CN108168851B - 一种涡轮增压器轴向载荷测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，包括待测涡轮增压器、压气机端传感器固定架、涡轮端传感器固定架、压气机端力传感器、涡轮端力传感器、涡轮端螺栓、压气机端螺栓、导线以及信号采集与分析系统。通过制备待测涡轮增压器样机、在待测涡轮增压器样机上安装传感器、对待测涡轮增压器样机转子施加预加轴向载荷，并将待测涡轮增压器样机安装在涡轮增压器试验台架上，然后用导线将压气机端力传感器和涡轮端力传感器同信号采集与分析系统连接在一起，进行涡轮增压器样机轴向载荷的测试。本发明可以对涡轮增压器在不同工况下的轴向载荷进行有效测量，能够为涡轮增压器的结构优化设计与可靠性分析提供有效支撑。

Description

一种涡轮增压器轴向载荷测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于涡轮增压器结构可靠性技术领域，具体涉及一种涡轮增压器轴向载荷测试装置。
背景技术
涡轮增压器是军用车辆动力系统实现提升功率密度与增强环境适应性的核心部件之一。可靠性是涡轮增压器有效发挥其功能的基础和保证，涡轮增压器不仅需要满足压比、流量等性能指标要求，而且还必须具有“在规定时间内在规定使用条件下完成规定功能”的能力，即具有一定的可靠性。
车用涡轮增压器在工作过程中，由于车用发动机运行为面工况特征，涡轮增压器转子会承受轴向变化的载荷。轴向载荷的作用不仅会使止推轴承承受交变载荷的作用，导致止推轴承的异常磨损失效，有时引起涡轮增压器涡轮叶轮同涡轮箱之间或压气机叶轮同蜗壳之间的碰摩。涡轮增压器的轴向载荷虽然可以通过仿真计算获得，但是由于在涡轮增压器轴向载荷的仿真计算过程中，一方面需要根据涡轮增压器的结构对仿真计算模型进行简化，另一方面需要根据影响涡轮增压器轴向载荷的因素对模型输入的边界条件进行简化处理，导致采用仿真计算模型得到的涡轮增压器轴向载荷与真实值之间存在较大差异，难以有效地指导涡轮增压器止推轴承的结构设计。因此，采用试验测试的方法，在涡轮增压器的工作过程中通过对轴向载荷的实际测量是获取车用涡轮增压器在不同工况下运行时轴向载荷真实值最为有效的技术途径。
本发明针对车用涡轮增压器轴向载荷的测试需求，提出一种涡轮增压器轴向载荷的测试装置，借助该测试装置可以通过试验测试的方法准确获取涡轮增压器的轴向载荷。
发明内容
本发明为实现径流式涡轮增压器轴向载荷的精确测定，提出一种涡轮增压器轴向载荷测试装置。涡轮增压器轴向载荷测试装置由待测涡轮增压器、压气机端传感器固定架、涡轮端传感器固定架、压气机端力传感器、涡轮端力传感器、涡轮端螺栓、压气机端螺栓、导线以及信号采集与分析系统组成。待测涡轮增压器无需安装轴向止推轴承。压气机端力传感器和涡轮端力传感器分别通过压气机端传感器固定架和涡轮端传感器固定架安装在涡轮增压器轴向的两端，并用螺栓将压气机端传感器固定架和涡轮端传感器固定架分别装配在蜗壳和同涡轮箱上。通过调整压气机端力传感器和涡轮端力传感器的位置，对涡轮增压器转子施加预加轴向载荷，保证压气机端和涡轮端施加的预加轴向载荷大小相等、方向相反，同时要保证涡轮增压器转子施加的预加轴向载荷绝对值要大于涡轮增压器工作过程中的最大轴向载荷绝对值。然后，通过测量与分析涡轮增压器工作过程中压气机端力传感器和涡轮端力传感器的数据获得涡轮增压器工作时的轴向载荷。
本发明的技术方案：
一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，包括待测涡轮增压器样机、压气机端传感器固定架、涡轮端传感器固定架、压气机端力传感器、涡轮端力传感器和信号采集与分析系统，所述待测涡轮增压器样机无需安装止推轴承；所述压气机端传感器固定架固定在待测涡轮增压器样机的蜗壳上，所述压气机端力传感器固定在压气机端传感器固定架上并同待测涡轮增压器样机的转轴相接触；所述涡轮端传感器固定架固定在待测涡轮增压器样机的涡轮箱上，所述涡轮端力传感器固定在涡轮端传感器固定架上并同待测涡轮增压器样机的涡轮叶轮相接触，所述信号采集与分析系统通过导线同压气机端力传感器和涡轮端力传感器相连。
进一步的，所述压气机端传感器固定架的中心处有安装压气机端力传感器的螺纹孔，所述压气机端力传感器通过外侧螺纹固定在压气机端传感器固定架中心的螺纹孔处；所述压气机端力传感器同待测涡轮增压器样机的转轴相接触的接触头为球型结构，所述转轴端面的中心位置有放置压气机端力传感器接触头的凹球面。
进一步的，所述涡轮端传感器固定架的中心处有安装涡轮端力传感器的螺纹孔，所述涡轮端力传感器为耐高温传感器，通过外侧螺纹固定在涡轮端传感器固定架的中心的螺纹孔处；所述涡轮端力传感器同待测涡轮增压器样机的涡轮叶轮的接触头为球型结构，所述涡轮叶轮的轮毂中心位置有放置涡轮端力传感器接触头的凹球面。
进一步的，所述涡轮端传感器固定架上有用于安装导线的孔，所述压气机端传感器固定架上有用于安装导线的孔。
一种涡轮增压器轴向载荷测试方法，包括以下步骤：
a、制备待测轴向载荷的涡轮增压器样机：将待测涡轮增压器样机的止推轴承拆除，在待测涡轮增压器样机的转轴端面加工放置压气机端力传感器接触头的凹球面，在待测涡轮增压器样机的涡轮叶轮轮毂中心位置加工放置涡轮端力传感器接触头的凹球面。
b、在待测涡轮增压器样机上安装传感器：通过压气机端传感器固定架和压气机端螺栓将压气机端力传感器固定在蜗壳上，通过涡轮端传感器固定架和涡轮端螺栓将涡轮端力传感器固定在涡轮箱上。
c、对待测涡轮增压器样机的转子上施加预加轴向载荷：通过调整压气机端力传感器和涡轮端力传感器的位置，对涡轮增压器转子施加预加轴向载荷，保证压气机端和涡轮端施加的预加轴向载荷大小相等、方向相反，同时要保证涡轮增压器转子施加的预加轴向载荷绝对值要大于涡轮增压器工作过程中的最大轴向载荷绝对值。
d、将待测涡轮增压器样机安装在涡轮增压器试验台架上，并用导线将压气机端力传感器和涡轮端力传感器同信号采集与分析系统连接在一起。
e、待测涡轮增压器样机轴向载荷的测量：采用外气源冷吹或燃气热吹的方式，使涡轮增压器转子旋转，根据信号采集与分析系统获取的压气机端力传感器和涡轮端力传感器的测量值，确定出涡轮增压器的轴向载荷。
本发明的有益效果是：涡轮增压器轴向载荷测试装置通过压气机端传感器固定架和涡轮端传感器固定架将压气机端力传感器和涡轮端力传感器分别布置在待测涡轮增压器转子的两端，能够直接测量涡轮增压器的轴向载荷。压气机端力传感器和涡轮端力传感器同转子接触部位采用球面结构，能够有效提高轴向载荷的测试精度。待测涡轮增压器样机无需安装止推轴承，能够提高轴向载荷的测试精度。压气机端力传感器和涡轮端力传感器同固定件之间采用螺纹结构，便于对涡轮增压器转子施加预加轴向载荷。连接压气机端力传感器的导线安装在压气机端传感器固定架和压气机端螺栓的孔中以及连接涡轮端力传感器的导线安装在涡轮端传感器固定架和涡轮端螺栓的孔中，防止导线在涡轮增压器气体的作用下发生损坏，提高测试装置的可靠性。涡轮端力传感器为耐高温传感器，能够提高涡轮增压器采用燃气热吹方式进行测量时的可靠性。运用本发明所提出的涡轮增压器轴向载荷测量装置与测试方法，可以对涡轮增压器在不同工况下运行时的轴向载荷进行有效测量，能够为涡轮增压器的结构优化设计与可靠性分析提供有效的试验支撑。
附图说明
图1是涡轮增压器轴向载荷测试装置结构示意图。
图2是压气机端传感器固定架结构示意图。
图3是涡轮端传感器固定架结构示意图。
图中：
待测涡轮增压器样机1、压气机端传感器固定架2、涡轮端传感器固定架3、压气机端力传感器4、涡轮端力传感器5、压气机端螺栓6、涡轮端螺栓7、导线8、蜗壳9、涡轮箱10、涡轮叶轮11、转轴12。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，涡轮增压器轴向载荷测试装置由待测涡轮增压器样机1、压气机端传感器固定架2、涡轮端传感器固定架3、压气机端力传感器4、涡轮端力传感器5、压气机端螺栓6、涡轮端螺栓7、导线8以及信号采集与分析系统所组成，所述待测涡轮增压器样机1无需安装止推轴承，如图1所示。
如图2所示，所述压气机端传感器固定架2包括圆盘型的中心座和其上径向延伸的三个支撑杆，所述支撑杆的外端部设有螺纹孔，所述蜗壳9上设有与支撑杆上螺纹孔对应的螺纹孔，通过压气机端螺栓6依次旋入蜗壳9和支撑杆上的螺纹孔进行固定。所述压气机端传感器固定架2上有安装压气机端力传感器4的螺纹孔，所述压气机端传感器固定架2上有用于安装导线8的孔，所述压气机端传感器固定架2通过压气机端螺栓6和螺纹孔固定在待测涡轮增压器1的蜗壳9上。
所述待测涡轮增压器样机1的涡轮叶轮11的轮毂中心位置有放置涡轮端力传感器5接触头的凹球面，所述待测涡轮增压器样机1的转轴12端面的中心位置有放置压气机端力传感器4接触头的凹球面。
如图3所示，所述涡轮端传感器固定架3包括圆盘型的中心座和其上径向延伸的三个支撑杆，所述支撑杆的外端部设有螺纹孔，所述涡轮箱10上设有与支撑杆上螺纹孔对应的螺纹孔，通过涡轮端螺栓7依次旋入涡轮箱10和支撑杆上的螺纹孔进行固定。所述涡轮端传感器固定架3采用高温合金材料制作，所述涡轮端传感器固定架3上有安装涡轮端力传感器5的螺纹孔，所述涡轮端传感器固定架3上有用于安装导线8的孔。
所述压气机端力传感器4通过外侧螺纹固定在压气机端传感器固定架2上，所述压气机端力传感器4同待测涡轮增压器样机1的转轴12相接触的部位为球型结构。所述涡轮端力传感器5为耐高温传感器，所述涡轮端力传感器5通过外侧螺纹固定在涡轮端传感器固定架3上，所述涡轮端力传感器5同待测涡轮增压器样机1的涡轮叶轮11的部位为球型结构。所述压气机端螺栓6的中心部位有放置导线8的通孔。所述涡轮端螺栓7的中心部位有放置导线8的通孔。所述信号采集与分析系统通过导线8同压气机端力传感器4和涡轮端力传感器5相连。
一种涡轮增压器轴向载荷测试方法，包括以下步骤：
a、制备待测轴向载荷的涡轮增压器样机：将待测涡轮增压器样机的止推轴承拆除，在待测涡轮增压器样机的转轴端面加工放置压气机端力传感器接触头的凹球面，在待测涡轮增压器样机的涡轮叶轮轮毂中心位置加工放置涡轮端力传感器接触头的凹球面。
b、在待测涡轮增压器样机上安装传感器：通过压气机端传感器固定架和压气机端螺栓将压气机端力传感器固定在蜗壳上，通过涡轮端传感器固定架和涡轮端螺栓将涡轮端力传感器固定在涡轮箱上。
c、对待测涡轮增压器样机的转子上施加预加轴向载荷：通过调整压气机端力传感器和涡轮端力传感器的位置，对涡轮增压器转子施加预加轴向载荷，保证压气机端和涡轮端施加的预加轴向载荷大小相等、方向相反，同时要保证涡轮增压器转子施加的预加轴向载荷绝对值要大于涡轮增压器工作过程中转子的最大轴向载荷绝对值。
例如，某型车用径流式涡轮增压器在工作过程中转子的最大轴向载荷为105N，分别在压气机端和涡轮端，通过调整压气机端力传感器和涡轮端力传感器的位置，对涡轮增压器转子施加的预加轴向载荷大小为125N，方向相反、均指向涡轮增压器的中心。
d、将待测涡轮增压器样机安装在涡轮增压器试验台架上，并用导线将压气机端力传感器和涡轮端力传感器同信号采集与分析系统连接在一起。
e、待测涡轮增压器样机轴向载荷的测量：采用外气源冷吹或燃气热吹的方式，使涡轮增压器转子旋转，根据信号采集与分析系统获取的压气机端力传感器和涡轮端力传感器的测量值，确定出涡轮增压器的轴向载荷。
例如，为提高涡轮增压器轴向载荷测试的有效性与测试装置的可靠性，当涡轮端力传感器和传感器固定架可承受的工作温度高于待测涡轮增压器涡轮出口气体温度时，可以采用燃气热吹方式进行轴向载荷测量试验；当涡轮端力传感器和传感器固定架可承受的工作温度低于涡轮增压器涡轮出口气体温度时，可以采用外气源冷吹方式进行轴向载荷测量试验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，其特征在于：包括待测涡轮增压器样机(1)、压气机端传感器固定架(2)、涡轮端传感器固定架(3)、压气机端力传感器(4)、涡轮端力传感器(5)和信号采集与分析系统，所述待测涡轮增压器样机(1)无需安装止推轴承；
所述压气机端传感器固定架(2)固定在待测涡轮增压器样机(1)的蜗壳(9)上，所述压气机端力传感器(4)固定在压气机端传感器固定架(2)上并同待测涡轮增压器样机(1)的转轴(12)相接触；
所述涡轮端传感器固定架(3)固定在待测涡轮增压器样机(1)的涡轮箱(10)上，所述涡轮端力传感器(5)固定在涡轮端传感器固定架(3)上并同待测涡轮增压器样机(1)的涡轮叶轮(11)相接触，
所述信号采集与分析系统通过导线(8)同压气机端力传感器(4)和涡轮端力传感器(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，其特征在于：所述压气机端传感器固定架(2)包括圆盘型的中心座和其上径向延伸的三个支撑杆，所述支撑杆的外端部均设有螺纹孔，所述蜗壳(9)上设有与支撑杆上螺纹孔对应的螺纹孔，通过螺栓依次旋入蜗壳(9)和支撑杆上的螺纹孔进行固定。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，其特征在于：所述涡轮端传感器固定架(3)包括圆盘型的中心座和其上径向延伸的三个支撑杆，所述支撑杆的外端部均设有螺纹孔，所述涡轮箱(10)上设有与支撑杆上螺纹孔对应的螺纹孔，通过螺栓依次旋入涡轮箱(10)和支撑杆上的螺纹孔进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，其特征在于：所述压气机端传感器固定架(2)的中心处有安装压气机端力传感器(4)的螺纹孔，所述压气机端力传感器(4)通过外侧螺纹固定在压气机端传感器固定架(2)中心的螺纹孔处；所述压气机端力传感器(4)同待测涡轮增压器样机(1)的转轴(12)相接触的接触头为球型结构，所述转轴(12)端面的中心位置有放置压气机端力传感器(4)接触头的凹球面。
5.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，其特征在于：所述涡轮端传感器固定架(3)的中心处有安装涡轮端力传感器(5)的螺纹孔，所述涡轮端力传感器(5)为耐高温传感器，通过外侧螺纹固定在涡轮端传感器固定架(3)的中心的螺纹孔处；所述涡轮端力传感器(5)同待测涡轮增压器样机(1)的涡轮叶轮(11)的接触头为球型结构，所述涡轮叶轮(11)的轮毂中心位置有放置涡轮端力传感器(5)接触头的凹球面。
6.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试装置，其特征在于：所述涡轮端传感器固定架(3)上有用于安装导线(8)的孔，所述压气机端传感器固定架(2)上有用于安装导线(8)的孔。
7.一种涡轮增压器轴向载荷测试方法，包括以下步骤：
a、制备待测轴向载荷的涡轮增压器样机：将待测涡轮增压器样机的止推轴承拆除，在待测涡轮增压器样机的转轴端面加工放置压气机端力传感器接触头的凹球面，在待测涡轮增压器样机的涡轮叶轮轮毂中心位置加工放置涡轮端力传感器接触头的凹球面；
b、在待测涡轮增压器样机上安装传感器：通过压气机端传感器固定架和螺栓将压气机端力传感器固定在蜗壳上，通过涡轮端传感器固定架和螺栓将涡轮端力传感器固定在涡轮箱上；
c、对待测涡轮增压器样机的转子上施加预加轴向载荷；
d、将待测涡轮增压器样机安装在涡轮增压器试验台架上，并用导线将压气机端力传感器和涡轮端力传感器同信号采集与分析系统连接在一起；
e、待测涡轮增压器样机轴向载荷的测量：采用外气源冷吹或燃气热吹的方式，使涡轮增压器转子旋转，根据信号采集与分析系统获取的压气机端力传感器和涡轮端力传感器的测量值，确定出涡轮增压器的轴向载荷。
8.根据权利要求7所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试方法，其特征在于：在步骤c中，通过调整压气机端力传感器和涡轮端力传感器的位置，对涡轮增压器转子施加预加轴向载荷，保证压气机端和涡轮端施加的预加轴向载荷大小相等、方向相反，同时要保证涡轮增压器转子施加的预加轴向载荷绝对值要大于涡轮增压器工作过程中的最大轴向载荷绝对值。
9.根据权利要求7所述的一种涡轮增压器轴向载荷测试方法，其特征在于：在步骤e中，当涡轮端力传感器和传感器固定架可承受的工作温度高于待测涡轮增压器涡轮出口气体温度时，采用燃气热吹方式进行轴向载荷测量试验；当涡轮端力传感器和传感器固定架可承受的工作温度低于涡轮增压器涡轮出口气体温度时，采用外气源冷吹方式进行轴向载荷测量试验。
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