CN103575490A - 有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法 - Google Patents

Abstract

有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法，属于机械工程技术领域，适用于复杂旋转机械的支承系统动柔度测试。本发明基于杠杆原理，建立了载荷标定方法来获得支点处的动态载荷，方法简单、易于实现。本发明采用加载动态载荷装置，此装置包括径向力加载杠杆，径向力加载杠杆一端与底座相铰接，另一端与假轴固定连接，推力杆一端与径向力加载杠杆相铰接，另一端与振动台相铰接，在推力杆上设置有力传感器；该加载方法包括如下步骤：测量振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；测量振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系；测得一个支点的动柔度；测得所有支点的动柔度。

Description

有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，特别是涉及一种有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法，适用于复杂旋转机械的支承系统动柔度测试。

背景技术

随着科学技术的不断进步，工程领域的旋转机械设备越来越庞大和复杂，旋转机械的动力学特性是其设计和制造过程中需要重点考虑的因素。旋转机械的动力主要来源于转子，而设备的支承系统动柔度决定着转子的动力学特性，进而对整个旋转机械设备的动力学行为产生重大影响。

旋转机械静子支承系统在工作状态下受到转子不平衡量引起的激励作用，在支承系统动柔度测试中，由于支承系统的复杂性及有限的空间，使动载荷的有效施加变得非常困难。目前工程应用中系统/结构动柔度测试的通用加载方法有三种：第一种方法为质量偏心转子激励，这种加载方式需要制作复杂程度与原设备转子系统相近的设备，这在结构简单的小型旋转机械中比较可行，而对于大型复杂旋转机械则几乎无法实现；第二种方法采用作动器直接激励，加载设备包括激振器、振动台等，对于大型复杂旋转机械设备，由于静子及支承系统的结构异常复杂，内部空间有限，能供加载的区域往往是预留给转子系统的区域，所以这种加载方式也无法使用；第三种方法是使用力锤瞬态激励，在不多的几篇关于复杂旋转机械支承系统动柔度测试的公开报导中，大部分采用的是这种激励，由于这种方法使用简单，频响范围宽，适用范围广，因而在各种情况的动柔度测试中被广泛使用。但对于旋转机械支承系统的动柔度测试来说，这种激励方式与支撑系统实际工况下受到的简谐激励相差较大，所以存在测试结果精度不高的缺陷。

目前工程技术领域需要发展一种复杂旋转机械支承系统动柔度测试的加载方法，这种方法可以在有限空间下完成简谐激励的有效加载。同时，将该方法与对应的位移测试技术相结合，最终实现复杂旋转机械支承系统动柔度的高精度测试。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法，该方法基于杠杆原理，通过多铰连杆机构传递动态载荷，同时建立了载荷标定方法获得支点处的动态载荷，方法简单、易于实现。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法，该加载方法采用加载动态载荷装置，所述的加载动态载荷装置，包括径向力加载杠杆，径向力加载杠杆一端与底座相铰接，另一端与假轴固定连接，在径向力加载杠杆上设置有推力杆，推力杆一端与径向力加载杠杆相铰接，另一端与振动台相铰接，在推力杆上设置有力传感器；测量状态下径向力加载杠杆与推力杆相垂直，且在同一水平面内；该加载方法包括如下步骤：

步骤一：测量振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；

将拆除掉原轴及涡轮的试验机匣通过安装节固定在机匣支撑底座上，使试验机匣的边界条件同实际工况下的机匣相一致；将加载动态载荷装置的假轴与试验机匣的轴承座内的轴承相连接，假轴的直径、材质和表面加工要求与原轴一致，假轴的长度与轴承的宽度相同，假轴与轴承的连接方式与原轴和轴承的连接方式相同；

开启加载动态载荷装置的振动台，对试验机匣的轴承施加动态载荷，加载动态载荷装置的力传感器测得振动台加载的激振力信号，该信号对应的力是振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力，通过位移传感器测量支点在此简谐激振力作用下的位移，此支点为假轴与轴承、轴承座及试验机匣三者作为一个整体的接触点，即是假轴与轴承的接触点，此支点位移为轴承、轴承座及试验机匣三者作为一个整体的位移；

通过多通道数据采集系统对力传感器和位移传感器测得的信号进行同步采集，然后对采集的信号进行处理，从而绘制“力－位移滞回曲线”；得到振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；

步骤二：采用载荷标定方法测量振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系；

将加载动态载荷装置的假轴固定在夹钳上，在假轴的两侧对称设置有力标定后的力标定传感器，夹钳固定在力标定传感器上，力标定传感器固定在力标定座上；力标定传感器由开孔板与设置在孔边缘的应变片组成；力标定传感器力标定过程：对开孔板上与夹钳固定连接的位置施加拉、压力，并同时记录孔边缘的应变片的应变值，得到孔边缘应变片的应变值与开孔板上与夹钳固定连接的位置受到的拉、压力之间的对应关系；由于开孔板上与夹钳固定连接的位置受到的拉、压力与假轴对夹钳的力相同，即得到力标定传感器的应变片的应变值与假轴对夹钳的力之间的对应关系；

开启加载动态载荷装置的振动台，对径向力加载杠杆施加简谐激振力，通过力传感器和力标定传感器得到振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力与力标定传感器的应变片的应变值之间的关系；径向力加载杠杆通过其一端的假轴将力传递给夹钳，夹钳将力传递至力标定传感器的开孔板，通过已知的力标定传感器的应变片的应变值与假轴对夹钳的力之间的对应关系和振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力与力标定传感器的应变片的应变值之间的关系，得到假轴对夹钳的力与振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力之间的关系；本步骤中的加载动态载荷装置与步骤一中的加载动态载荷装置相同，所以此时假轴对夹钳的力与步骤一中假轴对支点施加的力相同，步骤一中假轴对支点施加的力与支点所受的载荷相同，故得到振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力与支点所受的载荷之间的对应关系；

步骤三：测得一个支点的动柔度；

通过步骤一中得到的加载动态载荷装置的振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系和步骤二中得到的振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系，得出支点所受载荷与在此载荷作用下的支点位移之间的对应关系，最终实现一个支点的动柔度的测试；

步骤四：测得所有支点的动柔度；

更换步骤一与步骤二中的加载动态载荷装置的假轴，更换的假轴的直径、材质和表面加工要求与实际工况下机匣内的其他轴承座内的部分原轴一致，假轴的长度与轴承的宽度相同，假轴与轴承的连接方式与原轴和轴承的连接方式相同，重复步骤一～三，依次测得支承系统内所有支点的动柔度。

所述推力杆采用分段结构，且各段之间通过锁紧机构相连接。

所述力传感器采用贴片式力传感器，所述推力杆的一段采用空心结构，力传感器的感应贴片设置在空心结构外部。

本发明的有益效果：

1.本发明通过“力－位移滞回曲线”得到支承系统不同参数下的多点、多向动柔度高精度测试值，方法简单、易于实现；

2.本发明基于杠杆原理，通过多铰连杆机构传递动态载荷，同时建立了新的载荷标定方法获得支点处的动态载荷；本发明利用系统中转轴的预留空间来实施简谐激励的间接加载，由于这种加载方式对支承系统内部空间没有任何多余要求，故适用于所有复杂旋转机械的支承系统动柔度测试；

3.本发明装置通过多铰加载平面设计来避免加载力偏向带来的附加弯矩；

4.本发明提出了一种载荷标定方法来实现被测支点真实载荷的间接提取；

5.本发明提出了一种多点对称位移采集与修正技术，对称布置多个电涡流位移传感器，通过多截面位移采集与修正技术实现对支承系统不同部位的位移辨识及提取。

附图说明

图1为本发明采用的加载动态载荷装置在步骤一中使用状态的结构示意图；

图2为本发明采用的加载动态载荷装置在步骤二中使用状态的结构示意图；

其中，1--底座，2--径向力加载杠杆，3--力传感器，4--安装节，5--假轴，6--轴承，7--机匣支撑底座，8--试验机匣，9--万向铰，10--振动台，11--电涡流位移传感器，12--推力杆，13--力标定座，14--夹钳，15--力标定传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

支承系统动柔度为单位动态载荷下的相应位移，即测得支承系统动柔度需要动态载荷和相应位移两个参数，这两个参数获得的前提是要对被测支承系统施加与实际工况相同的动态载荷。

一种有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法，如图1、图2所示，该加载方法采用加载动态载荷装置，所述的加载动态载荷装置，包括径向力加载杠杆2，径向力加载杠杆2一端通过关节轴承与底座1相铰接，另一端与假轴5固定连接，在径向力加载杠杆2上设置有推力杆12，推力杆12一端通过关节轴承与径向力加载杠杆2相铰接，另一端通过万向铰9与振动台10相铰接，在推力杆12上设置有力传感器3；测量状态下径向力加载杠杆2与推力杆12垂直，且在同一水平面内；该加载方法包括如下步骤：

步骤一：测量振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；

将拆除掉原轴及涡轮的试验机匣8通过安装节4固定在机匣支撑底座7上，使试验机匣8的边界条件同实际工况下的机匣相一致；将加载动态载荷装置的假轴5与试验机匣8的轴承座内的轴承6相连接，假轴5的直径、材质和表面加工要求与原轴一致，假轴5的长度与轴承6的宽度相同，假轴5与轴承6的连接方式与原轴和轴承6的连接方式相同；

开启加载动态载荷装置的振动台10，对试验机匣8的轴承6施加动态载荷，加载动态载荷装置的力传感器3测得振动台10加载的激振力信号，该信号对应的力是振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力，通过电涡流位移传感器11测量支点在此简谐激振力作用下的位移，此支点为假轴5与轴承6、轴承座及试验机匣8三者作为一个整体的接触点，即是假轴5与轴承6的接触点，此支点位移为轴承6、轴承座及试验机匣8三者作为一个整体的位移；电涡流位移传感器11对称设置在轴承座两侧的试验机匣8的外部，且在假轴5的同一横截面内，采用非接触测量方式；

通过多通道数据采集系统对力传感器3和电涡流位移传感器11测得的信号进行同步采集，保证采集力传感器3和电涡流位移传感器11信号的时间的一致性，然后对采集的信号进行处理，从而绘制“力－位移滞回曲线”；得到振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；

步骤二：采用载荷标定方法测量振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系；

步骤一中加载动态载荷装置的力传感器3测得的振动台10加载的激振力信号，如果不作任何处理，该激振力信号对应的力是振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力，并不是施加于静子支承处（试验机匣内轴承）的真实载荷，虽然也可以通过平衡理论并引入惯性力的影响后求出静子支承处（试验机匣内轴承）的真实载荷，但理论计算中并未考虑加载机构的变形以及部件加工和安装所带来的实际机构与理论模型的偏差，这些因素会使结果产生很大的误差，为此，本发明通过采用间接加载方式的载荷标定方法得到静子支承处（试验机匣内轴承）真实载荷。

所述的载荷标定方法如下：

将加载动态载荷装置的假轴5固定在夹钳14上，此加载动态载荷装置与步骤一中的加载动态载荷装置相同，保证此时假轴5受力情况与步骤一中假轴5的受力情况完全相同；在假轴5的两侧对称设置有力标定后的力标定传感器15，采用对称设置以保证在动态载荷下的惯性力平衡、支承对称并起到数据的校核和修正作用；夹钳14通过螺栓固定在力标定传感器15上，力标定传感器15通过螺栓固定在力标定座13上；力标定传感器15由开孔方板与设置在孔边缘的应变片组成；力标定传感器15采用开孔方板结构可以兼顾满足支承刚度要求和力信号的有效获取；力标定传感器15力标定过程：通过万能试验机对开孔方板上与夹钳14固定连接的位置施加拉、压力，并同时记录孔边缘的应变片的应变值，得到孔边缘应变片的应变值与开孔方板上与夹钳14固定连接的位置受到的拉、压力之间的对应关系；由于开孔方板上与夹钳14固定连接的位置受到的拉、压力与假轴5对夹钳14的力相同，即得到力标定传感器15的应变片的应变值与假轴5对夹钳14的力之间的对应关系；

开启加载动态载荷装置的振动台10，对径向力加载杠杆2施加与步骤一相同的简谐激振力，通过力传感器3和力标定传感器15得到振动台10对径向力加载杠杆2施加的简谐激振力与力标定传感器15的应变片的应变值之间的关系；径向力加载杠杆2通过其一端的假轴5将力传递给夹钳14，夹钳14将力传递至力标定传感器15的开孔板，通过已知的力标定传感器15的应变片的应变值与假轴5对夹钳14的力之间的对应关系和振动台10对径向力加载杠杆2施加的简谐激振力与力标定传感器15的应变片的应变值之间的关系，得到假轴5对夹钳14的力与振动台10对径向力加载杠杆2施加的简谐激振力之间的关系；本步骤中的加载动态载荷装置与步骤一中的加载动态载荷装置相同，所以此时假轴5对夹钳14的力与步骤一中假轴5对支点施加的力相同，步骤一中假轴5对支点施加的力与支点所受的载荷相同，故得到振动台10对径向力加载杠杆2施加的简谐激振力与支点所受的载荷之间的对应关系；

步骤三：测得一个支点的动柔度；

通过步骤一中得到的加载动态载荷装置的振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系和步骤二中得到的振动台10施加在径向力加载杠杆2上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系，得出支点所受载荷与在此载荷作用下的支点位移之间的对应关系，最终实现一个支点的动柔度的测试；

步骤四：测得所有支点的动柔度；

更换步骤一与步骤二中的加载动态载荷装置的假轴5，更换的假轴5的直径、材质和表面加工要求与实际工况下机匣内的其他轴承座内的部分原轴一致，假轴5的长度与轴承6的宽度相同，假轴5与轴承6的连接方式与原轴和轴承6的连接方式相同，重复步骤一～三，依次测得支承系统内所有支点的动柔度。

为了加强刚度，所述推力杆12采用分段结构，且各段之间通过锁紧机构相连接，保证动态加载时各段之间的刚性连接及力的有效传递。

所述力传感器3采用贴片式力传感器，所述推力杆12的一段采用空心结构，力传感器3的感应贴片设置在空心结构外部。

所述径向力加载杠杆2与底座1之间、假轴5与轴承6之间、推力杆12与径向力加载杠杆2之间、推力杆12与振动台10之间均相铰接，径向力加载杠杆2与推力杆12互相垂直，且在同一平面内，形成多铰加载平面可避免加载力偏向带来的附加弯矩。

所述力标定传感器15的应变片采用的型号为：BA350-3BB；所述振动台10采用的型号为：Vibration Test Systems Model D-600-5；所述电涡流位移传感器11采用的是北京测振仪器厂85745型电涡流传感器；所述多通道数据采集系统采用的是江苏东华DH-5956动态信号测试分析系统。

Claims (3)

1.一种有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法，其特征在于该加载方法采用加载动态载荷装置，所述的加载动态载荷装置，包括径向力加载杠杆，径向力加载杠杆一端与底座相铰接，另一端与假轴固定连接，在径向力加载杠杆上设置有推力杆，推力杆一端与径向力加载杠杆相铰接，另一端与振动台相铰接，在推力杆上设置有力传感器；测量状态下径向力加载杠杆与推力杆相垂直，且在同一水平面内；该加载方法包括如下步骤：

步骤一：测量振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；

将拆除掉原轴及涡轮的试验机匣通过安装节固定在机匣支撑底座上，使试验机匣的边界条件同实际工况下的机匣相一致；将加载动态载荷装置的假轴与试验机匣的轴承座内的轴承相连接，假轴的直径、材质和表面加工要求与原轴一致，假轴的长度与轴承的宽度相同，假轴与轴承的连接方式与原轴和轴承的连接方式相同；

开启加载动态载荷装置的振动台，对试验机匣的轴承施加动态载荷，加载动态载荷装置的力传感器测得振动台加载的激振力信号，该信号对应的力是振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力，通过位移传感器测量支点在此简谐激振力作用下的位移，此支点为假轴与轴承、轴承座及试验机匣三者作为一个整体的接触点，即是假轴与轴承的接触点，此支点位移为轴承、轴承座及试验机匣三者作为一个整体的位移；

通过多通道数据采集系统对力传感器和位移传感器测得的信号进行同步采集，然后对采集的信号进行处理，从而绘制“力－位移滞回曲线”；得到振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系；

步骤二：采用载荷标定方法测量振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系；

将加载动态载荷装置的假轴固定在夹钳上，在假轴的两侧对称设置有力标定后的力标定传感器，夹钳固定在力标定传感器上，力标定传感器固定在力标定座上；力标定传感器由开孔板与设置在孔边缘的应变片组成；力标定传感器力标定过程：对开孔板上与夹钳固定连接的位置施加拉、压力，并同时记录孔边缘的应变片的应变值，得到孔边缘应变片的应变值与开孔板上与夹钳固定连接的位置受到的拉、压力之间的对应关系；由于开孔板上与夹钳固定连接的位置受到的拉、压力与假轴对夹钳的力相同，即得到力标定传感器的应变片的应变值与假轴对夹钳的力之间的对应关系；

开启加载动态载荷装置的振动台，对径向力加载杠杆施加简谐激振力，通过力传感器和力标定传感器得到振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力与力标定传感器的应变片的应变值之间的关系；径向力加载杠杆通过其一端的假轴将力传递给夹钳，夹钳将力传递至力标定传感器的开孔板，通过已知的力标定传感器的应变片的应变值与假轴对夹钳的力之间的对应关系和振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力与力标定传感器的应变片的应变值之间的关系，得到假轴对夹钳的力与振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力之间的关系；本步骤中的加载动态载荷装置与步骤一中的加载动态载荷装置相同，所以此时假轴对夹钳的力与步骤一中假轴对支点施加的力相同，步骤一中假轴对支点施加的力与支点所受的载荷相同，故得到振动台对径向力加载杠杆施加的简谐激振力与支点所受的载荷之间的对应关系；

步骤三：测得一个支点的动柔度；

通过步骤一中得到的加载动态载荷装置的振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点位移之间的对应关系和步骤二中得到的振动台施加在径向力加载杠杆上的简谐激振力与支点所受载荷之间的对应关系，得出支点所受载荷与在此载荷作用下的支点位移之间的对应关系，最终实现一个支点的动柔度的测试；

步骤四：测得所有支点的动柔度；

更换步骤一与步骤二中的加载动态载荷装置的假轴，更换的假轴的直径、材质和表面加工要求与实际工况下机匣内的其他轴承座内的部分原轴一致，假轴的长度与轴承的宽度相同，假轴与轴承的连接方式与原轴和轴承的连接方式相同，重复步骤一～三，依次测得支承系统内所有支点的动柔度。

2.根据权利要求1所述的有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法,其特征在于所述加载动态载荷装置的推力杆采用分段结构，且各段之间通过锁紧机构相连接。

3.根据权利要求2所述的有限空间下支承系统动柔度测试的加载方法,其特征在于所述加载动态载荷装置的力传感器采用贴片式力传感器，所述推力杆的一段采用空心结构，力传感器的感应贴片设置在空心结构外部。

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