CN107957328A - 一种叶轮性能模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶轮性能模拟测试方法，用于对空气压缩机的叶片实施检测；包括：采用设置在机架上的上夹具和下夹具分别夹固所述叶片的两端，使叶片位于且向所述叶片施加设定的拉力以模拟所述叶片所受的离心力；供风系统用于向罩设在所述叶片上试验箱内通风以向所述叶片模拟施加流体介质所产生的载荷；建立叶片在离心力作用下的静态力学模型。准确地模拟和评价叶轮在高精度精力作用下的服役情况。

Description

一种叶轮性能模拟测试方法

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，尤其涉及一种叶轮性能模拟测试方法。

背景技术

叶轮是空气压缩机的重要组成部分，是保证空气压缩机性能、可靠性、耐久性的重要零部件。

在空气压缩机的工作过程中，高速旋转的叶轮会对流动介质(即空气)做功，相对应的，流动介质在叶轮通道中会对叶轮的叶片产生反作用力，进而较容易导致叶片产生疲劳损坏。因此，流动介质所产生的载荷是再制造叶轮二次服役过程中工作载荷的重要组成部分。除此之外，高速旋转的叶片会承受较大的离心力，进而较容易使得叶片表面及内部产生微裂纹等缺陷。可见，叶片在承受离心力作用下的服役性能对叶轮的服役的耐久性、可靠性具有重要意义。

在叶轮的再制造或生产过程中，叶轮的性能试验对叶轮后续批量生产具有指导意义，但是目前的生产厂家都是采用专门独立的设备对叶片实施试验，即采用专门的设备产生高压风场来模拟叶轮工作工况，采用专门的设备施加离心力来模拟叶片工作状态下的受力场景。很显然，上述模拟各自独立，很难完全模拟叶片的真实工况(真实工况既受流动介质所产生的载荷又受到离心力)，影响实验效果，与此同时，分开进行性能模拟实验会影响对叶片的实验效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶轮性能模拟测试方法，以解决目前对叶片进行分别模拟所存在的模拟效果不佳及模拟效率较低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种叶轮性能模拟测试方法，用于对空气压缩机的叶片实施检测；包括：

采用设置在机架上的上夹具和下夹具分别夹固所述叶片的两端，使叶片位于且向所述叶片施加设定的拉力以模拟所述叶片所受的离心力；

供风系统用于向罩设在所述叶片上试验箱内通风以向所述叶片模拟施加流体介质所产生的载荷；

建立叶片在离心力作用下的静态力学模型。

优选的，所述上夹具设置有用于检测所述拉力大小的拉力传感器。

优选的，所述供风系统包括鼓风机和通风管道，所述通风管道的一端连接所述鼓风机的出风口，另一端连通所述试验箱。

优选的，还包括：

通过风压调节装置对风压进行变频，以使得所述叶片产生预定频率的微幅振动；

所述风压调节装置包括伺服电机和与所述伺服电机连接的变频装置。

优选的，所述变频装置包括：

设置在所述通风管道上的阀体；

设置在所述阀体内的阀座；以及与所述阀座配合的所述阀芯，所述阀芯通过连接轴与所述伺服电机相连；所述伺服电机通过所述连接轴驱动所述阀芯相对于所述阀座转动以实现所述阀体在闭合和开启状态下切换。

优选的，所述下夹具包括：

设置在所述安装台上的夹具底座；

设置在所述夹具底座上，且对称分布的两个夹块；两个所述夹块通过螺栓组件固定在所述夹具底座上；两个夹块之间形成用于夹持所述叶片的底端的夹持腔。

优选的，还包括：

蜗轮蜗杆机构；

与所述夹具底座啮合的驱动齿轮，所述驱动齿轮设置在所述蜗轮蜗杆机构的输出轴上；所述蜗轮蜗杆机构上设置有驱动手柄；所述蜗轮蜗杆机构用于通过所述驱动齿轮驱动所述夹具底座转动以调节所述夹持腔的朝向。

优选的，所述机架包括电动缸和直角杠杆；其中：

所述电动缸设置于所述直角杠杆的底部；

所述上夹具设置在所述直角杠杆的顶部，所述电动缸能推动所述直角杠杆以使得所述上夹具夹紧所述叶片的顶端。

优选的，所述直角杠杆的顶端设置有升降装置，所述升降装置能相对于所述直角杠杆的顶端升降以调节所述上夹具与所述下夹具之间的距离。

优选的，还包括控制器，所述控制器与所述拉力传感器和所述升降装置均相连，所述控制器用于控制所述升降装置上升直至所述拉力传感器所检测的数值达到设定值。

本发明提供的叶轮性能模拟测试方法能够通过供风系统和试验箱来模拟叶片所受到的流体介质所产生的载荷，通过上夹具、下夹具和拉力传感器来模拟叶片所受到离心力，建立叶轮在离心力作用下的静态力学模型，准确地模拟和评价叶轮在高精度精力作用下的服役情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的试验机的主视图，图中未显示试验箱；

图2是图1的侧视图，图中显示有试验箱；

图3是本发明实施例提供的上夹具的结构示意图；

图4是图3的侧视图；

图5是本发明实施例提供的下夹具的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的试验机的局部放大示意图；

图7是本发明实施例提供的变频装置的内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

本发明提供了一种叶轮性能模拟测试方法，用于对空气压缩机的叶片实施检测；包括：

采用设置在机架上的上夹具和下夹具分别夹固所述叶片的两端，使叶片位于且向所述叶片施加设定的拉力以模拟所述叶片所受的离心力；

供风系统用于向罩设在所述叶片上试验箱内通风以向所述叶片模拟施加流体介质所产生的载荷；

建立叶片在离心力作用下的静态力学模型。

本发明提供的叶轮性能模拟测试方法能够通过供风系统和试验箱来模拟叶片所受到的流体介质所产生的载荷，通过上夹具、下夹具和拉力传感器来模拟叶片所受到离心力，建立叶轮在离心力作用下的静态力学模型，准确地模拟和评价叶轮在高精度精力作用下的服役情况。

本发明提供的叶轮性能模拟测试方法可以在以下试验机上操作得以实现，以下通过对该试验机的介绍，进而实施本发明提供的叶轮性能模拟测试方法。

请参考图1和图2，本发明实施例提供一种试验机，用于对空气压缩机叶轮的叶片实施实验检测。

图1和2所示的试验机包括机架10、上夹具20、下夹具30、试验箱40、拉力传感器50和供风系统60。

其中，机架10作为整个试验机的骨架，用于为其他零部件提供安装基础。上夹具20和下夹具30设置在机架10上，通常，上夹具20设置在机架10的顶端，下夹具30设置在机架10的安装台上，也可以认为是整个试验机的工作台。上夹具20和下夹具30分别用于夹固叶片70的两端，分别为顶端和底端，上夹具20和下夹具30分别向叶片70施加设定的拉力，以模拟叶片70所受的离心力，为了确保所施加的拉力能够较为准确地模拟其在工作状态下所受到的离心力，上夹具20上设置有拉力传感器50，拉力传感器50用于显示施加在叶片70上的拉力，当拉力不足时，拉力传感器50可以起到后续再调节的提示作用。

试验箱40用于设置在机架10的安装台上，试验箱40的作用在于罩设在叶片70上，以提供一个相对封闭的模拟环境。供风系统60设置在机架10上，且与试验箱40连通，供风系统60向试验箱40内通风，进而使得气流作用于试验箱40内的叶片70上，最终达到模拟叶片70处于工作状态下所受到的流动介质所产生的载荷的目的。

我们知道，处于高速旋转状态下的叶轮的叶片70受到的离心力特点如下：离心力大小恒定，离心力的方向确定，即沿着旋转半径向外。基于此，本申请采用精度较高的静力即静态拉力来模拟叶片70所受到的离心力。在模拟的过程中，通过上夹具20与下夹具30对叶片70所施加的拉力来达到静力施加的目的。具体的，可以通过调节上夹具20与下夹具30之间的夹紧距离来调节静力大小，也可以通过该表上夹具20相对于下夹具30的位置来调节静力的大小。如上文所述，上述调节过程中，可以通过拉力传感器50配合实现。

供风系统60向试验箱40之内吹风，进而对试验箱40内的叶片实施作用力，来模拟叶片70在空气压缩机内腔中工作时的受力情况。

通过上文所述可知，本发明实施例提供的试验机能够通过供风系统60和试验箱40来模拟叶片70所受到的流体介质所产生的载荷，通过上夹具20、下夹具30和拉力传感器50来模拟叶片所受到离心力。在对叶片的性能实施模拟检测的过程中，本实施例提供的试验机能同时对叶片实施上述两种方面的模拟，进而能提高模拟效率。与此同时，对叶片两种受力情况的模拟实验，能更符合叶片的真实受力情况，进而能提高实验效果。

本实施例中，上夹具20和下夹具30的作用在于夹持叶片70的顶端和底端，实现上述功能的夹持装置的种类有多种。请参考图3和图4，本发明实施例提供一种具体结构的上夹具20，所提供的上夹具20为一体式结构，顶端设置有顶部铰接孔201，底部设置有底部铰接孔202，顶部铰接孔201通过铰接轴与机架10的顶端铰接，底部铰接孔202通过铰接轴与叶片70的顶端铰接，上述铰接的方式使得叶片70在受流体介质所产生的载荷作用下，能微量摆动，进而能够更为准确地模拟叶片70工作过程中所产生的摆动，进而能更好地模拟叶片70的受力场景。具体的，本实施例提供的试验机还可以包括摆动系统，所述摆动系统与叶片70连接，能主动驱动叶片70在适当的角度范围内摆动。

同样，本发明实施例提供一种具体结构的下夹具30，请参考图5，所提供的下夹具30包括夹具底座301、两个夹块302和螺栓组件303。夹具底座301设置在安装台上，两个夹块302对称度布置在夹具底座301上，两个夹块302通过螺栓组件303固定在夹具底座301上，两个夹块302之间形成用于夹持叶片70底端的夹持腔。具体的，两个夹块302能够移动地设置在夹具底座301上，再通过螺栓组件303实现固定，两个夹块302的移动能改变夹持腔的宽度，进而能适应不同规格的叶片70。

请再次参考图5，本实施例提供的试验机还可以包括蜗轮蜗杆机构304和驱动齿轮305，其中，驱动齿轮305与夹具底座301啮合，也就是说夹具底座301的周向布置有啮合齿，而且能相对于夹具底座301转动。驱动齿轮305设置在蜗轮蜗杆机构304的输出轴上，蜗轮蜗杆机构304设置有驱动手柄，操作驱动手柄来驱动蜗轮蜗杆机构304进而实现驱动齿轮305转动，驱动齿轮305的转动能带动夹具底座301转动，最终达到能调节夹持腔朝向的目的。通过驱动手柄驱动涡轮蜗杆机构304对下夹具30实施角度进行调整，控制简单、方便，同时蜗轮蜗杆机构304具有自锁效应，能够保证叶片70的试验位置。在夹具底座301的旋转面上可以布置有细小的有油沟进行润滑，减小接触面的摩擦力，更容易调节角度。

请再次参考图1和2，本实施例中提供一种具体结构的机架10，该机架10包括电动缸101和直角杠杆102，其中，电动缸101设置在直角杠杆102的底部，上夹具20设置在直角杠杆102的顶部，电动缸101能推动直角杠杆102摆动以调节进而间接拉拽上夹具20的达到夹紧叶片70顶端，且施加拉力的目的。直角杠杆102能起到调节上夹具20布置角度及位置的目的，同时，通过合理地布置直角杠杆102的支点能使得直角杠杆102将电动缸101的推力放大，同时实现电动缸101推力方向的转变。考虑到直角杠杆102受力较大，为实现高强度轻重量的要求，我们将直角杠杆102的结构设计为焊接件，并设计合理的肋板和筋板提高直角杠杆102的整体强度。本实施例中，机架10通过高精度的电动伺服系统(电动缸)与直角杠杆102的加载，能实现静力的准确加载。

本申请中，电动缸101作为动力源，可以采用进口的GSX系列电动缸。该系列电动缸将行星滚柱丝杠与电机转子有机结合，将行星滚柱均布安装在主丝杠周围，并精确机装入空心转子中，保证与转子绝对同步。该系列伺服电动缸采用的T-LAM定子分段迭片技术能够比常规电机持续输出更高的扭矩，具有独立线圈绕组，分段定子组合保证了电机的最高性能，能提高电机的功效，同时能有效降低电机线圈产生的热功效，消除定子端部转动，利用热导陶瓷替代传统电机的零部件，提高可靠性。同时该电动缸101在先进的闭环伺服系统中，能够精确控制速度，推力和位置，控制精度达到0.02mm。

请再次参考图1和2，本实施例中，直角杠杆102的顶端可以设置有升降装置103，升降装置103能相对于直角杠杆102的顶端升降以调节上夹具20与下夹具30之间的距离，进而间接起到调节两者施加于叶片70上拉力的目的。具体的，升降装置103可以采用蜗轮丝杠升降机，采用蜗轮丝杠升降机能方便叶片70的装夹，具有结构紧凑、重量轻、无噪音、承载能力强、自锁、推杆防旋转、可靠性高、使用寿命长等优点。与此同时，升降装置103的升降移动能辅助调节直角杠杆102的调平及确保载荷的竖直向上。

本实施例提供的试验机还可以包括控制器，控制器与拉力传感器50和升降装置103均相连，控制器用于控制升降装置103上升直至拉力传感器50所检测的数值达到设定值。具体的，控制器可以根据拉力传感器50所检测的实时拉力值与设定值比较，进而控制升降装置103的启停。这种PID控制方法能够较好地确保静力的高精度加载。

请参考图6，本发明实施例提供的试验机中，供风系统60包括鼓风机601和通风管道602，通风管道602的一端连接鼓风机601的出风口连通，另一端连接试验箱40，进而实现向试验箱40内送风的目的。请结合参考图7，所提供的供风系统60还可以包括伺服电机603和与所述伺服电机603连接的变频装置604，所述变频装置604包括阀体6041、阀座6042、阀芯6043和连接轴6044。其中：阀体6041设置在通风管道602上，阀座6042设置在阀体6041内，阀芯6043与阀座6042配合，阀体6041通过连接轴6044与伺服电机603相连，伺服电机603通过连接轴6044驱动阀芯6043相对于阀座6042转动以实现阀体6041在闭合和开启状态下切换，最终实现通风管道602的通闭。当然，阀芯6043的转动角度不同可以调节阀体6041的开度，达到更加精确控制风量的目的。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种叶轮性能模拟测试方法，用于对空气压缩机的叶片实施检测；其特征在于，包括：

采用设置在机架上的上夹具和下夹具分别夹固所述叶片的两端，使叶片位于且向所述叶片施加设定的拉力以模拟所述叶片所受的离心力；

供风系统用于向罩设在所述叶片上试验箱内通风以向所述叶片模拟施加流体介质所产生的载荷；

建立叶片在离心力作用下的静态力学模型。

2.如权利要求1所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，所述上夹具设置有用于检测所述拉力大小的拉力传感器。

3.如权利要求1所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，所述供风系统包括鼓风机和通风管道，所述通风管道的一端连接所述鼓风机的出风口，另一端连通所述试验箱。

4.如权利要求2所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，还包括：

通过风压调节装置对风压进行变频，以使得所述叶片产生预定频率的微幅振动；

所述风压调节装置包括伺服电机和与所述伺服电机连接的变频装置。

5.如权利要求4所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，所述变频装置包括：

设置在所述通风管道上的阀体；

设置在所述阀体内的阀座；以及与所述阀座配合的所述阀芯，所述阀芯通过连接轴与所述伺服电机相连；所述伺服电机通过所述连接轴驱动所述阀芯相对于所述阀座转动以实现所述阀体在闭合和开启状态下切换。

6.如权利要求1所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，所述下夹具包括：

设置在所述安装台上的夹具底座；

设置在所述夹具底座上，且对称分布的两个夹块；两个所述夹块通过螺栓组件固定在所述夹具底座上；两个夹块之间形成用于夹持所述叶片的底端的夹持腔。

7.如权利要求6所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，还包括：

蜗轮蜗杆机构；

与所述夹具底座啮合的驱动齿轮，所述驱动齿轮设置在所述蜗轮蜗杆机构的输出轴上；所述蜗轮蜗杆机构上设置有驱动手柄；所述蜗轮蜗杆机构用于通过所述驱动齿轮驱动所述夹具底座转动以调节所述夹持腔的朝向。

8.如权利要求1所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，所述机架包括电动缸和直角杠杆；其中：

所述电动缸设置于所述直角杠杆的底部；

所述上夹具设置在所述直角杠杆的顶部，所述电动缸能推动所述直角杠杆以使得所述上夹具夹紧所述叶片的顶端。

9.如权利要求8所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，所述直角杠杆的顶端设置有升降装置，所述升降装置能相对于所述直角杠杆的顶端升降以调节所述上夹具与所述下夹具之间的距离。

10.如权利要求9所述的叶轮性能模拟测试方法，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述拉力传感器和所述升降装置均相连，所述控制器用于控制所述升降装置上升直至所述拉力传感器所检测的数值达到设定值。