CN108663214B - 一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件及试验方法，属于高速转子相似设计领域。所述支撑组件包括轴承、多个鼠笼和试验台支座，所述轴承用于支撑所述模拟转子转动，所述多个鼠笼的内径相同且与所述轴承外径匹配，所述多个鼠笼的刚度不同，试验时，分别选择不同的所述鼠笼套装在所述轴承外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承，以模拟不同的支撑刚度。本发明提供的支撑组件的支撑刚度可以为转子原件支撑刚度的2倍以上，具备较强的转子系统支撑刚度调节能力。

Description

一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件及试验方法
技术领域
本发明属于高速转子相似设计领域，涉及一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件及相似模拟试验方法。
背景技术
涡轮泵转子系统是液体火箭发动机涡轮泵的主要构件，随着人类对太空不断的探索，航天工业迅速发展，发动机的工作转速不断提高，通常为超过一阶、二阶甚至超三阶临界转速的柔性转子。但与之对应的高速柔性转子的试验能力并未完全满足现有设计要求，主要受限于现有高速试验系统不稳定，试验方法不成熟，试验安全性不可控，高速试验能力的不足，严重制约了高速柔性转子的研究与发展。
通过高速柔性转子的相似设计方法，可以基于现有试验条件完成转子的相似模型的试验研究，并且能通过相似模型的试验结果反推转子高速状态下的动力学特性，是目前对液体火箭发动机高速涡轮泵转子进行试验验证的一种行之有效的方法。然而，虽然有关高速柔性转子的相似理论已经较为完善，但很多理论条件在实际试验中无法满足，例如常规转子相似设计需要满足尺寸、边界条件的等比例相似，对于结构尺寸的一定范围内的等比例放大或缩小并非难题，而对于转子系统通常包括高速转子、轴承和用于支撑所述轴承的试验台支座，轴承用于支撑高速转子转动，试验台支座包括支座本体和设置在支座本体内腔设有液压装置，目前，仅能通过液压装置改变试验台支座支撑刚度，由于液压装置对刚度的调节量仅为支座本体刚度的30-50％左右，无法满足更大的刚度等比例变换需求，且由于液压装置控制精度有限，导致对刚度的调节精度较低，易出现上下浮动。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件及试验方法，本发明提供的支撑组件的支撑刚度可以为转子原件支撑刚度的2倍以上，具备较强的转子系统支撑刚度调节能力。
本发明为解决上述问题采取的技术方案的具体步骤如下：
一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，包括轴承、多个鼠笼和试验台支座，所述轴承用于支撑所述模拟转子转动，所述多个鼠笼的内径相同且与所述轴承外径匹配，所述多个鼠笼的刚度不同，试验时，分别选择不同的所述鼠笼套装在所述轴承外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承，以模拟不同的支撑刚度。
在一可选实施例中，所述鼠笼设有沿所述轴承轴向延伸的多个第一笼条和多个第二笼条，所述第一笼条和第二笼条相间设置且所述多个第一笼条和多个第二笼条沿圆周均匀分布，所述第二笼条对应的圆心角为所述第一笼条对应的圆心角的3-8倍。
在一可选实施例中，各所述鼠笼的第一笼条对应的圆心角一致，且第一笼条数量不同。
在一可选实施例中，包括多个所述试验台支座，每个所述试验台包括配套的支座本体和上盖，各所述支座本体刚度不同。
在一可选实施例中，各所述支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度不同。
在一可选实施例中，所述支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度为10-30cm。
在一可选实施例中，所述试验台支座还包括设置在所述支座本体空腔内的液压装置，各所述液压装置相同。
在一可选实施例中，所述的用于高速转子相似模拟试验的支撑组件还包括环形鼠笼转接件，所述鼠笼通过所述转接件与所述试验台支座固定连接。
在一可选实施例中，所述鼠笼转接件中心位置设有台阶孔，外侧壁上设有环形凸起，所述鼠笼为一端带有外翻边的筒状结构，所述支座本体和上盖上均设有半弧形凹槽，且所述支座本体与所述上盖扣合后二者的所述半弧形凹槽对接形成圆形槽，所述鼠笼位于所述台阶孔处，通过连接件与所述鼠笼转接件固定，所述环形凸起位于所述圆形槽内且与所述支座本体和上盖紧密配合。
一种用于高速转子的相似模拟试验方法，包括以下步骤：
(1)将模拟转子与支撑组件装配，所述支撑组件包括轴承、多个鼠笼和试验台支座，所述轴承用于支撑所述模拟转子转动，所述多个鼠笼的内径相同且与所述轴承外径匹配，所述多个鼠笼的刚度不同，装配时，将所述模拟转子装配在所述轴承内，并根据刚度相似设计要求先选择一个所述鼠笼套装在所述轴承外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承；
(2)对所述模拟转子进行高速动特性测试。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明实施例提供了一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，通过给模拟试验用轴承配置多个刚度不同的鼠笼，根据刚度相似设计要求选择相应刚度的鼠笼与轴承装配，对模拟转子进行相似模拟试验，实现在试验过程中对刚度的相似变化；本发明提供的支撑组件的支撑刚度可以为转子原件支撑刚度的2倍以上，具备较强的转子系统支撑刚度调节能力；同时，由于各鼠笼的刚度稳定，对刚度的调节精度高，可以弱化液压装置的调节误差；
(2)通过将鼠笼设计成具有不同宽度的第一笼条和第二笼条的结构形式，可以通过调节第二笼条圆心角，使鼠笼笼条数量不变的状态下，对鼠笼的刚度进行小范围的调节，同时第二笼条也能够增加鼠笼结构的强度，提高鼠笼的承载能力，而第一笼条宽度较小，在受到振动冲击的过程中，自身会发生弹性变形来吸收减缓振动幅值，从而起到减振效果；
(3)第二笼条宽度如果与第一笼条相差在3倍以内，无法有效的提高鼠笼的支撑刚度与结构强度，而如果第二笼条宽度在第一笼条8倍以上，笼条数量较少，支撑刚度较大，接近刚体支撑，不利于减振；
(4)通过设置多个支座本体，可以根据相似设计要求及转子原件和模拟件的结构尺寸不同，选择不同刚度和结构尺寸的支座本体，利用支座本体和鼠笼的组合刚度(串联或并联)来等比例调节支撑刚度，进一步满足了转子相似设计中尺寸放大或缩小的试验需求，提高了组合支撑刚度的变化范围；
(5)由于试验台沿转子径向方向尺寸一定，且径向范围加厚对支撑刚度影响效果有限，而通过改变支座本体内腔沿转子轴向方向的壁厚，可以在一定范围内有效的调节支座本体的支撑刚度；
(6)对于高速转子试验而言，支座本体既要具有足够的支撑强度，又要具备一定的刚度调节能力，同时又需要具备便于装配和移动的特点，支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度为10-30cm，可以满足支座本体支撑强度和刚度变化的需求，又能避免支座本体过于笨重，方便试验装配和移动；
(7)环形鼠笼转接件具有较高的同心度和配合精度，在鼠笼结构尺寸和支座本体结构尺寸确定的情况下，通过调节鼠笼转接件的径向尺寸，就能使鼠笼和支座本体稳固连接，并具有较高的对中精度和较小的配合间隙；
(8)本发明提供的鼠笼转接件既能保证鼠笼与试验台支座同轴设置，又确保了装配稳固性，且便于鼠笼的拆卸安装。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件剖面结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的鼠笼剖面示意图；
图2b为本发明实施例提供的鼠笼侧视图；
图3为本发明实施例提供的试验台支座结构示意图；
图4为本发明实施例提供的鼠笼转接件主视图和侧视图。
具体实施方式
以下通过实施例可以进一步理解本发明，但不能限制本发明的内容。该领域的技术熟练人员可根据上述本发明内容对本发明作一些非本质的改进和调整。
参见图1，本发明实施例提供了一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，包括轴承1、多个鼠笼2和试验台支座(包括支座本体4和上盖5)，轴承1用于支撑模拟转子9转动，多个鼠笼2的内径相同且与轴承1外径匹配，能够装配在轴承外部，多个鼠笼2的刚度不同，试验时，分别选择不同的鼠笼2套装在轴承1外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承，以模拟不同的支撑刚度。
本发明实施例提供了一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，通过给模拟试验用轴承配置多个刚度不同的鼠笼，根据刚度相似设计要求选择相应刚度的鼠笼与轴承装配，对模拟转子进行相似模拟试验，实现在试验过程中对刚度的相似变化；本发明提供的支撑组件的支撑刚度可以为转子原件支撑刚度的2倍以上，具备较强的转子系统支撑刚度调节能力；同时，由于各鼠笼的刚度稳定，对刚度的调节精度高，可以弱化液压装置的调节误差。
参见图2，在一可选实施例中，所述鼠笼为一端带有外翻边的筒状结构，所述筒状结构的筒壁上开设有多个沿轴向方向延伸的长条状通孔，所述长条状通孔使筒壁上形成沿所述轴承轴向延伸的多个第一笼条7和多个第二笼条8，第一笼条7和第二笼条8相间且多个第一笼条7和多个第二笼条8沿圆周均匀分布，第二笼条8对应的圆心角a为第一笼条7对应的圆心角b的3-8倍，具体地，本发明实施例中，笼条对应的圆心角为笼条两侧边与鼠笼中心轴垂直连线的夹角。
通过将鼠笼设计成具有不同宽度的第一笼条和第二笼条的结构形式，可以通过调节第二笼条圆心角，使鼠笼笼条数量不变的状态下，对鼠笼的刚度进行小范围的调节，同时第二笼条也能够增加鼠笼结构的强度，提高鼠笼的承载能力，而第一笼条可以起到减振作用能够有效缓解振动对轴承、试验件和试验支座的冲击，提高试验的安全性。第二笼条宽度如果与第一笼条相差在3倍以内，则与常规鼠笼结构的刚度相近，无法有效的提高鼠笼的支撑刚度与结构强度，而如果第二笼条宽度在第一笼条8被以上，笼条数量较少，支撑刚度较大，接近刚体支撑，不利于减振。。
在一可选实施例中，各鼠笼2的主体结构一致，不同的是各鼠笼2的第一笼条7对应的圆心角一致，且各鼠笼2的第一笼条数量不同。
鼠笼第一笼条数量不同的优点在于，通过增加或减少第一笼条的数量，可以获得一系列刚度递减或递增的鼠笼，极端状态下可以获得偏柔性或偏刚性的鼠笼结构，刚度变化范围可达2-3倍，便于根据相似设计要求选择刚度适合的鼠笼；
在一可选实施例中，包括多个所述试验台支座，参见图3，每个所述试验台包括配套的支座本体4和上盖5，各所述支座本体刚度不同。
通过设置多个支座本体，可以根据相似设计要求及转子原件和模拟件的结构尺寸不同，选择不同刚度和结构尺寸的支座本体，利用支座本体和鼠笼的组合刚度(串联或并联)来等比例调节支撑刚度，进一步满足了转子相似设计中尺寸放大或缩小的试验需求，提高了组合支撑刚度的变化范围；
在一可选实施例中，各所述支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度不同。
由于试验台沿转子径向方向尺寸一定，且径向范围加厚对支撑刚度影响效果有限，而通过改变支座本体内腔沿转子轴向方向的壁厚，可以在一定范围内有效的调节支座本体的支撑刚度；
在一可选实施例中，所述支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度为10-30cm。
对于高速转子试验而言，支座本体既要具有足够的支撑强度，又要具备一定的刚度调节能力，同时又需要具备便于装配和移动的特点，支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度为10-30cm，可以满足支座本体支撑强度和刚度变化的需求，又能避免支座本体过于笨重，方便试验装配和移动；
在一可选实施例中，所述试验台支座还包括设置在所述支座本体空腔内的液压装置6，各所述液压装置相同。
参见图4，在一可选实施例中，所述用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，还包括环形鼠笼转接件3，鼠笼2通过转接件3与所述试验台支座固定连接。
环形鼠笼转接件具有较高的同心度和配合精度，在鼠笼结构尺寸和支座本体结构尺寸确定的情况下，通过调节鼠笼转接件的径向尺寸，就能使鼠笼和支座本体稳固连接，并具有较高的对中精度和较小的配合间隙。
在一可选实施例中，鼠笼转接件3中心位置设有台阶孔，外侧壁上设有环形凸起，鼠笼2为一端带有外翻边的筒状结构，支座本体4和上盖5上均设有半弧形凹槽，且支座本体4与上盖5扣合后二者的所述半弧形凹槽对接形成圆形槽，鼠笼2位于所述台阶孔处，通过连接件固定在所述鼠笼转接件的台阶面处，所述环形凸起位于所述圆形槽内且与支座本体4和上盖5紧密配合。
该鼠笼转接件既能保证鼠笼与试验台支座同轴设置，又确保了装配稳固性，且便于鼠笼的拆卸安装。本发明实施例还提供了一种用于高速转子的相似模拟试验方法，包括以下步骤：
(1)将模拟转子与支撑组件装配，包括轴承、多个鼠笼和试验台支座，所述轴承用于支撑所述模拟转子转动，所述多个鼠笼的内径相同且与所述轴承外径匹配，所述多个鼠笼的刚度不同，装配时，将所述模拟转子装配在所述轴承内，并根据刚度相似设计要求先选择一个所述鼠笼套装在所述轴承外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承；
(2)对所述模拟转子进行高速动特性测试；
(3)根据所述刚度相似设计要求，选择另一个所述鼠笼套装在所述轴承外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承，再次对所述模拟转子进行高速动特性测试。
本发明实施例提供了一种用于高速转子的相似模拟试验方法，通过给模拟试验用轴承配置多个刚度不同的鼠笼，根据刚度相似设计要求选择相应刚度的鼠笼与轴承装配，对模拟转子进行相似模拟试验，实现在试验过程中对刚度的相似变化；本发明提供的支撑组件的支撑刚度可以为转子原件支撑刚度的2倍以上，具备较强的转子系统支撑刚度调节能力；同时，由于各鼠笼的刚度稳定，对刚度的调节精度高，可以弱化液压装置的调节误差。
本发明方法实施例所用支撑组件由上述装置实施例提供，具体描述参见装置实施例，在此不再赘述。
以下为本发明的一个具体实施例：
一种液体火箭发动机高速涡轮泵转子轴颈尺寸为40mm，长度为300mm的转子，工作转速为80000rpm，支撑组件组合支撑刚度为3x107N/m。
由于现有转子试验能力无法达到80000rpm转速，无法对转子结构真实运转情况的动力学特性进行试验验证。故采用相似设计方法，通过建立相似模型，降低转子工作转子。
如果需要将试验转速降为40000rpm，根据相似比例关系，转子轴颈和长度均需增大一倍，而支撑刚度也要提高一倍，即达到6x107N/m。由于组合支撑的整体串联刚度小于每个单件刚度，因此选用刚度较高的鼠笼和支座进行组合，并采用两对轴承并联的方法提高轴承的支撑刚度和承载能力，单个轴承支撑刚度为7x107N/m，4个轴承并联刚度为2.8x108N/m，选择刚度较大的具有7根第一笼条的鼠笼，鼠笼刚度为1x108N/m，选择厚度为30cm的支座刚度为4x108N/m，其组合刚度约为6.2x107N/m，通过鼠笼刚度及支座液压装置对刚度进行微调，最终可以满足组合支撑刚度为6x107N/m的要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，其特征在于，包括轴承、多个鼠笼和试验台支座，所述轴承用于支撑模拟转子转动，所述多个鼠笼的内径相同且与所述轴承外径匹配，所述多个鼠笼的刚度不同，试验时，分别选择不同的所述鼠笼套装在所述轴承外部，通过所述试验台支座固定选择的所述鼠笼和轴承，以模拟不同的支撑刚度；
所述鼠笼设有沿所述轴承轴向延伸的多个第一笼条和多个第二笼条，所述第一笼条和第二笼条相间设置且所述多个第一笼条和多个第二笼条沿圆周均匀分布，所述第二笼条对应的圆心角为所述第一笼条对应的圆心角的3-8倍；
各所述鼠笼的第一笼条对应的圆心角一致，且第一笼条数量不同；
包括多个试验台支座，每个试验台支座包括配套的支座本体和上盖，各所述支座本体刚度不同；
各所述支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度不同。
2.根据权利要求1所述的用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，其特征在于，所述支座本体沿所述轴承轴向方向的厚度为10-30cm。
3.根据权利要求1所述的用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，其特征在于，所述试验台支座还包括设置在支座本体空腔内的液压装置，各所述液压装置相同。
4.根据权利要求1所述的用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，其特征在于，还包括环形鼠笼转接件，所述鼠笼通过所述转接件与所述试验台支座固定连接。
5.根据权利要求4所述的用于高速转子相似模拟试验的支撑组件，其特征在于，所述鼠笼转接件中心位置设有台阶孔，外侧壁上设有环形凸起，所述鼠笼为一端带有外翻边的筒状结构，所述支座本体和上盖上均设有半弧形凹槽，且所述支座本体与所述上盖扣合后二者的所述半弧形凹槽对接形成圆形槽，所述鼠笼位于所述台阶孔处，通过连接件与所述鼠笼转接件固定，所述环形凸起位于所述圆形槽内且与所述支座本体和上盖紧密配合。
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