CN108007656A - 一种用于复合材料超高速离心试验的装置 - Google Patents

一种用于复合材料超高速离心试验的装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于离心试验技术领域，具体涉及一种用于复合材料超高速离心试验的装置。本发明包括涡轮驱动部分1、被试试验部分2及定位连接部分3；涡轮驱动部分1和定位连接部分3通过螺钉44固定连接，定位连接部分3和被试试验部分2通过螺钉45固定连接。本发明通过高压气源驱动涡轮超高速运转，再通过联轴器驱动被试试验件在低压/真空离心腔内同步运转，使试验件达到某一极限离心破坏转速，进而考核复合材料试验件的耐极限转速及极限转速下的离心拉应力。

Description

一种用于复合材料超高速离心试验的装置
技术领域
本发明属于离心试验技术领域，具体涉及一种用于复合材料超高速离心试验的装置。
背景技术
现有进行复合材料超高速离心破坏试验的装置，主要驱动方式以电机为主，且被试试验件存在大气环境中，试验升速率较低，升速过程中试验件鼓风功耗损失较大，试验耗时较长(通常可达数小时以上)，基于现有技术不足，设计研发了一种新型用于复合材料超高速离心试验的装置。
发明内容
本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种用于复合材料超高速离心试验装置，通过高压气源驱动涡轮超高速运转，再通过联轴器驱动被试试验件在低压/真空离心腔内同步运转，使试验件达到某一极限离心破坏转速，进而考核复合材料试验件的耐极限转速及极限转速下的离心拉应力。
本发明采用的技术方案：
一种用于复合材料超高速离心试验装置，包括涡轮驱动部分、被试试验部分及定位连接部分；涡轮驱动部分和定位连接部分固定连接，定位连接部分和被试试验部分固定连接。
所述涡轮驱动部分包括涡轮轴系组件、机械动密封组件及壳体组件；机械动密封组件固定安装在壳体组件的内部，机械动密封组件套在涡轮轴系组件的轴上，涡轮轴系组件通过滚动轴承、滚动轴承安装在壳体组件内部。
所述涡轮轴系组件包括整体式涡轮转子、密封动环、调整垫片、滚动轴承、轴衬套、滚动轴承、花键联轴器；密封动环、调整垫片、滚动轴承、轴衬套、滚动轴承依次套在整体式涡轮转子的轴上，密封动环与整体式涡轮转子属于间隙配合，并通过整体式涡轮转子轴上的阶梯限位；花键联轴器与整体式涡轮转子轴的顶端连接，通过拧紧花键联轴器实现对密封动环、调整垫片、滚动轴承、轴衬套、滚动轴承的预紧。
所述机械动密封组件包括密封壳体、6个压缩弹簧、2个导向螺钉、静环组件；6个压缩弹簧沿周向均匀放置于密封壳体的弹簧孔中，静环组件浮置于压缩弹簧上，静环组件与密封壳体固定连接；
所述静环组件包括静环座、石墨环，静环座与石墨环通过环氧树脂粘接连接。
所述压缩弹簧对静环组件提供弹力，使静环组件工作过程中与轴系组件中密封动环的端面保持贴合状态。
所述壳体组件包括涡轮壳体、环形盖、排气盖、轴承挡环及波浪圈；排气盖与环形盖通过其上对应的凸台及凹槽定位，环形盖与涡轮壳体通过其上对应的凹槽及凸台定位，排气盖、环形盖、涡轮壳体固定连接；轴承挡环位于涡轮壳体内孔后端，波浪圈位于涡轮壳体内孔前端。
所述波浪圈对轴系组件中滚动轴承左侧外圈提供轴向预紧力；轴承挡环通过涡轮壳体内孔的台阶，及安装后的机械动密封组件中密封壳体对其进行限位。
所述涡轮壳体内部设有孔和孔，孔与涡轮壳体的内孔引出孔相通，为润滑油进油孔，为涡轮壳体组件中轴承腔提供润滑冷却油供油作用；孔与涡轮壳体内孔相通，为排油孔，提供润滑冷却油的排油作用；涡轮壳体圆周剖面上设有两个收缩扩展型超音速进气喷嘴。
所述涡轮轴系组件通过轴系组件中滚动轴承、安装于壳体组件中，并通过壳体组件中标准件弹性波浪圈，轴承挡圈、密封壳体实现对轴系组件中滚动轴承、的预紧定位；机械动密封组件连接于壳体组件中，机械动密封组件中的静环组件与涡轮轴系组件中的密封动环相互贴合组成动密封摩擦副，机械动密封组件将涡轮工作腔与轴承工作腔进行隔离。
所述被试试验部分包括机械动密封组件、被试轴系组件、壳体组件；被试轴系组件安装在壳体组件的内部，机械动密封组件套在被试轴系组件上，并与壳体组件固定连接。
所述被试轴系组件包括密封动环、滚动轴承、被试转子、试验件紧固螺母、被试件、试验件安装套、平键、轴端螺母；密封动环套在被试转子；试验件安装套套在被试转子上，并通过平键连接；被试件套装于试验件安装套上，试验件紧固螺母与试验件安装套连接，实现对被试件的压紧安装；轴端螺母与被试转子轴的顶端连接；试验件安装套与密封动环、轴端螺母之间分别设有滚动轴承。
所述被试转子通过其上右端外花键与花键联轴器的内花键相连接，实现扭矩与转速的传递。
所述试验件安装套与被试转子通过普通平键传递力矩；密封动环、滚动轴承及试验件安装套与被试转子均属于过渡配合。
所述壳体组件包括壳体后盖、壳体前盖、接管嘴、左轴承挡圈、压缩弹簧、右轴承挡圈；壳体后盖与壳体前盖通过其上凹槽及凸台定位安装；壳体前盖与接管嘴通过其上凹槽及凸台定位安装，并锁紧连接；左轴承挡圈位于壳体前盖的内孔中，接管嘴与左轴承挡圈之间设有压缩弹簧；右轴承挡圈安装于壳体后盖内孔中。
通过压缩弹簧、左轴承挡圈实现对被试轴系组件中滚动轴承的外圈轴向预紧；壳体后盖上的润滑油进油孔，壳体前盖上的润滑油进油孔可以为两滚动轴承及机械动密封摩擦副提供少量短时不循环的润滑冷却油；通过接管嘴连接抽气管路，可以对壳体组件内部的空气进行抽空，以满足试验对真空多低压环境的需求。
所述轴系组件通过滚动轴承安装于壳体组件中，并通过壳体组件中的压缩弹簧，左轴承挡圈对滚动轴承的外圈提供定位预紧作用；机械动密封组件连接于壳体组件上，机械动密封组件中的静环组件与轴系组件中的密封动环相互贴合组成动密封摩擦副；机械动密封组件中密封壳体对壳体组件中右轴承挡圈起限位作用，右轴承挡圈对轴系组件中滚动轴承的外圈起定位压紧作用。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种用于复合材料超高速离心试验装置，升速快，可极大地缩短试验时间(试验时间维持数分钟)；
(2)本发明提供的一种用于复合材料超高速离心试验装置，试验部分可抽低压或近似真空，功耗小。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于复合材料超高速离心试验装置结构示意图；
图2涡轮驱动部分结构示意图；
图3涡轮驱动部分涡轮轴系组件结构示意图；
图4机械动密封组件结构示意图；
图5机械动密封组件结构左视图；
图6静环组件结构示意图；
图7涡轮驱动部分壳体组件结构示意图；
图8涡轮壳体结构示意图；
图9涡轮壳体结构左视图；
图10涡轮壳体结构中超音速喷嘴水平切面图；
图11定位连接部分结构示意图；
图12被试试验部分结构示意图；
图13被试试验部分轴系组件结构示意图；
图14被试试验部分壳体组件结构示意图；
图15被试试验部分润滑油路示意图；
图16涡轮驱动部分润滑油路及高压气路示意图；
图中：
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种用于复合材料超高速离心试验装置作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种用于复合材料超高速离心试验装置，包括涡轮驱动部分1、被试试验部分2及定位连接部分3；涡轮驱动部分1和定位连接部分3通过螺钉44固定连接，定位连接部分3和被试试验部分2通过螺钉45固定连接。
如图2所示，涡轮驱动部分1包括涡轮轴系组件4、机械动密封组件5及壳体组件6；机械动密封组件5通过螺钉46固定安装在壳体组件6的内部，机械动密封组件5套在涡轮轴系组件4的轴上，涡轮轴系组件4通过滚动轴承12、滚动轴承14安装在壳体组件6内部。
如图3所示，涡轮轴系组件4包括整体式涡轮转子9、密封动环10、调整垫片11、滚动轴承12、轴衬套13、滚动轴承14、花键联轴器15、O型密封圈16；密封动环10、调整垫片11、滚动轴承12、轴衬套13、滚动轴承14依次套在整体式涡轮转子9的轴上，密封动环10与整体式涡轮转子9属于间隙配合，并通过整体式涡轮转子9轴上的阶梯限位，密封动环10与轴之间设有O型密封圈16；花键联轴器15与整体式涡轮转子9轴的顶端通过螺纹连接，通过拧紧花键联轴器15实现对密封动环10、调整垫片11、滚动轴承12、轴衬套13、滚动轴承14的预紧；O型密封圈16实现密封动环10与整体式涡轮转子9之间接合面的静密封。
如图4和图5所示，机械动密封组件5包括密封壳体17、6个压缩弹簧18、2个导向螺钉19、静环组件20；6个压缩弹簧18沿周向均匀放置于密封壳体17的弹簧孔中，静环组件20浮置于压缩弹簧18上，静环组件20通过导向螺钉19与密封壳体17固定连接；
如图6所示，静环组件20包括静环座48、石墨环49，静环座48与石墨环49通过环氧树脂粘接连接；密封壳体17与静环座48之间设有O型密封圈21；密封壳体17外壁凹槽内设有O型密封圈22。
压缩弹簧18对静环组件20提供弹力，使静环组件20工作过程中与轴系组件4中密封动环10的端面保持贴合状态，静环组件20由静环座48、石墨环49组成，静环座48与石墨环49通过环氧树脂粘接而成，O型密封圈21、22对各接合面处起静密封作用。
如图7所示，壳体组件6包括涡轮壳体23、环形盖24、排气盖25、轴承挡环26及波浪圈27；排气盖25与环形盖24通过其上对应的凸台及凹槽定位，环形盖24与涡轮壳体23通过其上对应的凹槽及凸台定位，排气盖25、环形盖24、涡轮壳体23通过螺钉28固定连接；轴承挡环26位于涡轮壳体23内孔后端，波浪圈27位于涡轮壳体23内孔前端。
波浪圈27对轴系组件4中滚动轴承14左侧外圈提供轴向预紧力。轴承挡环26通过涡轮壳体23内孔的台阶，及安装后的机械动密封组件5中密封壳体17对其进行限位；
如图8和图9所示，涡轮壳体23内部设有孔50和孔51，孔50与涡轮壳体23的内孔引出孔相通，为润滑油进油孔，为涡轮壳体组件6中轴承腔提供润滑冷却油供油作用；孔51与涡轮壳体23内孔相通，为排油孔，提供润滑冷却油的排油作用；涡轮壳体23圆周剖面上设有两个收缩扩展型超音速进气喷嘴52。
超音速进气喷嘴52的水平切面如图10所示。
高压气体通过涡轮壳体23上超音速喷嘴52，将焓降转化为高速气流动能，高速气流吹动涡轮轴系组件4超高速旋转，并发出机械轴功率，机械轴功率通过轴系组件4中的花键联轴器15对外输出，吹完涡轮后的气流通过环形盖24、排气盖25对外排空。
涡轮轴系组件4通过轴系组件中滚动轴承12、14安装于壳体组件6中，并通过壳体组件6中标准件弹性波浪圈27，轴承挡圈26、密封壳体17实现对轴系组件4中滚动轴承12、14的预紧定位。机械动密封组件5通过螺钉46连接于壳体组件6中，并通过O型密封圈22实现机械动密封组件5与壳体组件6之间接合面的静密封，机械动密封组件5中的静环组件20与涡轮轴系组件4中的密封动环10相互贴合组成动密封摩擦副，机械动密封组件5将涡轮工作腔与轴承工作腔进行隔离。
定位连接部分3如图11所示。
如图12所示，被试试验部分2包括机械动密封组件5、被试轴系组件7、壳体组件8；被试轴系组件7安装在壳体组件8的内部，机械动密封组件5套在被试轴系组件7上，并通过螺钉46与壳体组件8固定连接。
如图13所示，被试轴系组件7包括密封动环10、滚动轴承12、被试转子29、试验件紧固螺母30、被试件31、试验件安装套32、平键33、轴端螺母53；密封动环10套在被试转子29，密封动环10与被试转子29轴之间设有O型密封圈16；试验件安装套32套在被试转子29上，并通过平键33连接；被试件31(通常被试件需要做成标准的圆盘形式)套装于试验件安装套32上，试验件紧固螺母30与试验件安装套32通过螺纹连接，实现对被试件31的压紧安装；轴端螺母53与被试转子29轴的顶端通过螺纹连接；试验件安装套32与密封动环10、轴端螺母53之间分别设有滚动轴承12。
被试转子29通过其上右端外花键与花键联轴器15的内花键相连接，实现扭矩与转速的传递。
试验件安装套32与被试转子29通过普通平键33传递力矩。密封动环10、滚动轴承12及试验件安装套32与被试转子29均属于过渡配合。
壳体组件8包括壳体后盖34、壳体前盖35、接管嘴36、左轴承挡圈37、压缩弹簧38、右轴承挡圈43；壳体后盖34与壳体前盖35通过其上凹槽及凸台定位安装，并通过螺钉41锁紧连接，其接合面处设有O型密封圈40；壳体前盖35与接管嘴36通过其上凹槽及凸台定位安装，并通过螺钉42锁紧连接，其接合面处设有O型密封圈39；左轴承挡圈37位于壳体前盖35的内孔中，接管嘴36与左轴承挡圈37之间设有压缩弹簧38；右轴承挡圈43安装于壳体后盖34内孔中。
通过压缩弹簧38、左轴承挡圈37实现对被试轴系组件7中滚动轴承12的外圈轴向预紧。壳体后盖34上的润滑油进油孔54，壳体前盖35上的润滑油进油孔55可以为两滚动轴承及机械动密封摩擦副提供少量短时不循环的润滑冷却油。通过接管嘴36连接抽气管路，可以对壳体组件8内部的空气进行抽空，以满足试验对真空多低压环境的需求。
轴系组件7通过滚动轴承12安装于壳体组件8中，并通过壳体组件8中的压缩弹簧38，左轴承挡圈37对滚动轴承12的外圈提供定位预紧作用；机械动密封组件5通过螺钉46连接于壳体组件8上，并通过O型密封圈22实现机械动密封组件5与壳体组件8之间接合面的静密封，机械动密封组件5中的静环组件20与轴系组件7中的密封动环10相互贴合组成动密封摩擦副。机械动密封组件5中密封壳体17对壳体组件8中右轴承挡圈43起限位作用，右轴承挡圈43对轴系组件7中滚动轴承12的外圈起定位压紧作用。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (17)

1.一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：包括涡轮驱动部分(1)、被试试验部分(2)及定位连接部分(3)；涡轮驱动部分(1)和定位连接部分(3)固定连接，定位连接部分(3)和被试试验部分(2)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述涡轮驱动部分(1)包括涡轮轴系组件(4)、机械动密封组件(5)及壳体组件(6)；机械动密封组件(5)固定安装在壳体组件(6)的内部，机械动密封组件(5)套在涡轮轴系组件(4)的轴上，涡轮轴系组件(4)通过滚动轴承(12)、滚动轴承(14)安装在壳体组件(6)内部。
3.根据权利要求2所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述涡轮轴系组件(4)包括整体式涡轮转子(9)、密封动环(10)、调整垫片(11)、滚动轴承(12)、轴衬套(13)、滚动轴承(14)、花键联轴器(15)；密封动环(10)、调整垫片(11)、滚动轴承(12)、轴衬套(13)、滚动轴承(14)依次套在整体式涡轮转子(9)的轴上，密封动环(10)与整体式涡轮转子(9)属于间隙配合，并通过整体式涡轮转子(9)轴上的阶梯限位；花键联轴器(15)与整体式涡轮转子(9)轴的顶端连接，通过拧紧花键联轴器(15)实现对密封动环(10)、调整垫片(11)、滚动轴承(12)、轴衬套(13)、滚动轴承(14)的预紧。
4.根据权利要求2所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述机械动密封组件(5)包括密封壳体(17)、6个压缩弹簧(18)、2个导向螺钉(19)、静环组件(20)；6个压缩弹簧(18)沿周向均匀放置于密封壳体(17)的弹簧孔中，静环组件(20)浮置于压缩弹簧(18)上，静环组件(20)与密封壳体(17)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述静环组件(20)包括静环座(48)、石墨环(49)，静环座(48)与石墨环(49)通过环氧树脂粘接连接。
6.根据权利要求4所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述压缩弹簧(18)对静环组件(20)提供弹力，使静环组件(20)工作过程中与轴系组件(4)中密封动环(10)的端面保持贴合状态。
7.根据权利要求2所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述壳体组件(6)包括涡轮壳体(23)、环形盖(24)、排气盖(25)、轴承挡环(26)及波浪圈(27)；排气盖(25)与环形盖(24)通过其上对应的凸台及凹槽定位，环形盖(24)与涡轮壳体(23)通过其上对应的凹槽及凸台定位，排气盖(25)、环形盖(24)、涡轮壳体(23)固定连接；轴承挡环(26)位于涡轮壳体(23)内孔后端，波浪圈(27)位于涡轮壳体(23)内孔前端。
8.根据权利要求7所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述波浪圈(27)对轴系组件(4)中滚动轴承(14)左侧外圈提供轴向预紧力；轴承挡环(26)通过涡轮壳体(23)内孔的台阶，及安装后的机械动密封组件(5)中密封壳体(17)对其进行限位。
9.根据权利要求7所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述涡轮壳体(23)内部设有孔(50)和孔(51)，孔(50)与涡轮壳体(23)的内孔引出孔相通，为润滑油进油孔，为涡轮壳体组件(6)中轴承腔提供润滑冷却油供油作用；孔(51)与涡轮壳体(23)内孔相通，为排油孔，提供润滑冷却油的排油作用；涡轮壳体(23)圆周剖面上设有两个收缩扩展型超音速进气喷嘴(52)。
10.根据权利要求1所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述涡轮轴系组件(4)通过轴系组件中滚动轴承(12)、(14)安装于壳体组件(6)中，并通过壳体组件(6)中标准件弹性波浪圈(27)，轴承挡圈(26)、密封壳体(17)实现对轴系组件(4)中滚动轴承(12)、(14)的预紧定位；机械动密封组件(5)连接于壳体组件(6)中，机械动密封组件(5)中的静环组件(20)与涡轮轴系组件(4)中的密封动环(10)相互贴合组成动密封摩擦副，机械动密封组件(5)将涡轮工作腔与轴承工作腔进行隔离。
11.根据权利要求1所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述被试试验部分(2)包括机械动密封组件(5)、被试轴系组件(7)、壳体组件(8)；被试轴系组件(7)安装在壳体组件(8)的内部，机械动密封组件(5)套在被试轴系组件(7)上，并与壳体组件(8)固定连接。
12.根据权利要求11所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述被试轴系组件(7)包括密封动环(10)、滚动轴承(12)、被试转子(29)、试验件紧固螺母(30)、被试件(31)、试验件安装套(32)、平键(33)、轴端螺母(53)；密封动环(10)套在被试转子(29)；试验件安装套(32)套在被试转子(29)上，并通过平键(33)连接；被试件(31)套装于试验件安装套(32)上，试验件紧固螺母(30)与试验件安装套(32)连接，实现对被试件(31)的压紧安装；轴端螺母(53)与被试转子(29)轴的顶端连接；试验件安装套(32)与密封动环(10)、轴端螺母(53)之间分别设有滚动轴承(12)。
13.根据权利要求12所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述被试转子(29)通过其上右端外花键与花键联轴器(15)的内花键相连接，实现扭矩与转速的传递。
14.根据权利要求12所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述试验件(31)安装套(32)与被试转子(29)通过普通平键(33)传递力矩；密封动环(10)、滚动轴承(12)及试验件安装套(32)与被试转子(29)均属于过渡配合。
15.根据权利要求11所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述壳体组件(8)包括壳体后盖(34)、壳体前盖(35)、接管嘴(36)、左轴承挡圈(37)、压缩弹簧(38)、右轴承挡圈(43)；壳体后盖(34)与壳体前盖(35)通过其上凹槽及凸台定位安装；壳体前盖(35)与接管嘴(36)通过其上凹槽及凸台定位安装，并锁紧连接；左轴承挡圈(37)位于壳体前盖(35)的内孔中，接管嘴(36)与左轴承挡圈(37)之间设有压缩弹簧(38)；右轴承挡圈(43)安装于壳体后盖(34)内孔中。
16.根据权利要求15所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：通过压缩弹簧(38)、左轴承挡圈(37)实现对被试轴系组件(7)中滚动轴承(12)的外圈轴向预紧；壳体后盖(34)上的润滑油进油孔(54)，壳体前盖(35)上的润滑油进油孔(55)可以为两滚动轴承及机械动密封摩擦副提供少量短时不循环的润滑冷却油；通过接管嘴(36)连接抽气管路，可以对壳体组件(8)内部的空气进行抽空，以满足试验对真空多低压环境的需求。
17.根据权利要求11所述的一种用于复合材料超高速离心试验装置，其特征在于：所述轴系组件(7)通过滚动轴承(12)安装于壳体组件(8)中，并通过壳体组件(8)中的压缩弹簧(38)，左轴承挡圈(37)对滚动轴承(12)的外圈提供定位预紧作用；机械动密封组件(5)连接于壳体组件(8)上，机械动密封组件(5)中的静环组件(20)与轴系组件(7)中的密封动环(10)相互贴合组成动密封摩擦副；机械动密封组件(5)中密封壳体(17)对壳体组件(8)中右轴承挡圈(43)起限位作用，右轴承挡圈(43)对轴系组件(7)中滚动轴承(12)的外圈起定位压紧作用。
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