CN108918064A - 一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置及测试方法，属于轴流叶片振动特性测试技术领域。该装置包括包括支撑系统、伺服顶杆机构、叶片榫槽夹具、非接触式激振装置和非接触式测振装置。台面下方的伺服顶杆装置施加推力模拟叶片旋转时榫连结构承受的离心力。该发明具有统一的叶片榫槽夹具底座，在所述叶片榫槽夹具底座上方方便快捷地安装不同形式的榫槽夹具。非接触式激振装置的激振器为电磁激振方式，其夹具为磁吸底座支撑的双杆支架，能够改变激振的位置和方向。非接触式测振传感器为激光测振仪。激振与测振采用非接触方式，有效避免了附加质量对叶片固有特性测试造成的偏差。该装置适用于各种形式的榫头—榫槽叶片的振动特性测试。

Description

一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置及测试方法

技术领域

本发明属于轴流叶片固有特性测试技术领域，具体是一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置及测试方法。

背景技术

对于旋转叶轮机械的榫连叶片在不同工况下有不同的转速，榫连结构接触面承受着不同的离心力，叶片头部的约束形式发生变化，从而改变叶片的固有特性。当叶片在包括离心力、碰摩力、气动力、热载荷及其它偶然载荷等复杂载荷的作用下产生振动响应，由此带来的振动疲劳、振动失效问题严重影响着航空发动机、涡轮机、透平机械等旋转叶轮机械的安全及可靠性。

现有的测试榫连叶片固有特性的实验装置用平口钳将叶片榫头完全夹紧，这种方法没有考虑离心力对榫连叶片根部约束的改变；还有学者采用在叶片榫槽底部加装螺栓来顶紧叶片的榫头来模拟离心力，但是对于螺栓顶紧力的大小凭借扳手人工控制，很难做到对不同工况下叶片离心力的精确模拟，而且无法确定在激振时是否会引起螺纹连接的松脱。

目前常用的激振方式为力锤激振，对叶片进行单次脉冲激励，但是如果希望对叶片产生有效的脉冲激励需要实验者有经验或者进行多次激振。激振方式还可采用电磁激振台，但是激振台成本高、占用空间大。常用的传统的测振方式如在叶片上粘贴电阻应变片或加速度传感器等接触式均会给叶片带来附加质量，改变叶片的固有特性。

为了有效地对现有榫连叶片进行固有特性测试、对榫连结构叶片进行振动抑制、优化设计叶片榫连结构接触形式及叶片形状，需要设计并开发可有效模拟叶片榫连结构承受叶片离心力、能够实现便捷更换榫槽夹具、利用新型非接触式激振装置激振的实验装置和系统，并对测振传感器测试技术及方法做出进一步改进，进而掌握榫连叶片在不同工况下、不同激励环境下的固有特性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种可以有效模拟叶片旋转时榫连结构承受的离心力和叶片工作时所受载荷激励并且适用于多种榫头—榫槽形式的榫连叶片固有特性非接触式测试的实验装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，包括支撑系统、伺服顶杆机构、叶片榫槽夹具、非接触式激振装置和非接触式测振装置；所述支撑系统包括支撑结构、隔振装置和台面，台面通过隔振装置设置在支撑结构上方；所述叶片榫槽夹具底座设置在台面上，所述叶片榫槽夹具通过导轨定位并通过螺栓固定连接于叶片榫槽夹具底座上方，且叶片榫槽夹具的通孔、叶片榫槽夹具底座通孔与台面通孔同心设置；所述伺服顶杆机构固定设置在台面下方，顶杆依次穿过台面通孔、叶片榫槽夹具底座通孔、叶片榫槽夹具的通孔与待测叶片接触，伺服顶杆机构通过伺服电机实现压力控制，用于模拟叶片旋转时榫连结构承受的离心力；非接触式激振装置设于待测叶片一侧，用于产生振动；非接触式测振装置位于待测叶片另一侧，用于接收振动响应信号。

进一步地，上述非接触式激振装置的激振器为电磁激振，所述非接触式测振装置的非接触式测振传感器为激光测振仪。

进一步地，上述叶片榫槽夹具有统一形式的叶片榫槽夹具底座，不同形式的榫槽夹具更换使用，皆通过导轨定位并通过螺栓与叶片榫槽夹具底座连接固定。

进一步地，上述非接触式激振装置包括磁吸底座、可调支架、激振器、信号发生器和功率放大器，所述可调支架通过磁吸底座固定设置在台面上，所述激振器固定设置在可调支架上。

所述激光测振系统包括激光测振仪、数据采集卡，所述激光测振仪设置在激光测振仪支座上，所述激光测振仪支座设置在台面上。

为了便捷安装在所述台面的上表面设置有T型槽，所述叶片榫槽夹具底座、激光测振仪支座均固定设置在台面的T型槽内。

进一步地，上述实验装置对叶片固有频率的测试方法，包括如下步骤：稳步加大激振频率，观察叶片在激振下响应的时域正弦曲线幅值的变化；当响应信号的幅值突然增大时，说明已经靠近了共振频率点，这时要减小激振频率增大的步长，缓慢加大激振频率；当响应信号的幅值开始减小时，再缓慢减小激振频率，观察响应时域正弦曲线幅值的变化；往复增大和减小激振频率，直到搜索到使响应幅值最大时的激振频率；此时的激振频率值即为叶片的某阶固有频率；之后再继续增大激振频率，用同样的方法继续搜索下一阶固有频率。

进一步地，上述实验装置对叶片振型的测试方法，包括如下步骤：先在叶片上划分出m×n的网格，网格交叉处即为采样点；用所关心的频率定频激励叶片，同时逐个采集各采样点处的振动信号，传回计算机中；测试系统对采集到的信号进行处理后提取出信号中的响应幅值，将叶片上各个采样点处的振动幅值组成振型向量，绘制振型图；最后保存振型向量数据于计算机中，便于之后重新查看测试结果。

进一步地，上述叶片振型的测试方法，对采集到的信号进行处理包括对信号进行滤波，由于电流及外界的干扰，直接采集到的叶片响应信号中频率成分非常复杂，直接提取相应幅值会对测试结果造成较大的误差，因此需要对信号进行滤波处理。选择贝塞尔滤波器，滤波方式采用带通滤波，并去除掉滤波后失真部分的时域信号，只取稳定部分信号提取响应幅值。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用伺服顶杆装置施加的推力模拟叶片在旋转时榫连结构所承受的离心力，能够根据实际工况通过计算机实现对推力的大小实现连续精确控制。

(2)本发明采用统一形式的叶片榫槽夹具底座，可以通过更换不同尺寸和形状的叶片榫槽夹具实现对各种形式榫连叶片进行装夹。

(3)本发明采用非接触式激振和测振装置，避免了接触式测量时增加附加质量而引起的偏差。

(4)本发明采用可调的激振器夹具，能够实现不同位置和角度的电磁激振。

(5)本发明采用磁吸底座，能够方便快捷地变换激振器的方位，提高实验效率。

(6)本发明在台面上表面设置有T型槽，可以实现叶片榫槽夹具底座、激光测振仪支座的快捷安装。

(7)本发明在支撑结构和台面之间设置隔振装置，能够最大限度隔绝环境振动，得到准确的试验结果。

附图说明

图1为本发明的一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验台的结构示意图；

图2为伺服顶杆机构对榫连结构施加推力的结构示意图；

图3为燕尾型榫槽夹具与叶片榫槽夹具底座的装配结构示意图；

图4为枞树型榫槽夹具与叶片榫槽夹具底座的装配结构示意图；

图中：1支撑结构；2台面；3磁吸底座；4可调支架；5非接触式电磁激振器；6叶片榫槽夹具；7叶片榫槽夹具底座；8激光测振仪；9激光测振仪支座；10伺服顶杆机构；11隔振装置；12计算机(测试分析软件)；13信号功率放大器；14数据采集卡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1～2所示一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，包括支撑系统，伺服顶杆机构10，叶片榫槽夹具底座7，非接触式激振装置，激光测振系统。

所述支撑系统包括支撑结构1、隔振装置11和台面2，所述隔振装置11设置在支撑结构1上方，所述台面2设置在隔振装置11的上方。

所述伺服顶杆机构10固定设置在台面2下方，顶杆穿过台面2中心的通孔和叶片榫槽夹具底座7的通孔，伺服顶杆机构10的压力控制通过伺服电机实现。

所述叶片榫槽夹具底座7设置在台面2上，叶片榫槽夹具底座7的通孔与台面2的通孔同心设置，叶片榫槽夹具底座7上设置有叶片榫槽夹具6，所述叶片榫槽夹具6通过导轨定位并通过螺栓与叶片榫槽夹具底座7固定连接。

所述非接触式激振装置包括磁吸底座3、可调支架4、激振器5、信号发生器和功率放大器，所述磁吸底座3固定设置在台面2上，所述可调支架4固定设置在磁吸底座3上，所述激振器5固定设置在可调支架4上，所述信号发生器采用双通道函数/任意波形发生器。

所述激光测振系统的激光测振仪8采用PDV100型激光测振传感器；所述激光测振仪8设置在激光测振仪支座9上，所述激光测振仪支座9设置在台面2上。

为了便捷安装在所述台面2的上表面设置有T型槽，所述叶片榫槽夹具底座7、激光测振仪支座9均固定设置在台面的T型槽内。

所述一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，叶片固有频率具体的测试方式为稳步加大激振频率，观察叶片在激振下响应的时域正弦曲线幅值的变化。当响应信号的幅值突然增大时，说明已经靠近了共振频率点，这时要减小激振频率增大的步长，缓慢加大激振频率。当响应信号的幅值开始减小时，再缓慢减小激振频率，观察响应时域正弦曲线幅值的变化。往复增大和减小激振频率，直到搜索到使响应幅值最大时的激振频率。此时的激振频率值即为叶片的某阶固有频率。之后再继续增大激振频率，用同样的方法继续搜索下一阶固有频率。

所述一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，叶片振型测试方法为先在叶片上划分出m×n的网格，网格交叉处即为采样点。用所关心的频率定频激励叶片，同时逐个采集各采样点处的振动信号，传回计算机12中。测试系统对采集到的信号进行处理后提取出信号中的响应幅值，将叶片上各个采样点处的振动幅值组成振型向量，绘制振型图。最后保存振型向量数据于计算机12中，便于之后重新查看测试结果。由于电流及外界的干扰，直接采集到的叶片响应信号中频率成分非常复杂，直接提取相应幅值会对测试结果造成较大的误差，因此需要对信号进行滤波处理。选择贝塞尔滤波器对信号进行滤波，滤波方式采用带通滤波，并去除掉滤波后失真部分的时域信号，只取稳定部分信号提取响应幅值。

Claims (8)

1.一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，其特征在于，包括支撑系统、伺服顶杆机构、叶片榫槽夹具、非接触式激振装置和非接触式测振装置；所述支撑系统包括支撑结构、隔振装置和台面，台面通过隔振装置设置在支撑结构上方；所述叶片榫槽夹具底座设置在台面上，所述叶片榫槽夹具通过导轨定位并通过螺栓固定连接于叶片榫槽夹具底座上方，且叶片榫槽夹具的通孔、叶片榫槽夹具底座通孔与台面通孔同心设置；所述伺服顶杆机构固定设置在台面下方，顶杆依次穿过台面通孔、叶片榫槽夹具底座通孔、叶片榫槽夹具的通孔与待测叶片接触，伺服顶杆机构通过伺服电机实现压力控制，用于模拟叶片旋转时榫连结构承受的离心力；非接触式激振装置设于待测叶片一侧，用于产生振动；非接触式测振装置位于待测叶片另一侧，用于接收振动响应信号。

2.根据权利要求1所述的榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，其特征在于，所述非接触式激振装置的激振器为电磁激振，所述非接触式测振装置的非接触式测振传感器为激光测振仪。

3.根据权利要求1或2所述的榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，其特征在于，所述叶片榫槽夹具有统一形式的叶片榫槽夹具底座，不同形式的榫槽夹具更换使用，皆通过导轨定位并通过螺栓与叶片榫槽夹具底座连接固定。

4.根据权利要求1或2所述的一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，其特征在于，所述非接触式激振装置包括磁吸底座、可调支架、激振器、信号发生器和功率放大器，所述可调支架通过磁吸底座固定设置在台面上，所述激振器固定设置在可调支架上。

5.根据权利要求3所述的一种榫连叶片固有特性非接触式测试实验装置，其特征在于，所述非接触式激振装置包括磁吸底座、可调支架、激振器、信号发生器和功率放大器，所述可调支架通过磁吸底座固定设置在台面上，所述激振器固定设置在可调支架上。

6.权利要求1-5任一所述实验装置的测试方法，其特征在于，叶片固有频率的测试方法，包括如下步骤：稳步加大激振频率，观察叶片在激振下响应的时域正弦曲线幅值的变化；当响应信号的幅值突然增大时，说明已经靠近了共振频率点，这时要减小激振频率增大的步长，缓慢加大激振频率；当响应信号的幅值开始减小时，再缓慢减小激振频率，观察响应时域正弦曲线幅值的变化；往复增大和减小激振频率，直到搜索到使响应幅值最大时的激振频率；此时的激振频率值即为叶片的某阶固有频率；之后再继续增大激振频率，用同样的方法继续搜索下一阶固有频率。

7.权利要求1-5任一所述实验装置的测试方法，其特征在于，叶片振型的测试方法，包括如下步骤：先在叶片上划分出m×n的网格，网格交叉处即为采样点；用所关心的频率定频激励叶片，同时逐个采集各采样点处的振动信号，传回计算机中；测试系统对采集到的信号进行处理后提取出信号中的响应幅值，将叶片上各个采样点处的振动幅值组成振型向量，绘制振型图；最后保存振型向量数据于计算机中，便于之后重新查看测试结果。

8.权利要求7所述叶片振型的测试方法，其特征在于，对采集到的信号进行处理包括对信号进行滤波，滤波方式采用带通滤波，并去除掉滤波后失真部分的时域信号，只取稳定部分信号提取响应幅值。