CN104931215B - 一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，包括基座，基座上连接有支撑底座，支撑底座连接有测试组件和与测试组件配合的位移传感器支撑架，位移传感器支撑架上连接有位移传感器，测试组件上端与施力板首端相连，施力板末端和压力加载组件配合，压力加载组件通过压板固定在基座上，通过压力加载组件实现了压力的有效控制，提高了测量的精度，大大节约了测试装置的加工费用；实验获取的结合面扭转刚度可以直接应用于拉杆转子扭转动力学模型中，也可以作为机械结合面扭转刚度理论研究的实验依据。
Description
技术领域
本发明属于动力学测量技术领域，具体涉及一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置。
背景技术
燃气轮机、航空发动机等拉杆转子是一种典型的组合式转子，由一根中心拉杆或者多根周向拉杆穿过多级轮盘，通过对拉杆施加预紧力将轮盘压紧而成。此类结合面的连接特征呈现出一定的非线性，转子不再是连续的整体，研究结合面的特性并将其引入系统整机建模中将有效提高转子设计阶段的整机性能预测能力。结合面扭转刚度作为旋转轴结合面的重要特性参数之一，其准确程度将直接影响扭转动力学分析结果。研究拉杆预紧力、试件材料特性、结合面形状等参数对机械结合面扭转刚度的影响规律将有助于准确建立拉杆转子的扭转动力学模型。
当前尚缺乏针对组合转子机械结合面扭转刚度的测量装置和方法，虽然现有的机械结合面接触刚度的直接测量技术能够测得切向接触刚度，但是所测切向接触刚度不能直接应用于含有机械结合面的组合转子的扭转刚度计算和扭转动力学分析。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，使得所测机械结合面扭转刚度能够直接应用于含有机械结合面的组合转子的扭转刚度计算和扭转动力学分析。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，包括基座1，基座1上连接有支撑底座2，支撑底座2连接有测试组件5和与测试组件5配合的位移传感器支撑架3，位移传感器支撑架3上连接有位移传感器4，测试组件5上端与施力板7首端相连，施力板7末端和压力加载组件9配合，压力加载组件9通过压板11固定在基座1上；
所述的测试组件5由上试件5a和下试件5b通过中心拉杆6拉紧而成，上试件5a下表面与下试件5b上表面形成结合面5c，上试件5a、下试件5b中间位置同一水平面相距180°均开有平槽13，平槽13上贴有目标箔片12，即上试件5a上设有一号目标箔片12a、二号目标箔片12b，下试件5b上设有三号目标箔片12c、四号目标箔片12d；
所述的位移传感器支撑架3包括前位移传感器支撑架3a和后位移传感器支撑架3b，位移传感器4包括第一位移传感器4a、第二位移传感器4b、第三位移传感器4c、第四位移传感器4d，第一位移传感器4a和第三位移传感器4c安装在前位移传感器支撑架3a上，第二位移传感器4b和第四位移传感器4d安装在后位移传感器支撑架3b上，第一位移传感器4a和第三位移传感器4c分别与上试件5a上的一号目标箔片12a和下试件5b上的三号目标箔片12c相对应，第二位移传感器4b和第四位移传感器4d分别与上试件5a上的二号目标箔片12b和下试件5b上的四号目标箔片12d相对应。
所述的压力加载组件9包括施力架96，施力架96由压板11压紧在基座1上，施力架96上部开有螺纹孔并配有给力螺栓95，给力螺栓95上拧有前螺母97和后螺母98，弹簧94套在给力螺栓95上，弹簧94与后螺母98之间设有底支撑板93，底支撑板93套在给力螺栓95上，前螺母97与后螺母98接触紧密，弹簧94顶端设有顶支撑板91，顶支撑板91另一侧面上固定有压力传感器10，压力传感器10的测头101中心线与施力板7末端侧面8保持垂直；顶支撑板91和底支撑板93由4根支撑杆92支撑，支撑杆92一端连接在施力架96上。
组成所述结合面5c的粗糙面有以下三种类型，接触面为机加工平面51；接触面为销钉槽52和机加工平面51相结合；接触面为端面齿面53，上试件5a和下试件5b的内径、外径均相同，上试件5a下表面和下试件5b上表面为上述三种类型粗糙面中的同一种。
所述的中心拉杆6设有3个凸台14。
本发明的有益效果：
通过压力加载组件9实现了压力的有效控制，提高了测量的精度，大大节约了测试装置的加工费用；实验获取的结合面扭转刚度可以直接应用于拉杆转子扭转动力学模型中，也可以作为机械结合面扭转刚度理论研究的实验依据。
附图说明
图1是本发明扭转刚度测试装置的结构图。
图2是测试组件5的结构图。
图3是组成机械结合面示意图，其中图3A表示接触面为机加工平面51；图3B表示接触面为销钉槽52和机加工平面51结合；图3C表示接触面为端面齿面53。
图4是压力施加组件9的结构示意图。
图5是中心拉杆6的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参照图1，一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，包括基座1，基座1上连接有支撑底座2，支撑底座2连接有测试组件5和与测试组件5配合的位移传感器支撑架3，位移传感器支撑架3上连接有位移传感器4，测试组件5上端与施力板7首端相连，施力板7末端和压力加载组件9配合，压力加载组件9通过压板11固定在基座1上；
参照图2和图3，所述的测试组件5由上试件5a和下试件5b通过中心拉杆6拉紧而成，上试件5a下表面与下试件5b上表面形成结合面5c，上试件5a、下试件5b中间位置同一水平面相距180°均开有平槽13，平槽13上贴有目标箔片12，即上试件5a上设有一号目标箔片12a、二号目标箔片12b，下试件5b上设有三号目标箔片12c、四号目标箔片12d；
所述的位移传感器支撑架3包括前位移传感器支撑架3a和后位移传感器支撑架3b，位移传感器4包括第一位移传感器4a、第二位移传感器4b、第三位移传感器4c、第四位移传感器4d，第一位移传感器4a和第三位移传感器4c安装在前位移传感器支撑架3a上，第二位移传感器4b和第四位移传感器4d安装在后位移传感器支撑架3b上，第一位移传感器4a和第三位移传感器4c分别与上试件5a上的一号目标箔片12a和下试件5b上的三号目标箔片12c相对应，第二位移传感器4b和第四位移传感器4d分别与上试件5a上的二号目标箔片12b和下试件5b上的四号目标箔片12d相对应。
参照图4，所述的压力加载组件9包括施力架96，施力架96由压板11压紧在基座1上，施力架96上部开有螺纹孔并配有给力螺栓95，给力螺栓95上拧有前螺母97和后螺母98，弹簧94套在给力螺栓95上，弹簧94与后螺母98之间设有底支撑板93，底支撑板93套在给力螺栓95上，前螺母97与后螺母98接触紧密，保证锁死以限制底支撑板93滑动，弹簧94顶端设有顶支撑板91，顶支撑板91另一侧面上固定有压力传感器10，压力传感器10的测头101中心线与施力板7末端侧面8保持垂直；顶支撑板91和底支撑板93由4根支撑杆92支撑，支撑杆92一端连接在施力架96上，用来限制顶支撑板91和底支撑板93的旋转，从而保证压力传感器工作时只受到正压力，避免旋转摩擦带来的破坏。
参照图3，组成所述结合面5c的粗糙面有以下三种类型，如图3A所示，接触面为机加工平面51；如图3B所示，接触面为销钉槽52和机加工平面51相结合，有此种表面形成的结合面在销钉槽52中安装有销钉，销钉起加强扭转刚度的作用；如图3C所示，接触面为端面齿面53，每一组实验中，上试件5a和下试件5b选用相同或者不同的热处理方式、加工方法及材料进行配对，上试件5a和下试件5b的内径、外径均相同，上试件5a下表面和下试件5b上表面为上述三种类型粗糙面中的同一种。
参照图5，所述的中心拉杆6设有3个凸台14，用于上试件5a和下试件5b装配时的径向定位，提高测试组件5的装配精度。
本发明的工作原理为：
旋进给力螺栓95，直至压力传感器10的测头101接触到施力板7末端侧面8，记录位移传感器4测得的测试目标箔片12的位移和压力传感器10测得的压力，均匀旋进给力螺栓95，直至达到预定的最大压力，均匀采集力和位移数据；然后改变中心拉杆6预紧力，得到不同预紧力下的力和位移数据；
更换下一组试件，得到不同类型结合面扭转刚度测量数据；然后进行数据后处理，得到每组试件不同预紧力作用下的扭矩-扭转角曲线，最终得到曲线各点处的斜率，也就是测试轴段整体的扭转刚度，再根据刚度串联关系计算出结合面的扭转刚度。
数据后处理的原理为：
设上试件5a的一号目标箔片12a处截面扭转角为θa，下试件5b的三号目标箔片12c处截面扭转角为θb，则：
式中，sa、sb、sc、sd分别为一号目标箔片12a、二号目标箔片12b、三号目标箔片12c、四号目标箔片12d的线位移，l0为测点到平槽13的距离，R为试件外径，h为平槽13的深度；
位于一号目标箔片12a测点和三号目标箔片12c测点之间的试件轴段的扭转刚度为：
式中，F为压力传感器10测得的压力，L为压力的有效力臂长；
结合面的扭转刚度表示为：
式中，Ks1为位于一号目标箔片12a测点和结合面之间的轴段S1的扭转刚度，Ks2为位于三号目标箔片12c测点和结合面之间的轴段S2的扭转刚度，Ks1＝GIs1/L1，Is1、L1分别为S1轴段的极惯性矩和长度，Ks2＝GIs2/L2，Is2、L2分别为S1轴段的极惯性矩和长度，G为材料剪切模量。
Claims (3)
1.一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，包括基座(1)，基座(1)上连接有支撑底座(2)，其特征在于：支撑底座(2)连接有测试组件(5)和与测试组件(5)配合的位移传感器支撑架(3)，位移传感器支撑架(3)上连接有位移传感器(4)，测试组件(5)上端与施力板(7)首端相连，施力板(7)末端和压力加载组件(9)配合，压力加载组件(9)通过压板(11)固定在基座(1)上；
所述的测试组件(5)由上试件(5a)和下试件(5b)通过中心拉杆(6)拉紧而成，上试件(5a)下表面与下试件(5b)上表面形成结合面(5c)，上试件(5a)、下试件(5b)中间位置同一水平面相距180°均开有平槽(13)，平槽(13)上贴有目标箔片(12)，即上试件(5a)上设有一号目标箔片(12a)、二号目标箔片(12b)，下试件(5b)上设有三号目标箔片(12c)、四号目标箔片(12d)；
所述的位移传感器支撑架(3)包括前位移传感器支撑架(3a)和后位移传感器支撑架(3b)，位移传感器(4)包括第一位移传感器(4a)、第二位移传感器(4b)、第三位移传感器(4c)、第四位移传感器(4d)，第一位移传感器(4a)和第三位移传感器(4c)安装在前位移传感器支撑架(3a)上，第二位移传感器(4b)和第四位移传感器(4d)安装在后位移传感器支撑架(3b)上，第一位移传感器(4a)和第三位移传感器(4c)分别与上试件(5a)上的一号目标箔片(12a)和下试件(5b)上的三号目标箔片(12c)相对应，第二位移传感器(4b)和第四位移传感器(4d)分别与上试件(5a)上的二号目标箔片(12b)和下试件(5b)上的四号目标箔片(12d)相对应；
所述的中心拉杆(6)设有3个凸台(14)，用于上试件(5a)和下试件(5b)装配时的径向定位。
2.根据权利要求1所述的一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，其特征在于：所述的压力加载组件(9)包括施力架(96)，施力架(96)由压板(11)压紧在基座(1)上，施力架(96)上部开有螺纹孔并配有给力螺栓(95)，给力螺栓(95)上拧有前螺母(97)和后螺母(98)，弹簧(94)套在给力螺栓(95)上，弹簧(94)与后螺母(98)之间设有底支撑板(93)，底支撑板(93)套在给力螺栓(95)上，前螺母(97)与后螺母(98)接触紧密，弹簧(94)顶端设有顶支撑板(91)，顶支撑板(91)另一侧面上固定有压力传感器(10)，压力传感器(10)的测头(101)中心线与施力板(7)末端侧面(8)保持垂直；顶支撑板(91)和底支撑板(93)由4根支撑杆(92)支撑，支撑杆(92)一端连接在施力架(96)上。
3.根据权利要求1所述的一种获取机械结合面扭转刚度的测试装置，其特征在于：组成所述结合面(5c)的粗糙面有以下三种类型，接触面为机加工平面(51)；接触面为销钉槽(52)和机加工平面(51)相结合；接触面为端面齿面(53)，上试件(5a)和下试件(5b)的内径、外径均相同，上试件(5a)下表面和下试件(5b)上表面为上述三种类型粗糙面中的同一种。
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