CN108918065B - 一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机实验模拟装置及结构件测试实验技术领域，公开了一种鼓筒‑轮盘螺栓连接结构的实验装置及测试方法。装置包括永磁交流同步电机、弹性联轴器、主轴、轴承座A、配重盘、轴承座B、轮盘‑鼓筒装配件、带45度反光斜面的可拆卸式轴头、非接触式电磁激振装置、激光测振仪和工作台；该装置适用于螺栓连接的旋转态鼓筒，特别是飞机发动机，燃气轮机等旋转机械中轮盘‑鼓筒的振动特性研究。该装置通过带45度反光斜面的可拆卸式轴头满足对高速旋转鼓筒的非接触式模态特性研究，更换不同规格的轴头，用于非接触式测试鼓筒不同轴向及周向位置；非接触式激振及拾振的方式避免了传统接触式测试引起的附加质量问题，具有更高的测试精度。

Description

一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置及测试方法

技术领域

本发明属于航空发动机模拟装置及结构件测试实验技术领域，涉及一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法。

技术背景

鼓筒及轮盘等旋转件因其具有质量轻，旋转方式简单，具有一定的承载能力而得到广泛的应用。航空发动机转子系统的结构包括：转子结构、转子支承方案与转子支承结构等三部分。转子是发动机的重要部件，其结构设计很大程度上影响发动机的重量、可靠性和振动特性等。转子结构可以分为三种基本结构形式：鼓式，盘式和混合式。其中鼓式转子的基本构件是圆柱形或圆锥型鼓筒，借安装边和螺栓等与前后轴颈连成一体。如图3所示模拟某种型号发动机低气压压气转子简化结构图，其轮盘-鼓筒结构有盘式鼓筒、主轴、轮盘、连接螺栓、胀紧套等构成。由于轮盘-鼓筒转子的高速旋转，工作环境复杂等产生的振动，特别是由于局部共振所引起的疲劳破坏问题等，以及鼓筒的薄壁圆柱壳结构特征和与轮盘对接面的螺栓连接所引起的非线性，使得鼓式转子的动力学特性和应力分布形式繁琐复杂，与其他转子系统明显不同，为了获得鼓式转子系统的动静态特性，在进行理论研究的同时，也需要展开相关的实验对其进行测试实验的研究，一方面可以用来验证理论分析的正确性，另一方面也可以通过实验研究更为直观的探讨鼓式转子系统的动力学特性。

对于转子系统的振动特性测试，传统的传感器测振方法需要将加速度传感器附着在被测试物体上，但是这种测试方法对于轻薄结构的测量存在质量和刚度上的附加影响问题，对测量结果的准确性产生影响，并且需要特殊的信号传输装置，如带电滑环等；再者就是传统的接触式测量方法抗干扰能力弱，测量结果不太理想。有些非接触式的测量被测物体振动特性的传感器，如涡流位移传感器，测量时虽然不需要接触被测物体，但是需要离被测物体很近，也很难满足一些特殊环境中测量转子系统振动特性的要求。

非接触试测量方法中采用的激光多普勒测振技术，此项技术是从激光测速技术发展而来，激光多普勒振动测速技术是将激光束聚焦照射到运动的被测物体上，通过运动被测物体上的测量点反射光将发生多普勒频移，与原来的参考激光束产生差拍干涉，通过测量差拍频率来获得运动被测物体测量点的速度，该项技术很快在激光测振方面得到了发展。激光测振技术和电学法的传统测振方法相比，激光测振测量法存在诸多优点:1不受电磁场干扰，2测量范围广，3测量精度高，4不受外界环境的干扰，5非接触式方式适用性广，6响应速度快，7动态测量范围广。

在非接触式测试方法中采用非接触式电磁激振器，非接触式电磁激振器在对旋转态鼓筒的激励过程中，不接触鼓筒，对旋转态鼓筒不产生附加质量，激振频率大小可调，亦可对其进行扫频，使其振动特性测试结果更为准确。

发明内容

对于传统接触式振动测量方法的测量方向单一及存在附加质量问题，本发明提出了一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置及测试方法。

具体技术方案为：

一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，包括永磁交流同步电机、弹性联轴器、主轴、轴承座A、配重盘、轴承座B、轮盘-鼓筒装配件、带45度反光斜面的可拆卸式轴头、非接触式电磁激振装置、激光测振仪和工作台；

所述轴承座A、轴承座B通过轴承座底座固定在工作台上，轴承座A与轴承座B之间设有配重盘；轴承座A相对于配重盘的另一侧设有永磁交流同步电机，该电机通过电机座安装在工作台上，通过弹性联轴器与主轴一端连接；轴承座B相对于配重盘的另一侧伸出的主轴上通过胀紧套固定轮盘-鼓筒装配件；鼓筒外侧设置非接触式电磁激振装置；轮盘-鼓筒装配件侧的主轴端部设有带45度反光斜面的可拆卸式轴头；正对带45度反光斜面的可拆卸式轴头端与主轴同轴方向设置激光测振仪，激光测振仪通过激光测振仪支架安装在工作台上，用于实现激光测振仪发射出的激光通过45度反光斜面反射到被测旋转鼓筒内壁，进行旋转鼓筒振动信号的采集。所述激光测振仪采用激光测振技术，所述激光测振技术和电学法的传统测振方法相比，激光测振测量法存在诸多优点:不受电磁场干扰、测量范围广、测量精度高、不受外界环境的干扰、非接触式方式适用性广、适用于远距离测量、不受空间和时间限制、不扰动测量物体等，对于测量旋转体的固有特性是个很好的选择。

进一步地，上述轮盘-鼓筒配件由鼓筒和轮盘构成，轮盘通过胀紧套固定在主轴上，鼓筒通过外法兰和沿圆周方向均布的螺栓连接固定在轮盘上。

进一步地，上述带45度反光斜面的可拆卸式轴头为通过带45度镀铬斜面的反光镜通过反光镜底座连接到主轴端部。

进一步地，上述反光镜底座与主轴端部通过螺钉或者螺纹连接；所述带45度镀铬斜面的反光镜与反光镜底座螺纹连接，再通过锁紧螺母锁紧。

进一步地，上述非接触式电磁激振装置包括非接触式电磁激振器、数据采集卡、信号放大器；所述非接触式电磁激振装置通过磁力吸盘支架吸附在工作台的底座上。

进一步地，上述工作台由实验台底座支架、隔振垫片、底座构成。

进一步地，上述鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置的测试方法，对轮盘-鼓筒螺栓连接结构的静态振动测试，包括如下步骤：

步骤1，首先在主轴上安装轮盘-鼓筒装配件，然后校准激光测振仪，使激光通过反光斜面垂直打到鼓筒内表面，最后将激光测振仪与计算机模态分析系统相连接；

步骤2，鼓筒的静态振动测试，利用激振力锤依次敲打鼓筒结构件的不同位置点，对鼓筒产生瞬态激励，被鼓筒反射的带有振动信息的激光被激光测振仪接收，采集到的数据经数据采集卡传送给计算机，通过计算机对数据进行分析，最终得到鼓筒的静态固有频率。

进一步地，上述鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置的测试方法，对轮盘-鼓筒螺栓连接结构的旋转态振动测试，包括如下步骤：

步骤1，首先在主轴上安装轮盘-鼓筒装配件，然后在主轴一端安装带45度反光斜面的可拆卸式轴头，使轴头装在鼓筒内部，打开激光测振仪电源，调整激光测振仪的位置，使其发射的激光正好打在带45度镀铬镜面的可拆卸式轴头的轴心处，最后将激光测振仪与计算机相连接；

步骤2，鼓筒的旋转态振动测试，首先校准激光测振仪，使激光点始终保持在鼓筒内表面的一个定点；接着启动永磁交流同步电机，调整电机达到目标转速，保持电机处于稳定运行状态；然后使非接触式电磁激振装置放置在旋转鼓筒的外侧适当距离处，启动非接触式电磁激振器，施加正弦扫频激励，使鼓筒处于不同振动状态，激发鼓筒的各阶固有频率达到共振状态；在鼓筒旋转过程中，激光测振仪发射的光源不断的采集信号并通过45度镀铬镜面反射回激光测振仪的接收端口，激光测振仪接收到的信号通过外端输出口传送给计算机，经过计算机对数据的分析和处理，最终得到旋转鼓筒的各阶动态固有频率。

上述对轮盘-鼓筒螺栓连接结构中螺栓个数、螺栓预紧力大小、螺栓连接刚度参数发生变化和螺栓松动时鼓筒模态进行测试，用于分析螺栓连接结构对鼓筒模态的影响。

本发明的有益效果:

(1)本发明所设计的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法能够真实反映盘-鼓装配结构动力学特性，在高速旋转情况下能够迅速，准确的实现对鼓筒的非接触式动态特性测试。

(2)本发明所设计的两种可拆卸式反光镜轴头结构简单，装拆方便，并且其可拆卸式带镜子轴头能够跟随转子系统同转速运动，适用于对鼓筒不同轴向及周向位置的非接触式测试。

本发明所设计的轮盘-鼓筒配件由鼓筒和轮盘构成，轮盘通过胀紧套固定在主轴上，鼓筒通过外法兰和沿圆周方向均布的螺栓连接在轮盘上。

(3)本发明采用非接触式激振装置对高速旋转轮盘-鼓筒进行扫频激励，避免了接触式激振装置因增加附加质量对其测试结果产生的误差。

(4)本发明采用的非接触式激光测振装置对高速旋转轮盘-鼓筒进行动态特性测试，具有远程测量，不接触被测物体，不受外界磁场干扰，测量数据准确等优点。

(5)本发明在工作台底座上表面设置有T型槽和螺栓孔，可以实现对各部件底座的快速安装和调整。

(6)本发明在支撑结构和工作台底座之间设置隔振装置，能够最大限度隔绝环境振动对被测物体的影响，使得测试结果更加准确。

附图说明

图1是本发明的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法示意图；

图2是图1中的一种可拆卸反光镜轴头的局部方大图；

图3是某航空发动机鼓式转子系统的简化结构二维剖视图；

图4是可拆卸式反光镜轴头的盘式结构二维视图；

图5是可拆卸式反光镜轴头的锁紧螺母式结构二维视图；

图中：1永磁交流同步电机；2弹性联轴器；3轴承座A；4配重盘；5轴承座B；6主轴；7鼓筒；8可拆卸式反光镜轴头；9非接触式电磁激振器；10激光测振仪；11激光测振仪支架；12底座；13电机座；14轴承座底座；15实验台底座支架；17螺栓A；18轮盘；19螺栓B；20反光镜底座；21带45度镀铬斜面的反光镜；22紧固螺钉；23锁紧螺母。

具体实施方式

为了使本发明的目的更加明确，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1和图2所示，该装置由电机座14、永磁交流同步电机1、弹性联轴器2、主轴6、轴承座A3、配重盘4、轴承座B5、轴承座底座14、轮盘-鼓筒装配件、带45度反光斜面的可拆卸式轴头8、激光测振仪10、激光测振仪支架11以及工作台构成。轴承座A3、轴承座B5通过轴承座底座14安装在工作台底座12上，轴承座A3的左侧设置有永磁交流同步电机1，该交流电机1通过电机座13安装在工作台底座12上，通过弹性联轴器2与主轴6一端连接；轴承座A3与右侧轴承座5之间安装配重盘4；轴承座B5的右侧伸出的主轴上通过胀紧套安装有轮盘-鼓筒装配件；鼓筒外侧安装有非接触式电磁激振装置9；安装有轮盘-鼓筒装配件的主轴右端部安装有带45度反光斜面的可拆卸式轴头。

所述轮盘-鼓筒配件由鼓筒7和轮盘18构成，轮盘18通过胀紧套固定在主轴6上，鼓筒8通过外法兰和沿圆周方向均布的螺栓A8连接固定在轮盘上。

所述带45度反光斜面的可拆卸式轴头由带有45度斜面的反光镜22和反光镜底座21组成。有两种设计可拆卸式带反光镜轴头，其中一种连接方式如图4所示，带45度镀铬斜面的反光镜21与盘型反光镜底座20间隙配合，然后镜子座20通过若干沿圆周方向的螺栓A9连接到主轴6的最右端。另一种可拆卸式带反光镜轴头连接方式如图5所示，带45度镀铬斜面的反光镜21通过自身左端的螺纹连接到反光镜底座20右端的螺纹孔内，然后用锁紧螺母23使其锁紧，之后反光镜底座20通过自身左端的螺纹使其连接到主轴6的最右端螺旋孔内，然后在主轴6的最右端的上方打一个螺纹孔，使用紧固螺钉22使其镜子座20与主轴连接更加牢固；

所述激光测振仪10安装在激光测振仪支架11上，测振仪支架11通过螺栓连接安装主轴6的右端一定距离处的底座12上，调整位置，使其激光拾振仪10的光源正好打在主轴6的轴心上。

所述非接触式电磁激振装置包括非接触式电磁激振器，数据采集卡，信号放大器，所述非接触式电磁激振器通过磁力吸盘支架吸附在工作台的底座上。

所述工作台由实验台底座支架、隔振垫片、底座构成。

所述的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法，所述带45度反光斜面的可拆卸式轴头由带有45度镀铬斜面的反光镜和反光镜底座组成，反光镜底座通过若干沿圆周方向的螺钉连接到主轴的最右端；或者是带有45度镀铬斜面的反光镜由左侧螺纹旋进反光镜底座的右端螺纹孔内，再通过锁紧螺母使其锁紧，然后反光镜底座通过左侧螺纹旋进主轴的右端螺纹孔内，再通过紧固螺钉使其紧固。

所述的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法，激光测振仪放置在带45度反光斜面的可拆卸式轴头的正前方一定距离处，所述激光拾振仪发射出的激光通过45度反光斜面反射到被测旋转鼓筒内壁，进行旋转鼓筒振动信号的采集，所述激光拾振仪采用激光测振技术，所述激光测振技术和电学法的传统测振方法相比，激光测振测量法存在诸多优点:不受电磁场干扰、测量范围广、测量精度高、不受外界环境的干扰、非接触式方式适用性广、适用于远距离测量、不受空间和时间限制、不扰动测量物体等，对于测量旋转体的固有特性是个很好的选择。

所述的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法，能够实现对鼓筒的静态振动测试，首先在主轴上安装轮盘-鼓筒装配件，然后校准激光测振仪，使激光通过反光斜面垂直打到鼓筒内表面，最后将激光测振仪与计算机模态分析系统相连接。

鼓筒的静态振动测试，利用激振力锤依次敲打鼓筒结构件的不同位置点，对鼓筒产生瞬态激励，被鼓筒反射的带有振动信息的激光被激光测振仪接收，采集到的数据经数据采集卡传送给计算机，通过计算机对数据进行分析，最终得到鼓筒的静态固有频率。

所述的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法，能够实现对旋转态轮盘-鼓筒螺栓连接结构的振动测试。首先在主轴右侧安装轮盘-鼓筒装配件，然后在主轴右端安装带45度反光斜面的可拆卸式轴头，使轴头装在鼓筒内部，打开激光测振仪电源，调整激光测振仪的位置，使其发射的激光正好打在带45度镀铬镜面的可拆卸式轴头的轴心处，最后将拾振仪与计算机相连接。

旋转态鼓筒固有特性测试方法：首先校准激光测振仪，使激光点始终保持在鼓筒内表面的一个定点；接着启动高速永磁同步电机，调整电机达到目标转速，保持电机处于稳定运行状态；然后使非接触式电磁激振器放置在旋转鼓筒的左侧很近的距离处，启动非接触式电磁激振器，施加正弦扫频激励，使鼓筒处于不同振动状态，激发鼓筒的各阶固有频率达到共振状态；在鼓筒旋转过程中，激光拾振仪发射的光源不断的采集信号并通过45度反光斜面反射回激光拾振仪的接收端口，激光拾振仪接收到的信号通过外端输出口传送给计算机，经过计算机对数据的分析和处理，最终得到旋转鼓筒的各阶动态固有频率。

所述的一种模拟航空发动机轮盘-鼓筒螺栓连接结构的实验装置及模态测试方法，其特征是能够对其轮盘-鼓筒螺栓连接结构中螺栓个数、螺栓预紧力大小、螺栓连接刚度等参数发生变化和螺栓松动时鼓筒模态进行测试，用于分析螺栓连接结构对鼓筒模态的影响。

Claims (10)

1.一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，其特征在于，包括永磁交流同步电机、弹性联轴器、主轴、轴承座A、配重盘、轴承座B、轮盘-鼓筒装配件、带45度反光斜面的可拆卸式轴头、非接触式电磁激振装置、激光测振仪和工作台；

所述轴承座A、轴承座B通过轴承座底座固定在工作台上，轴承座A与轴承座B之间设有配重盘；轴承座A相对于配重盘的另一侧设有永磁交流同步电机，该电机通过电机座安装在工作台上，通过弹性联轴器与主轴一端连接；轴承座B相对于配重盘的另一侧伸出的主轴上通过胀紧套固定轮盘-鼓筒装配件；鼓筒外侧设置非接触式电磁激振装置；轮盘-鼓筒装配件侧的主轴端部设有带45度反光斜面的可拆卸式轴头；正对带45度反光斜面的可拆卸式轴头端与主轴同轴方向设置激光测振仪，激光测振仪通过激光测振仪支架安装在工作台上，用于实现激光测振仪发射出的激光通过45度反光斜面反射到被测旋转鼓筒内壁，进行旋转鼓筒振动信号的采集。

2.根据权利要求1所述的一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，其特征在于，所述轮盘-鼓筒配件由鼓筒和轮盘构成，轮盘通过胀紧套固定在主轴上，鼓筒通过外法兰和沿圆周方向均布的螺栓连接固定在轮盘上。

3.根据权利要求1或2所述的一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，其特征在于，所述带45度反光斜面的可拆卸式轴头为通过带45度镀铬斜面的反光镜通过反光镜底座连接到主轴端部。

4.根据权利要求3所述的一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，其特征在于，所述反光镜底座与主轴端部通过螺纹连接；所述带45度镀铬斜面的反光镜与反光镜底座螺纹连接，再通过锁紧螺母锁紧。

5.根据权利要求1或2所述的一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，其特征在于，所述非接触式电磁激振装置包括非接触式电磁激振器、数据采集卡、信号放大器；所述非接触式电磁激振装置通过磁力吸盘支架吸附在工作台的底座上。

6.根据权利要求1或2所述的一种鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置，其特征在于，所述工作台由实验台底座支架、隔振垫片、底座构成。

7.采用权利要求1-6任一所述鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置的测试方法，其特征在于，对轮盘-鼓筒螺栓连接结构的静态振动测试，包括如下步骤：

步骤1，首先在主轴上安装轮盘-鼓筒装配件，然后校准激光测振仪，使激光通过反光斜面垂直打到鼓筒内表面，最后将激光测振仪与计算机模态分析系统相连接；

步骤2，鼓筒的静态振动测试，利用激振力锤依次敲打鼓筒结构件的不同位置点，对鼓筒产生瞬态激励，被鼓筒反射的带有振动信息的激光被激光测振仪接收，采集到的数据经数据采集卡传送给计算机，通过计算机对数据进行分析，最终得到鼓筒的静态固有频率。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，对轮盘-鼓筒螺栓连接结构中螺栓个数、螺栓预紧力大小、螺栓连接刚度参数发生变化和螺栓松动时鼓筒模态进行测试，用于分析螺栓连接结构对鼓筒模态的影响。

9.采用权利要求1-6任一所述鼓筒-轮盘螺栓连接结构的实验装置的测试方法，其特征在于，对轮盘-鼓筒螺栓连接结构的旋转态振动测试，包括如下步骤：

步骤1，首先在主轴上安装轮盘-鼓筒装配件，然后在主轴一端安装带45度反光斜面的可拆卸式轴头，使轴头装在鼓筒内部，打开激光测振仪电源，调整激光测振仪的位置，使其发射的激光正好打在带45度镀铬镜面的可拆卸式轴头的轴心处，最后将激光测振仪与计算机相连接；

步骤2，鼓筒的旋转态振动测试，首先校准激光测振仪，使激光点始终保持在鼓筒内表面的一个定点；接着启动永磁交流同步电机，调整电机达到目标转速，保持电机处于稳定运行状态；然后使非接触式电磁激振装置放置在旋转鼓筒的外侧适当距离处，启动非接触式电磁激振器，施加正弦扫频激励，使鼓筒处于不同振动状态，激发鼓筒的各阶固有频率达到共振状态；在鼓筒旋转过程中，激光测振仪发射的光源不断的采集信号并通过45度镀铬镜面反射回激光测振仪的接收端口，激光测振仪接收到的信号通过外端输出口传送给计算机，经过计算机对数据的分析和处理，最终得到旋转鼓筒的各阶动态固有频率。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，对轮盘-鼓筒螺栓连接结构中螺栓个数、螺栓预紧力大小、螺栓连接刚度参数发生变化和螺栓松动时鼓筒模态进行测试，用于分析螺栓连接结构对鼓筒模态的影响。