱动电机机座（22-2）、后一支承结构（16-3）和后二支承结构（16-4），在后外转子驱动电机机座（22-2）上设置有后外转子驱动电机（15-2），后外转子驱动电机（15-2）、后联轴器（21-2）、后一支承结构（16-3）、后一皮带轮（17-2）、后二皮带轮（17-3）和后二支承结构（16-4）沿后轴线依次连接；
外转轴（09）由设置在前轴线和后轴线上的前皮带轮（17-1）、后一皮带轮（17-2）、后二皮带轮（17-3）分别通过前皮带（18-1）、后一皮带（18-2）和后二皮带（18-3）驱动；
前激振器（19-1）安装于底座（01）的前端，垂直于中心轴线，右激振器（19-2）安装于底座（01）的右端，平行于中心轴线；
碰摩装置（20）安装在待测轮盘位置，使碰摩内环（20-3）包围在待测轮盘的外周，在碰摩装置（20）的碰摩外环（20-2）上呈90°安装两个压电式速度传感器（B）；
在内转轴（05）和外转轴（09）附近各安装一个电涡流位移传感器（A）。
2.按权利要求1所述的内外双转子故障模拟实验台，其特征在于：
所述的弹性基础（00）由水泥台、压缩弹簧和地基上下连接组成；
所述的水泥台是一方形水泥平板；
所述的压缩弹簧包括前后两排共6个弹簧组，每个弹簧组又包括左、中、右三根高度和直径递减的弹簧；
所述的地基是一方形混泥土地基。
3.按权利要求1所述的内外双转子故障模拟实验台，其特征在于：
所述的碰摩装置（20）由碰摩支座（20-1）、碰摩外环（20-2）、碰摩内环（20-3）和碰摩螺钉（20-4）组成；
在碰摩支座（20-1）上设置有碰摩外环（20-2），在碰摩外环（20-）内设置有碰摩内环（20-3），碰摩外环（20-2）和碰摩内环（20-3）的圆心重合，在碰摩外环（20-2）上均匀设置有碰摩螺钉（20-4）。
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