CN107314893A - 一种模块化多功能转子实验台 - Google Patents

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    • G01M13/00Testing of machine parts

Abstract

本发明提供了一种模块化多功能转子实验台,它包括一个实验台主基座、旋转轮盘应力测试模块、转子动平衡及转子振动特性实验模块、转子系统故障模拟模块、裂纹转子与方轴转子振动参数实验模块、非对称支承转子模块和积液转子模块,各模块均由相应的模块基座、转轴、轮盘、轴承组成,安装有位移与测速传感器,并与数据采集系统和PC相连,各实验模块对外保留与实验台主基座的安装定位接口,由一柔性联轴器实现。本发明具有良好的通用性与互换性,实验设备安装、拆卸方便,可随时对实验台上的转子系统进行改装,功能广泛,可模拟转子运行的多种状态,应用于转子动力学、故障诊断等教学实验或科学研究领域。

Description

一种模块化多功能转子实验台
技术领域
[0001] 本发明涉及一种实验装置,特别是可以实现模拟发动机叶片转动,完成转子动平 衡,提取并分析转子轴系发生碰磨、不对中、裂纹等故障时的振动特性,观察并验证非对称 支承与积液对于转子临界转速的影响等多种功能的模块化转子实验台。
背景技术
[0002] 航空发动机等旋转机械是工业中广泛应用的机械装置。发动机叶片在旋转中会因 离心力的作用而伸长,使得叶片顶端与机匣的间隙减小,影响着发动机的效率,且易发生碰 磨而造成事故。除碰磨外,转子系统在运转过程中还易发生诸如不对中、不平衡、裂纹等故 障,影响着设备的安全。而非对称支承、转子积液等因素,又会对转子系统的临界转速等特 性产生一定的影响。因此,掌握转子系统的运行规律,保障其能够安全高效地运行是一个至 关重要的课题。
[0003] 理论研宄的成果往往需要配合实验来验证。但是,航空发动机造价不菲,不可能频 繁利用实际的发动机来进行试车,而需要依赖小型多功能的模拟发动机转子实验台。现有 的转子实验台可以实现对质量不平衡或碰磨等因素的模拟,但是若要研究多种故障的耦合 作用较为不便;且各零部件安装好后,频繁拆卸会对系统的精度产生影响。鉴于此,需要设 计一种能够模拟转子运转过程中多种状态的实验台,且各实验模块拆卸更换时步骤应简单 方便。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服目前多数实验台功能单一、不易拆装的不足,提供一种可 模拟转子多种运行状态,零部件安装、拆卸方便,具有良好通用性与互换性的模块化多功能 转子实验台。
[0005] 基于上述目的,本发明采取的方案如下:
[0006] —种模块化多功能转子实验台,包括一个实验台主基座、旋转轮盘应力测试模块、 转子动平衡及转子振动特性实验模块、转子系统故障模拟模块、裂纹转子与方轴转子振动 参数实验模块、非对称支承转子模块和积液转子模块,各模块均由相应的模块基座、转轴、 轮盘、轴承组成,安装有位移传感器与测速传感器,并与数据采集系统和PC相连。各实验模 块使用相同型号的轴承、联轴器,并统一连接轴颈尺寸,各实验模块对外保留与实验台主基 座的安装定位接口,由一柔性联轴器实现。
[0007] 上述模块化多功能转子实验台,所述实验台主基座由铸铁加工而成,具有一定厚 度以保证整体的刚度与强度,底部采用一定的镂空结构以实现整体的减重。所述实验台主 基座工作表面精度较高,以保证实验的精度。所述实验台主基座中部加工精度较高的方形 槽,以实现与各实验模块的定位要求。所述实验台主基座加工若干T型槽,以安装电机基座 与各实验模块基座。所述电机基座由铸铁铸造并机加工而成,其上安装有一变频电机(带控 制器),具有较大的转速变化范围等优良性能。所述电机输出端安装有一柔性联轴器,用于 与各实验模块连接。
[0008] 上述模块化多功能转子实验台,所述旋转轮盘应力测试模块、转子动平衡及转子 振动特性实验模块、转子系统故障模拟模块、裂纹转子、方轴转子振动参数实验模块、非对 称支承转子模块和积液转子模块六个实验模块的基座均由铸铁加工而成。所述各基座边缘 钻孔,以与T型槽专用螺栓配合安装在实验台主基座上。所述各模块基座上设置吊环螺钉, 便于实验模块的吊装更换。所述各模块基座上均加工标准T型槽,以安装转轴、轮盘、轴承、 传感器支架等各零部件。所述各零部件均采用常用的钢材或铸铁加工而成,且所述部分轮 盘在边缘加工孔以实现动平衡。除旋转轮盘应力测试模块外,其余轮盘的安装方式均为采 用紧定螺钉固定在转轴上,以便于轮盘在转轴上的位置可实现大范围调节并锁定。所述轴 承采用标准的带立式座外球面球轴承。所述各实验模块对外仅保留与实验台主基座联轴器 连接的轴端,和与数据采集系统连接的传感器接线。所述各实验模块均在外侧设置铁丝网 构成的保护装置,以保证实验过程的安全。
[0009] 上述模块化多功能转子实验台,所述旋转轮盘应力测试模块中的基座上安装有前 后两个带座轴承座底座,由铸铁加工而成,其上设置一定的孔洞以减重。所述带座轴承座底 座上均安装有标准的带立式座外球面球轴承,以支承转轴。所述转轴一端与实验台主基座 电机上的联轴器连接,另一外伸端安装有一个铝制轮盘,轮盘周边开有若干一定规格的细 缝,以模拟呈悬臂状的航空发动机叶片。沿所述轮盘的某一径向,在隔一定距离的每个位置 分别粘贴周向和径向两个电阻应变片,其测量信号通过定制的电刷滑环导出至数据采集系 统与PC端。所述滑环安装于一滑环支架上。所述带座轴承座底座、滑环支架均利用T型槽专 用螺栓安装于模块基座上。
[0010]上述模块化多功能转子实验台,所述转子动平衡及转子振动特性实验模块的基座 上安装有前后两个所述轴承座底座和带座轴承,以支承转轴,转轴一端与所述联轴器连接。 转轴中部安装有三个轮盘,依次为盘a,盘b和盘c,其中盘a和盘C为配重调节盘,盘b为测试 轮盘。所述三个轮盘均在边缘处加工均布圆孔,用于加装橡皮泥,其中盘b的橡皮泥用于产 生不平衡,盘a和盘c则用于完成动平衡。所述三个轮盘均可在转轴上任意滑动并锁定。在所 述转轴的轴向依次布置四个整体式电涡流传感器支架,支架的上侧、左侧、右侧、左上侧45° 方向及右上侧45°方向各开一圆孔用于安装电涡流传感器。所述传感器测量得到的信号通 过数据采集系统存储到PC端。
[0011]上述模块化多功能转子实验台,所述转子系统故障模拟模块的基座上依次安装有 两个所述带座轴承座底座,记为底座a和底座b;和两组可滑动带座轴承座底座,记为底座C 和底座d。所述可滑动带座轴承座底座c和d主要由两部分组成,分别为滑块和滑槽,滑块的 结构与带座轴承座底座类似,但底部长度偏小lmm以在滑槽内滑动。所述滑块底部左右两侧 各加工有三个螺纹孔,每一侧相邻两孔中心距为20mm。所述滑槽正面底部左右两侧各加工 有三个螺栓孔,每一侧相邻两孔中心距为20.5mm;滑槽侧面正中各加工有一个螺纹孔。所 述四个轴承座底座上均安装有所述带立式座外球面球轴承,分别记为轴承&,轴承b,轴承c 和轴承d,共支承起两个转轴,分别记为转轴a和转轴b,两转轴通过刚性联轴器连接。轴承a 和轴承b间的转轴a为双盘转子,轴承c和轴承d间的转轴b为单盘转子,两个转轴用以模拟双 转子发动机的结构;三个轮盘依次记为盘a,盘b和盘c,均可任意调节并锁定其位置。所述三 个轮盘均在边缘处加工均布圆孔以引起不平衡与完成动平衡;盘a和盘〇为碰磨盘,在模块 基座的相应位置设置有碰磨架和碰磨螺栓。沿所述两个转轴的轴向依次布置五个传感器支 架用于安装电涡流传感器;在转轴b的末端安装有一测速齿轮,在模块基座的相应位置设置 有测速传感器支架,其上安装有霍尔测速传感器。所述传感器测量得到的信号通过数据采 集系统存储到PC端。
[0012]上述模块化多功能转子实验台,所述裂纹转子与方轴转子振动参数实验模块的基 座上安装有前后两个所述轴承座底座和带座轴承,以支承转轴,转轴一端与所述联轴器连 接。所述转轴有三种类型,分别为正常转轴,裂纹圆轴,和带方形轴段裂纹转轴。所述正常转 轴为一根。所述裂纹圆轴共七根,每根转轴上预制裂纹,裂纹位置分别为:(1)分别在距安装 第一个轴承的轴肩150mm,250mm和350mm处预制裂纹,裂纹深度6mm,共三根;(2)在距安装第 一个轴承的轴肩250mm处,分别预制3mm和9mm深裂纹,共两根;⑶同时在距安装第一个轴承 的轴肩l5〇mm和350mm处,同相位或反相位预制深度为6mm的裂纹,共两根。所述带方形轴段 裂纹转轴共七根,分别与裂纹圆轴的裂纹位置相同,但在某一固定位置将长度为50mm的圆 轴段加工为正方形轴段。所述转轴在单独进行实验时,其上均安装有一轮盘,可任意调节并 锁定其位置(方轴段处除外),轮盘边缘处加工均布圆孔以引起不平衡与完成动平衡。沿所 述转轴的轴向依次布置两个传感器支架用于安装电涡流传感器;在各个轴的末端均可安装 测速齿轮,与测速传感器配合完成测速。所述传感器测量得到的信号通过数据采集系统存 储到PC端。
[0013]上述模块化多功能转子实验台,所述非对称支承转子模块的基座上安装有前后两 个特制的剖分式轴承座,内置带密封盖的深沟球轴承,轴承外圈与轴承座内孔间的配合较 正常的配合有所放松,防止轴承被卡死。所述剖分式轴承座底座的左下侧45°方向及右下 侧45°方向,以及所述剖分式轴承座盖的左上侧45°方向及右上侧45°方向均加工圆孔,并 在相应位置加工一定长度的螺纹孔。所述四个孔内均可放置弹簧部件。所述弹簧部件由三 部分组成,分别为紧定螺钉、弹簧与顶针。其中顶针与轴承接触并承受传递来的载荷;紧定 螺钉安装在轴承座上,用于将弹簧压紧在顶针上。所述弹簧提供多个型号,各个型号的刚度 不同。所述两个轴承座及其轴承支承起一根转轴,转轴一端与所述联轴器连接,其上安装有 一大一小两个轮盘,均可任意调节并锁定其位置,且两个轮盘均在边缘处加工均布圆孔以 引起不平衡与完成动平衡。沿所述转轴的轴向依次布置三个传感器支架用于安装电涡流传 感器,所述传感器测量得到的信号通过数据采集系统存储到PC端。
[0014]上述模块化多功能转子实验台,所述积液转子模块的基座上安装有前后两个所述 积液转子模块的基座上安装有前后两个所述轴承座底座和带座轴承,以支承转轴,转轴一 端与所述联轴器连接。所述转轴的另一端自端面向内加工一定深度与直径的圆孔用于注入 液体。注入液体后,向孔内塞入直径与圆孔匹配的橡胶塞,并涂胶以密封,所述橡胶塞通过 开口销实现固定。转轴上安装一个轮盘,可任意调节并锁定其位置,且轮盘边缘处加工均布 圆孔以引起不平衡与完成动平衡。沿所述转轴的轴向依次布置两个传感器支架用于安装电 涡流传感器,所述传感器测量得到的信号通过数据采集系统存储到PC端。
[0015] 上述模块化多功能转子实验台,所述电涡流传感器测量得到的数据存入PC端后, 可利用一定的软件实时绘制转轴的轴心轨迹与振型图;所述电机控制器与测速传感器采集 的数据可用于分析转子系统的临界转速。
[0016] 采用以上技术方案后,本发明具有以下优点:
[0017] 1、实验台可模拟转子系统的多种运行状态,其可完成的实验有旋转轮盘应力测试 实验;转子动平衡实验;转子振动特性实验,包括转子临界转速、稳态不平衡响应、瞬态响应 实验;转子系统故障如不对中、碰磨、裂纹等模拟实验;非对称支承转子振动特性实验;积液 转子系统振动特性实验等;
[0018] 2、实验台采取了模块化结构,各个模块相对独立,可随时对转子系统进行改装,操 作方便;各模块均安装有防护罩,可保证安全;
[0019] 3、实验台各模块上零部件有良好的互换性与通用性,便于维修与调整,对外接口 统一;
[0020] 4、转子系统中轮盘与转轴的安装方式采用紧定螺钉的方案,使得轮盘在转轴上可 任意调节位置。
附图说明
[0021] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显:
[0022] 图1是本模块化多功能转子实验台各模块间的连接关系框图;
[0023]图2是实验台主基座与某实验模块的装配关系图;
[0024]图3是某实验模块中各零部件间的装配关系图(隐藏防护罩);
[0025]图4是带座轴承座底座与带立式座外球面球轴承的装配关系图;
[0026]图5是电涡流传感器支架与电涡流传感器的装配关系图;
[0027]图6是转轴与轮盘的装配关系图;
[0028]图7是测速齿轮、测速传感器支架与测速传感器的装配关系图;
[0029]图8是旋转轮盘应力测试模块的主视图与俯视图,a是主视图,b是俯视图;
[0030]图9是电刷滑环与滑环支架的装配关系图;
[0031]图1〇是转子动平衡及转子振动特性实验模块的主视图与俯视图,a是主视图,b是 俯视图;
[0032]图11是转子系统故障模拟模块的主视图与俯视图,a是主视图,b是俯视图;
[0033] 图12是可滑动带座轴承座底座与带立式座外球面球轴承的装配关系图;
[0034] 图13是碰磨架和碰磨螺栓的装配关系图;
[0035]图14是裂纹转子与方轴转子振动参数实验模块的主视图与俯视图,a是主视图,b 是俯视图;
[0036]图15是非对称支承转子模块的主视图与俯视图,a是主视图,b是俯视图;
[0037] 图16是剖分式轴承座的示意图;
[0038]图17是剖分式轴承底座、带密封盖的深沟球轴承和弹簧部件的装配关系图;
[0039]图18是积液转子模块的主视图与俯视图,a是主视图,b是俯视图;
[0040] 图中各标号零件分别为:
[0041] 0-1—实验台主基座;〇-2—T型槽专用螺栓;0-3—电机基座;0-4—吊环螺钉;0-5—电机(含控制器,未示出);〇-6—柔性联轴器;〇-7—防护罩;0-8—轴承座底座;0-9—带 立式座外球面球轴承;0-10—转轴;〇-11—轮盘;0-12—测速传感器支架;0-13—模块基座; 0-14—电涡流传感器;0-15—电涡流传感器支架;〇-16—轮盘边缘配重孔;0-17—霍尔传感 器(测速传感器);0-18—测速齿轮;0-19—紧定螺钉;1-1 一旋转轮盘应力测试模块转轴;1-2—旋转轮盘应力测试模块铝制轮盘;1_3—滑环支架;1-4 一旋转轮盘应力测试模块基座; 1- 5—轮盘边缘切缝示意图;1-6—电刷滑环;2-1—转子动平衡及转子振动特性实验模块 盘a; 2-2—转子动平衡及转子振动特性实验模块盘b; 2-3—转子动平衡及转子振动特性实 验模块盘c; 2-4—转子动平衡及转子振动特性实验模块转轴;2-5—转子动平衡及转子振 动特性实验模块基座;3_1—碰磨架;3_2—转子系统故障模拟模块盘b; 3-3—转子系统故障 模拟模块转轴a;3-4—刚性联轴器;3-5—转子系统故障模拟模块盘c;3-6—转子系统故障 換拟模块转轴b; 3-7—可滑动带座轴承座底座滑槽;3-8—可滑动带座轴承座底座滑块;3-9 一转子系统故障模拟模块盘a; 3-10—转子系统故障模拟模块基座;3-11—可滑动带座轴 承座底座滑槽侧面螺栓;3_12—可滑动带座轴承座底座滑槽底部螺栓孔;3-13—碰磨螺栓; 4_1 一裂纹转子、方轴转子振动参数实验_吴块转轴;4-2—裂纹转子、方轴转子振动参数实验 模块轮盘;4-3—裂纹转子与方轴转子振动参数实验模块基座;5-1 —剖分式轴承座底座;5- 2— 剖分式轴承座盖;5-3—非对称支承转子模块转轴;5-4—非对称支承转子模块大轮盘; 5-5—非对称支承转子模块小轮盘;5-6—非对称支承转子模块基座;5-7—带密封盖深沟球 轴承;5-8—顶针;5-9—弹簧;5-10—紧定螺钉;6-1—积液转子模块转轴;6-2—积液转子模 块轮盘;6-3—开口销;6-4—橡胶塞;6-5—积液转子模块基座。
具体实施方式
[0042]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术 人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0043]参看图1至图18,本发明包括实验台主基座0-1,旋转轮盘应力测试模块,转子动平 衡及转子振动特性实验換块,转子系统故障模拟模块,裂纹转子与方轴转子振动参数实验 模块,非对称支承转子模块和积液转子模块。各模块均由相应的模块基座0-13、转轴0-10、 轮盘0-11、轴承座底座0-8、带立式座外球面球轴承0-9等零部件组成,安装有位移传感器 0-14与测速传感器0-17,并与数据采集系统和PC相连。各实验模块使用相同型号的轴承座 底座0-8、带立式座外球面球轴承0-9、联轴器0-6等,并统一连接轴颈尺寸。各实验模块对外 保留与实验台主基座的安装定位接口,由一柔性联轴器实现。利用本实验台可完成旋转轮 盘应力测试实验;转子动平衡实验;转子振动特性实验,包括转子临界转速、稳态不平衡响 应、瞬态响应实验;转子系统故障如不对中、碰磨、裂纹等模拟实验;非对称支承转子振动特 性实验;积液转子系统振动特性实验等。
[0044]在每一项实验中,均需要用到实验台主基座模块。实验台主基座主要由三部分组 成,分别是主基座0-1、电机基座0-3与电机0-5 (含控制器)。主基座较长,工作表面加工有若 干标准T型槽,用于安装各实验模块,为整个实验过程提供平台。电机基座上加工有螺栓孔, 并安装有吊环螺钉0-4。实验过程中首先应将T型槽专用螺栓0-2从侧面插入至T型槽,将电 机基座〇_3吊装至合适的高度与位置,调整T型槽专用螺栓0-2的位置使其能够插入电机基 座0-3的螺栓孔内,再将电机基座0-3缓慢吊装至主基座0-1上,利用螺母进行固定。接着将 电机0-5吊装至电机基座〇_3上,布置好电机引线与控制器的位置后,用专用螺栓将电机〇-5 固定。最后将柔性联轴器0_6安装固定在电机的输出轴上。电机采用伺服控制,精确度较高。 [0045]本发明所述旋转轮盘应力测试实验由实验台主基座模块和旋转轮盘应力测试模 块来完成。参看图8,在第一次使用时,应按照相应的标准和顺序,依次将轴承座底座0-8、旋 转轮盘应力测试模块转轴1-1、旋转轮盘应力测试模块铝制轮盘卜2、带立式座外球面球轴 承0-9、滑环支架1-3等零部件连接,并利用T型槽专用螺栓0-2安装至旋转轮盘应力测试模 块基座1-4上。将吊环螺钉0-4拧入后,利用工具将模块基座吊起,按照与电机基座〇-3相同 的方式将旋转轮盘应力测试模块基座1-4定位并安装。微调轴承座〇-8、旋转轮盘应力测试 模块基座1-4的位置,使得旋转轮盘应力测试模块转轴1-1能够与电机端的联轴器〇-6相连 接,并应保证轴系的对中。拧紧各螺栓后,安装防护罩0-7。将电刷滑环1-6引出的导线连接 至数据采集系统,启动电机,调节至某一固定转速。轮盘旋转时受到离心力的作用,将会产 生一定的变形,此时应变片的电阻值发生相应的变化,进而可转换为实际的应变值。利用PC 记录数据,并多次调节电机转速,观察不同转速下的结果。实验结束后更换实验模块时,仅 需卸下防护罩0-7,松开旋转轮盘应力测试模块基座1 -4与主基座0-1间的螺栓并吊装即可, 旋转轮盘应力测试模块基座1-4上的零部件保持原位置不变,以便于稍后再次使用时的安 装,同时也减少了再次安装时调节轴系对中的工作量。
[0046]本发明所述转子动平衡实验由实验台主基座模块和转子动平衡及转子振动特性 实验模块完成。参看图10,第一次使用时,应按照前述方法与步骤,将各零部件连接并安装。 将各电涡流传感器0-14安装至传感器支架0-15上,其引线接入数据采集系统,调整其位置, 使得测量数据位于传感器的线性范围内,以保证测量的精度。安装并固定所有零部件,调节 转子动平衡及转子振动特性实验模块盘a 2-1、转子动平衡及转子振动特性实验模块盘b 2- 2、转子动平衡及转子振动特性实验模块盘c 2-3位置,启动电机0-5,使其按照一定速度 升速,观察PC端显示的数据,在观察到振动峰值后,记录此时的电机转速;再进行一次降速 过程,记录振动峰值时的转速,完成临界转速的测定实验。关闭电机,在测试轮盘的某个或 多个圆孔内固定一定质量的橡皮泥,启动电机至某一固定转速(避开转子系统的临界转 速),观察并分析PC端的数据,完成转子系统瞬态与稳态不平衡响应实验。调节电机转速,或 调节轮盘的位置,或调节橡皮泥的质量与位置,可完成多次实验并观察其结果的异同。关闭 电机,根据理论计算的结果,在平衡调节盘上的相应圆孔内固定一定质量的橡皮泥,并进行 同样的实验,观察并分析PC端的数据,完成转子系统动平衡后的瞬态与稳态响应实验。调节 电机转速,或调节轮盘的位置,或调节橡皮泥的质量与位置,可完成多次实验并观察其结果 的异同。拆卸与再次安装本实验模块的方法与前述相同。
[0047]本发明所述转子系统故障如不对中、碰磨的模拟实验由实验台主基座模块和转子 系统故障模拟模块完成。参看图11,第一次使用时,应按照前述方法与步骤,将各零部件连 接并安装,并将各电涡流传感器0-14调整至其线性测量范围内。如前所述,可滑动带座轴承 座底座滑块3-8底部比可滑动带座轴承座底座滑槽3-7内部长度小1mm,以便于可滑动带座 轴承座底座滑块3-8在可滑动带座轴承座底座滑槽3-7内滑动。可滑动带座轴承座底座滑 槽3-7侧面正中的螺纹孔可拧入可滑动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11,螺栓转动时,深 入可滑动带座轴承座底座滑槽3-7内的端面可按照可滑动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓 3- 11的螺距精确移动相应的距离,从而带动可滑动带座轴承座底座滑块3-8的移动。同时, 可滑动带座轴承座底座滑块3-8底部相邻两螺纹孔中心距为20mm,而可滑动带座轴承座底 座滑槽3-7相应位置的螺纹孔中心距为20_ 5mm。当需要模拟转子对中的情况时,转动可滑 动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11带动可滑动带座轴承座底座滑块3-8移动,使前后两 个可滑动带座轴承座底座滑槽3-7底部的孔A与可滑动带座轴承座底座滑块3-8底部的孔A 配合并拧入螺栓固定;当需要模拟偏移量为0 • 5mm的转子平行不对中的情况时,转动可滑动 带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11带动可滑动带座轴承座底座滑块3-8移动0.5mm,使前后 两个可滑动带座轴承座底座滑槽3-7底部的孔B与可滑动带座轴承座底座滑块3-8底部的 孔B配合并抒入螺栓固定;当需要模拟偏移量为1mm的转子平行不对中的情况时,转动可滑 动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11带动可滑动带座轴承座底座滑块3-8移动lmm,使前后 两个可滑动带座轴承座底座滑槽3-7底部的孔C与可滑动带座轴承座底座滑块3-8底部的孔 C配合并拧入螺栓固定;当需要模拟转子角度不对中的情况时,转动第一个轴承座可滑动带 座轴承座底座滑槽3-7上的可滑动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11带动可滑动带座轴承 座底座滑块3_8移动至原位,使其可滑动带座轴承座底座滑槽3-7上的孔A与可滑动带座轴 承座底座滑块3_8底部的孔A配合并抒入螺栓固定,并转动第二个可滑动带座轴承座底座滑 槽3_7上的可滑动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11带动可滑动带座轴承座底座滑块3-8 移动0_5ram或1mm,使其可滑动带座轴承座底座滑槽3-7上的孔B或孔C与可滑动带座轴承座 底座滑块3-8底部的孔B或孔C配合并抒入螺栓固定;当需要模拟转子综合不对中的情况时, 转动第一个轴承座可滑动带座轴承座底座滑槽3-7上的可滑动带座轴承座底座滑槽侧面螺 栓3-11带动滑块移动0.5mm或1mm,使其可滑动带座轴承座底座滑槽3-7上的孔B或孔C与可 滑动带座轴承座底座滑块3-8底部的孔B或孔C配合并拧入螺栓固定,并转动第二个轴承座 可滑动带座轴承座底座滑槽3-7上的可滑动带座轴承座底座滑槽侧面螺栓3-11带动可滑 动带座轴承座底座滑块3-8移动至原位,使其可滑动带座轴承座底座滑槽3-7上的孔A与可 滑动带座轴承座底座滑块3-8底部的孔A配合并拧入螺栓固定。调节转子系统故障模拟模块 盘a 3-9、转子系统故障模拟模块盘b 3-2和转子系统故障模拟模块盘c 3-5的位置,旋转碰 磨架3-1上的碰磨螺栓3-13,使其未接触到转子系统故障模拟模块盘a 3-9和转子系统故障 模拟模块盘c 3-5,启动电机0-5并记录数据,即可开始进行实验。以上可实现转子系统平 行不对中、角度不对中与综合不对中的模拟试验。当需要模拟转子系统碰磨故障时,将两个 滑块均移动至原位,保持转子处于对中状态,旋转碰磨架3-1上的碰磨螺栓3-13,使其可以 接触到转子系统故障模拟模块盘a 3-9和转子系统故障模拟模块盘c 3-5。启动电机0-5并 记录数据,即可开始进行实验。当需要模拟转子系统松动故障时,将两个可滑动带座轴承座 底座滑块3-8均移动至原位,保持转子处于对中状态,旋转碰磨架3-1上的碰磨螺栓3-13, 使其未接触到碰转子系统故障模拟模块盘a 3-9和转子系统故障模拟模块盘c 3-5。选择某 个轴承座安装螺钉并将其拧松,启动电机〇-5并记录数据,即可开始进行实验。当需要模拟 转子系统两个或多个故障发生耦合的情况时,可同时进行上述的某两个或多个操作,启动 电机0-5并记录数据,即可开始进行实验。转子系统尾部的测速传感器0-17采用霍尔原理, 当测速齿轮0-18转动时,引起测速传感器0-17上电信号的变化,使得数采系统中出现尖峰。 一定时间内尖峰的数量与测速齿轮0-18的齿数相除,即可得到这段时间内测速齿轮0-18转 动的圈数,进而得到转子的转速。
[0048]本发明所述转子系统裂纹故障的模拟实验由实验台主基座模块和裂纹转子与方 轴转子振动参数实验模块完成。参看图14,第一次使用时,应按照前述方法与步骤,将各零 部件连接并安装,并将各电涡流传感器0-14调整至其线性测量范围内。当需妥进仃止常转 子的振动分析时,安装正常转轴,调整裂纹转子与方轴转子振动参数实验模块轮盘4-2位 置,做好裂纹转子与方轴转子振动参数实验模块轮盘4—2的动平衡,启动电机0-5并记录数 据,即可开始进行实验。当需要进行裂纹或方轴转子的振动分析时,将正常转轴换为相应的 裂纹或方轴转子即可。定义符号(x,y),其中x表示裂纹距安装第一个轴承的轴肩的距离,y 表示裂纹的深度,如在距安装第一个轴承的轴肩150mm处预制6mm深裂纹的转轴,可记为 (150,6)。据此,通过对比(150,6)、(250,6)与(350,6)的三个转轴的振动情况,可分析裂纹 位置对转子系统振动的影响;通过对比(250,3)、(250,6)与(250,9)的三个转轴的振动情 况,可分析裂纹深度对转子系统振动的影响;通过对比剩余两根裂纹圆轴的振动情况,可分 析双裂纹的正负相位对转子系统振动的影响。方轴转子的实验及结果分析与上述相同,仅 需将裂纹圆轴换为相应的裂纹方轴即可。各传感器的使用与前述相同。
[0049] 本发明所述非对称支承转子振动特性实验由实验台主基座模块和非对称支承转 子模块完成。参看图15,第一次使用时,应按照前述方法与步骤,将各零部件连接并安装,并 将各电涡流传感器0-14调整至其线性测量范围内。剖分式轴承座,图16所示的安装方式与 前述有所不同。首先应将带密封盖深沟球轴承5-7装入轴承座内,其外圈与轴承座间在径向 留有一定空隙,可进行微小位移;将前述弹簧部件的顶针5-8放入四个45°方向的孔内,在所 提供的多个型号的弹簧5-9中根据所需刚度选择相应的型号,也放入孔内,并分别用紧定螺 钉5-10压紧,用于给带密封盖深沟球轴承5-7提供四个方向的支承刚度。安装好轴承座后, 启动电机0-5进行实验,记录并分析测试数据。需要对比不同支撑刚度下的转子系统振动特 性时,仅需将各紧定螺钉5-10拧松,更换对应刚度的弹簧5-9进行试验,并分析对比各组数 据。各传感器的使用与前述相同。
[0050] 本发明所述积液转子系统振动特性实验由实验台主基座模块和积液转子模块完 成。参看图18,第一次使用时,应按照前述方法与步骤,将各零部件连接并安装,并将各电涡 流传感器0-14调整至其线性测量范围内。积液转子模块转轴6-1的安装与前述有所不同。首 先应向积液转子模块转轴6-1预制孔内注入一定量的液体并塞入橡胶塞6-4;旋转橡胶塞6-4使得橡胶塞6-4上的销孔与转轴上的销孔相对应,插入开口销6-3并进行锁定;在封口处涂 一定量密封材料以防止液体泄漏。安装并固定积液转子模块轮盘6-2,并将积液转子模块转 轴6-1安装至轴承座0-8上,启动电机0-5并进行实验。当需要对比相同体积,不同类型的液 体对转子系统的影响时,可分别使用油、水等液体进行实验并分析对比相应数据;当需要对 比不同体积,相同类型的液体对转子系统的影响时,可分别注入不同体积的油或水进行实 验并分析对比相应数据。各传感器的使用与前述相同。
[0051]在上述实施例中,各实验模块均安装有防护罩0-7,可保证实验过程的安全性。 [0052]在上述实施例中,需要更换实验模块时,仅需拆卸各模块基座并更换所需模块基 座即可。
[0053] 在上述实施例中,电机0-5的转速控制均由控制柜实现,可以记录实时转速,用于 观测临界转速或转子系统的其它运行状态。
[0054]在上述实施例中,传感器均需调整至其线性测量范围内,以保证测量的精度。所采 集的数据存储到PC中,可进行在线或离线状态的多种分析与图形绘制,对转子系统的振动 分析提供指导作用。
[0055] 综上所述,本发明可模拟转子系统的多种运行状态,米取楔块化结构,各丨悮厌 对独立,操作方便,具有良好的通用性与互换性,可应用于转子动力学、故障诊断等教学实 验或科学研宄领域
[0056] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述 特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影 响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相 互组合。

Claims (10)

  1. i .一种模块化多功能转子实验台,其特征在于,包括一个实验台主基座、旋转轮盘应力 测试模块、转子动平衡及转子振动特性实验模块、转子系统故障模拟模块、裂纹转子与方轴 转子振动参数实验模块、非对称支承转子模块和积液转子模块,各模块均包括模块基座、转 轴、轮盘、轴承、位移传感器与测速传感器,且均与数据采集系统和PC相连,各模块对外保留 与实验台主基座的安装定位接口,由一柔性联轴器实现。
  2. 2. 根据权利要求1所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述实验台主基座包 括带控制器的变频电机和电机基座,电机输出端安装柔性联轴器,用于与各实验模块连接, 实验台主基座中部加工方形槽,以实现与各实验模块的定位要求,实验台主基座上加工若 干T型槽,以安装电机基座与各实验模块基座。
  3. 3. 根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述旋转轮盘应力测 试模块、转子动平衡及转子振动特性实验模块、转子系统故障模拟模块、裂纹转子、方轴转 子振动参数实验模块、非对称支承转子模块和积液转子模块的模块基座的边缘钻孔,以与T 型槽专用螺栓配合安装在实验台主基座上,各模块基座上设置吊环螺钉便于实验模块的吊 装更换,其中部分轮盘在边缘加工孔以实现动平衡,除旋转轮盘应力测试模块外,其余轮盘 的安装方式均为采用紧定螺钉固定在转轴上,以便于轮盘在转轴上的位置可实现大范围调 节并锁定。
  4. 4. 根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述旋转轮盘应力测 试模块的模块基座上安装有前后两个带座轴承座底座,其上设置孔洞以减重,带座轴承座 底座上均安装有标准的带立式座外球面球轴承以支承转轴,转轴一端与实验台主基座电机 上的联轴器连接,另一外伸端安装有一个铝制轮盘,轮盘周边开有若干细缝,以模拟呈悬臂 状的航空发动机叶片,沿所述轮盘的某一径向,在隔一定距离的每个位置分别粘贴周向和 径向两个电阻应变片,其测量信号通过定制的电刷滑环导出至数据采集系统与PC端,滑环 安装于一滑环支架上,带座轴承座底座、滑环支架均利用T型槽专用螺栓安装于模块基座 上。
  5. 5. 根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述转子动平衡及转 子振动特性实验模块的模块基座上安装有前后两个轴承座底座和带座轴承以支承转轴,转 轴一端与联轴器连接,转轴中部安装有三个轮盘,依次为盘a,盘b和盘c,其中盘a和盘c为配 重调节盘,盘b为测试轮盘,三个轮盘均在边缘处加工均布圆孔,用于加装橡皮泥,其中盘b 的橡皮泥用于产生不平衡,盘a和盘c则用于完成动平衡,三个轮盘均可在转轴上任意滑动 并锁定,在转轴的轴向依次布置四个整体式电涡流传感器支架,支架的上侧、左侧、右侧、左 上侧45°方向及右上侧45°方向各开一圆孔用于安装位移传感器,传感器测量得到的信号通 过数据采集系统存储到PC端。
  6. 6. 根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述转子系统故障模 拟模块的模块基座上依次安装有两个带座轴承座底座,记为底座a和底座b,和两组可滑动 带座轴承座底座,记为底座c和底座d,可滑动带座轴承座底座c和底座d主要由两部分组成, 分别为滑块和滑槽,滑块的结构与带座轴承座底座类似,但底部长度偏小lmm以在滑槽内滑 动,滑块底部左右两侧各加工有三个螺纹孔,每一侧相邻两孔中心距为2〇mm,所述滑槽正面 底部左右两侧各加工有三个螺栓孔,每一侧相邻两孔中心距为2〇 • 5mm,滑槽侧面正中各加 工有一个螺纹孔,四个轴承座底座上均安装有带立式座外球面球轴承,分别记为轴承&,轴 承b,轴承C和轴承d,共支承起两个转轴,分别记为转轴a和转轴b,两转轴通过刚性联轴器连 接,轴承a和轴承b间的转轴a为双盘转子,轴承c和轴承d间的转轴b为单盘转子,两个转轴用 以模拟双转子发动机的结构;三个轮盘依次记为盘a,盘b和盘c,均可任意调节并锁定其位 置,三个轮盘均在边缘处加工均布圆孔以引起不平衡与完成动平衡;盘a和盘c为碰磨盘,在 模块基座的相应位置设置有碰磨架和碰磨螺栓,沿两个转轴的轴向依次布置五个传感器支 架用于安装位移传感器;在转轴b的末端安装有一测速齿轮,在模块基座的相应位置设置有 测速传感器支架,其上安装有霍尔测速传感器,传感器测量得到的信号通过数据采集系统 存储到PC端。
  7. 7. 根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述裂纹转子与方轴 转子振动参数实验模块的模块基座上安装有前后两个轴承座底座和带座轴承,以支承转 轴,转轴一端与联轴器连接,转轴有三种类型,分别为正常转轴,裂纹圆轴,和带方形轴段裂 纹转轴,正常转轴为一根,裂纹圆轴共七根,每根转轴上预制裂纹,裂纹位置分别为:(1)分 别在距安装第一个轴承的轴肩150mm,25〇mm和350mm处预制裂纹,裂纹深度6mm,共三根;(2) 在距安装第一个轴承的轴肩25〇mm处,分别预制3mm和9mm深裂纹,共两根;(3)同时在距安装 第一个轴承的轴肩150mm和350mm处,同相位或反相位预制深度为6mm的裂纹,共两根,带方 形轴段裂纹转轴共七根,分别与裂纹圆轴的裂纹位置相同,但在某一固定位置将长度为 50mm的圆轴段加工为正方形轴段,转轴在单独进行实验时,其上均安装有一轮盘,可任意调 节并锁定其位置,轮盘边缘处加工均布圆孔以引起不平衡与完成动平衡,沿转轴的轴向依 次布置两个传感器支架用于安装位移传感器;在各个轴的末端均可安装测速齿轮,与测速 传感器配合完成测速,传感器测量得到的信号通过数据采集系统存储到PC端。
  8. 8. 根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述非对称支承转子 模块的模块基座上安装有前后两个剖分式轴承座,内置带密封盖的深沟球轴承,轴承外圈 与轴承座内孔间的配合较正常的配合有所放松,防止轴承被卡死,剖分式轴承座底座的左 下侧45°方向及右下侧45°方向,以及剖分式轴承座盖的左上侧45°方向及右上侧45°方向均 加工圆孔,并在相应位置加工一定长度的螺纹孔,四个孔内均可放置弹簧部件,弹簧部件由 三部分组成,分别为紧定螺钉、弹簧与顶针,其中顶针与轴承接触并承受传递来的载荷;紧 定螺钉安装在轴承座上,用于将弹簧压紧在顶针上,弹簧提供多个型号,各个型号的刚度不 同,两个轴承座及其轴承支承起一根转轴,转轴一端与联轴器连接,其上安装有一大一小两 个轮盘,均可任意调节并锁定其位置,且两个轮盘均在边缘处加工均布圆孔以引起不平衡 与完成动平衡,沿转轴的轴向依次布置三个传感器支架用于安装位移传感器,传感器测量 得到的信号通过数据采集系统存储到PC端。
  9. 9.根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述积液转子模块的 模块基座上安装有前后两个轴承座底座和带座轴承以支承转轴,转轴一端与联轴器连接, 转轴的另一端自端面向内加工一定深度与直径的圆孔用于注入液体,注入液体后,向孔内 塞入直径与圆孔匹配的橡胶塞,并涂胶以密封,橡胶塞通过开口销实现固定,转轴上安装一 个轮盘,可任意调节并锁定其位置,且轮盘边缘处加工均布圆孔以引起不平衡与完成动平 衡,沿转轴的轴向依次布置两个传感器支架用于安装位移传感器,传感器测量得到的信号 通过数据采集系统存储到PC端。
  10. 10.根据权利要求2所述的模块化多功能转子实验台,其特征在于,所述位移传感器为 电涡流传感器,电涡流传感器测量得到的数据存入PC端后,利用一定的软件实时绘制转轴 的轴心轨迹与振型图;电机的控制器与测速传感器采集的数据用于分析转子系统的临界转 速。
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