CN108918066B - 一种止口连接结构转子试验台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机转子系统试验技术领域，涉及一种止口连接结构转子试验台及测试方法。该试验台主要由测试传感系统、转子—支承系统和电气控制箱组成；测试传感系统主要由振动测试软件、采集卡机箱、采集卡、数据采集系统、LMS测试设备、模态力锤和传感器固定架组成；转子—支承系统，主要由底座、左轴承座支架、左轴承座、转轴、左固定盘、左止口盘、右止口盘、右锥形罩、锁紧螺母、右轴承座、右轴承座支架、变频电机、电机座和深沟球轴承组成；电气控制箱与变频电机相连，用于调节转速。本发明用于研究止口连接结构及其相关参数变化对转子系统固有特性及动力学特性的影响，为航空发动机止口连接结构设计提供了试验测试依据。

Description

一种止口连接结构转子试验台及测试方法

技术领域

本发明涉及航空发动机转子系统试验领域，涉及一种止口连接结构转子试验台及测试方法。

背景技术

航空发动机是由若干部件通过连接结构组成的一个整体，连接结构的存在会降低航空发动机转子系统的局部刚度，从而改变转子系统的振动特性。如果连接结构设计不合理，在航空发动机工作过程中就极有可能导致连接失效，进而引发更加严重的事故。同时在转子高速旋转的过程中，连接刚度也会随着载荷和工况的变化而发生改变，从而使转子系统的动力学行为变得更加复杂。因此，研究连接结构对转子系统振动特性的影响就成为了航空发动机设计制造领域的一个重要研究方向。

现阶段，对于航空发动机连接结构的研究大多集中在螺栓连接等传统领域，对止口连接结构的研究并不多见。螺栓连接等传统连接方式需要额外的连接件，这将使发动机的总体质量增加，并且这些连接件常常会带来不平衡质量，这对于航空发动机这样在高转速下工作的旋转机械来说是极其不利的。此外，螺栓连接中的长拉杆和短螺栓在发动机高速运转时会产生较大的离心力，并且需要在连接位置处打孔，从而影响转子的结构强度，这些弊端在一定程度上限制了航空发动机性能的提升。近些年来，随着航空发动机向着高转速、轻质量、大推重比的方向发展，采用止口连接结构的无螺栓压气机因其结构简单、质量轻、轮盘强度高等优点在国外航空发动机上开始逐渐被使用。止口连接结构是通过内外止口的圆柱面过盈配合实现定心，通过设置中心拉杆实现轴向拉紧，端面在轴向压紧力的作用下通过摩擦传扭。止口连接结构加工装配简单，具有较好的定心传扭功能，很好地弥补了传统连接方式存在的不足。

通过对止口连接结构的理论研究，发现影响其连接能力的因素主要有：内外止口配合面尺寸、轮盘上止口结构径向位置、接触表面的粗糙度和轴向压紧力等参数，为了进一步实现理论与试验的对比，推动止口连接结构研究的深入，需要设计一套试验装置，用于研究止口连接结构不同参数对转子系统振动特性的影响，以更好地指导航空发动机结构设计。

发明内容

在航空发动机连接结构研究领域，针对缺少考虑止口连接结构的航空发动机转子试验台的现状，本发明提供一种带有止口连接结构可用于研究其参数变化对转子系统振动特性影响的试验装置及其测试方法。

本发明的技术方案：

一种止口连接结构转子试验台，主要由测试传感系统、转子—支承系统和电气控制箱组成；

所述的测试传感系统，主要由振动测试软件、采集卡机箱、采集卡、数据采集系统、LMS测试设备、模态力锤和传感器固定架组成，用于激励转子并采集振动信号；所述的采集卡机箱，用于振动测试软件与采集卡之间的连接；所述的采集卡用于测试位移信号和加速度信号；所述的模态力锤带有弹性橡胶冲击垫，模态力锤与数据采集系统的采集口相连接；所述的数据采集系统，包括多个加速度传感器和多个电涡流传感器，加速度传感器通过磁铁吸在转轴上，电涡流传感器安装在传感器固定架上；所述的LMS测试设备与数据采集系统相连，并对采集的数据进行处理；所述的传感器固定架为П型结构支架，传感器固定架的顶部横梁和两侧支柱上部设有安装孔，用于固定电涡流传感器；传感器固定架共三个，安装在转子—支承系统的底座上，使转轴位于传感器固定架中间空隙，其中一个传感器固定架上的电涡流传感器与转子相接触；另外两个传感器固定架位于转子的两侧，分别靠近左轴承座支架和右轴承座支架，电涡流传感器与转轴相接触；

所述的转子—支承系统，主要由底座、左轴承座支架、左轴承座、转轴、左固定盘、左止口盘、右止口盘、右锥形罩、锁紧螺母、右轴承座、右轴承座支架、变频电机、电机座和深沟球轴承组成；所述底座上设有多个T型槽，电机座、左轴承座支架、右轴承座支架及传感器固定架均通过T型槽安装在底座上；所述的左轴承座支架和右轴承座支架安装在底座两端，用于安装左轴承座和右轴承座；所述的左轴承座和右轴承座，分别安装在左轴承座支架和右轴承座支架上，左轴承座和右轴承座上设有通孔；所述的转轴的两端分别穿过左轴承座和右轴承座的通孔，并通过与深沟球轴承的配合，使得转轴在左轴承座和右轴承座之间转动；所述的左固定盘通过胀紧套和螺栓法兰配合左端轴肩套装固定在转轴上；所述的左止口盘和右止口盘依次安装于左固定盘右侧，最后安装右锥形罩，四者之间依次通过止口连接结构相连，通过转轴上的螺纹和锁紧螺母配合实现轴向压紧组成转子，并通过套齿结构实现与转轴之间扭矩的传递；所述的电机座安装在底座上，位于右轴承座支架的外侧；所述的变频电机，安装在电机座上，与转轴的右端通过柔性联轴器相连接，防止电动机振动对转子系统产生的影响；

所述的电气控制箱C，与变频电机相连，用于调节变频电机的转速。

所述的试验测试软件有两个，分别为基于图形化编程语言的LabVIEW自写软件和LMS测试软件；LabVIEW自写软件用于测试各测点振动位移、加速度、应变；LMS测试软件用于测试转子的振型、临界转速和固有频率；

所述的采集卡机箱为NI C-DAQ 9188采集卡机箱；

所述的采集卡为NI9229和NI9234，NI9229用于测试位移信号，NI9234用于测试加速度信号。

一种止口连接结构转子试验台的测试方法，包括以下测试：

1)、考虑止口连接的转子系统的静态固有特性测试

首先将转子系统的轴承支点和连接位置作为测点，在测点布置加速度传感器，将加速度传感器与数据采集系统相连；调试完毕后，使用模态力锤在各测点处相对加速度传感器的相反方向进行敲击，模态力锤和加速度传感器将敲击转子系统产生的数据通过数据线传输给LMS测试设备进行数据处理，获得转子的静态固有频率和相应的振型；

2)、考虑止口连接的转子系统的动力学特性测试

首先，将转子系统的轴承支点和连接位置作为测点，在测点处布置电涡流位移传感器，并将电涡流位移传感器与转子系统相连；调试完毕后，启动变频电机，改变变频电机转速，电涡流位移传感器将采集到的数据传输给计算机进行处理，最终得到转子系统的轴心轨迹、时域响应、频域响应、分叉图的动力学特性。

试验中，通过改变锁紧螺母的拧紧力矩实现对止口连接结构轴向压紧力的控制，通过对比分析得出止口连接结构在不同轴向压紧力条件下对转子系统的静态固有特性和动力学特性的影响。

更换不同的左止口盘和右止口盘，分别改变轮盘上止口结构径向位置、接触面积、表面粗糙度参数，研究止口连接结构不同参数对转子系统固有特性和动力学特性的影响。

本发明的有益效果：

本发明中含止口结构的轮盘几何尺寸是通过量纲分析方法根据实际航空发动机转子尺寸计算得出，可以较好地反映实际含止口的轮盘连接结构的振动特性。

与现有技术相比，本发明不但能够对考虑止口连接的转子系统进行静态测试，而且能够进行相应的动态测试，本发明中止口连接结构安装拆卸方便，可以通过换装多组结构参数不同的止口连接盘进行对比试验，重点研究止口连接结构及其相关参数变化对转子系统固有特性及动力学特性的影响。改善了目前缺少考虑止口连接结构的转子试验台的现状，为航空发动机止口连接结构设计提供了试验测试依据。

附图说明

图1为本发明考虑止口连接结构的转子系统试验装置的总体结构组成；

图2为本发明转子—支承系统结构示意图；

图3为本发明带有止口连接的多盘连接结构示意图；

图4为本发明传感器固定架结构示意图；

图5为本发明支承结构示意图。

图中：A测试传感系统；B转子—支承系统；C电气控制箱；1底座；2左轴承座支架；3左轴承座；4转轴；5左固定盘；6左止口盘；7右止口盘；8右锥形罩；9锁紧螺母；10右轴承座；11右轴承座支架；12变频电机；13电机座；14电涡流传感器；15传感器固定架；16深沟球轴承。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明为考虑止口连接结构的转子振动特性试验装置，主要包括电器控制箱C、转子—支承系统B和测试传感系统A。

所述的转子—支承系统B，如图2和图3所示，包括底座1、转轴4、左固定盘5、左止口盘6、右止口盘7、右锥形罩8、锁紧螺母9、深沟球轴承16、左轴承座3、右轴承座10、轴承座支架2、右轴承座支架11、变频电机12和电机座13。

所述的底座1置于水平地面，其上表面设有若干条T型槽，左轴承座支架2、右轴承座支架11、电机支座13、传感器固定架15通过T型槽安装于底座1上。

所述的变频电机12通过电机座13固定在底座1上，可由电器控制箱C实现转速控制，并通过柔性联轴器将扭矩传递给转子—支承系统B.

左固定盘5通过胀紧套和螺栓法兰配合左端轴肩套装固定于轴上，左止口盘6和右止口盘7依次安装于左固定盘5右侧，最后安装右锥形罩8，上述各结构在锁紧螺母9的作用下被轴向压紧而连接成一体。如图3所示，通过套齿结构实现扭矩在转轴4和右锥形罩8间的传递，各盘之间通过止口连接实现扭矩的传递。转子通过深沟球轴承16、左轴承座3、右轴承座10和轴承座支架2、右轴承座支架11安装在底座1上；

所述的测试传感系统A，主要由振动测试软件、采集卡机箱、采集卡、LMS测试设备、模态力锤、电涡流位移传感器14、加速度传感器和传感器固定架15，加速度传感器直接粘附于被测结构上，电涡流位移传感器14固定于传感器固定架15通孔处；

所述的传感器固定架15可根据测试需要设置于多处，实现对转子结构的多测点测量；传感器固定架15的结构如图4所示。

所述的振动测试软件为基于图形化编程语言的LabVIEW自写软件，主要测试振动位移、加速度、应变、转子的振型和固有频率；

所述的采集卡机箱为NI C-DAQ 9188采集卡机箱，用于LabVIEW测试软件与采集卡之间的连接；

所述的采集卡为NI9229和NI9234，NI9229用于测试位移信号，NI9234用于测试加速度信号；

前期准备工作完成后可进行系统的静态、动态特性测试，具体方法如下：

1)、考虑止口连接的转子系统的静态固有特性测试

首先将转子系统的轴承支点和连接位置作为测点，在测点布置加速度传感器，将加速度传感器与数据采集系统相连；调试完毕后，使用模态力锤在各测点处相对加速度传感器的相反方向进行敲击，模态力锤和加速度传感器将敲击转子系统产生的数据通过数据线传输给LMS测试设备进行数据处理，获得转子的静态固有频率和相应的振型。

试验中，可以通过改变锁紧螺母的拧紧力矩实现对止口连接结构轴向压紧力的控制，通过对比分析可以得出止口连接结构在不同轴向压紧力条件下对转子系统静态固有特性的影响。

2)、考虑止口连接的转子系统的动力学特性测试

首先，与静态测试过程类似，将转子系统的轴承支点和连接位置作为测点，在测点处布置电涡流位移传感器14，并将电涡流位移传感器14与转子系统相连；调试完毕后，启动变频电机12，改变变频电机12转速，电涡流位移传感器14将采集到的数据传输给计算机进行处理，最终得到转子系统的轴心轨迹、时域响应、频域响应、分叉图的动力学特性。

试验中，可以通过改变锁紧螺母的拧紧力矩实现对止口连接结构轴向压紧力的控制，通过对比分析可以得出止口连接结构在不同轴向压紧力条件下对转子系统动力学特性的影响。

上述试验测试通过控制其他变量，仅改变锁紧螺母预紧力矩的大小，研究轴向压紧力对带有止口连接结构的转子系统固有特性和动力学特性的影响。本发明还可以通过换装不同的左止口盘6、右止口盘7，分别改变轮盘上止口结构径向位置、接触面积、表面粗糙度等参数，研究止口连接结构不同参数对转子系统固有特性和动力学特性的影响。

Claims (4)

1.一种止口连接结构转子试验台，其特征在于，所述的止口连接结构转子试验台主要由测试传感系统(A)、转子—支承系统(B)和电气控制箱(C)组成；

所述的测试传感系统(A)，主要由振动测试软件、采集卡机箱、采集卡、数据采集系统、LMS测试设备、模态力锤和传感器固定架(15)组成，用于激励转子并采集振动信号；所述的采集卡机箱，用于振动测试软件与采集卡之间的连接；所述的采集卡用于测试位移信号和加速度信号；所述的模态力锤带有弹性橡胶冲击垫，模态力锤与数据采集系统的采集口相连接；所述的数据采集系统，包括多个加速度传感器和多个电涡流传感器(14)，加速度传感器通过磁铁吸在转轴(4)上，电涡流传感器(14)安装在传感器固定架(15)上；所述的LMS测试设备与数据采集系统相连，并对采集的数据进行处理；所述的传感器固定架(15)为П型结构支架，传感器固定架(15)的顶部横梁和两侧支柱上部设有安装孔，用于固定电涡流传感器(14)；传感器固定架(15)共三个，安装在转子—支承系统(B)的底座(1)上，使转轴(4)位于传感器固定架(15)中间空隙，其中一个传感器固定架(15)上的电涡流传感器(14)与转子相接触；另外两个传感器固定架(15)位于转子的两侧，分别靠近左轴承座支架(2)和右轴承座支架(11)，转轴(4)位于传感器固定架(15)中间空隙，电涡流传感器(14)与转轴(4)相接触；

所述的转子—支承系统(B)，主要由底座(1)、左轴承座支架(2)、左轴承座(3)、转轴(4)、左固定盘(5)、左止口盘(6)、右止口盘(7)、右锥形罩(8)、锁紧螺母(9)、右轴承座(10)、右轴承座支架(11)、变频电机(12)、电机座(13)和深沟球轴承(16)组成；所述底座(1)上设有多个T型槽，电机座(13)、左轴承座支架(2)、右轴承座支架(11)及传感器固定架(15)均通过T型槽安装在底座(1)上；所述的左轴承座支架(2)和右轴承座支架(11)固定安装在底座(1)两端，用于安装左轴承座(3)和右轴承座(10)；所述的左轴承座(3)和右轴承座(10)分别安装在左轴承座支架(2)和右轴承座支架(11)上，左轴承座(3)和右轴承座(10)上设有通孔；所述的转轴(4)的两端分别穿过左轴承座(3)和右轴承座(10)通孔，并通过与深沟球轴承(16)的配合，使得转轴(4)在左轴承座(3)和右轴承座(10)之间转动；所述的左固定盘(5)通过胀紧套和螺栓法兰配合左端轴肩套装固定在转轴(4)上；所述的左止口盘(6)和右止口盘(7)依次安装于左固定盘(5)右侧，最后安装右锥形罩(8)，四者之间依次通过止口连接结构相连，通过转轴(4)上的螺纹和锁紧螺母(9)配合实现轴向压紧组成转子，并通过套齿结构实现与转轴(4)之间扭矩的传递；所述的电机座(13)安装在底座(1)上，位于右轴承座支架(11)的外侧；所述的变频电机(12)安装在电机座(13)上，与转轴(4)的右端通过柔性联轴器相连接，防止电动机振动对转子系统产生的影响；

所述的电气控制箱(C)，与变频电机(12)相连，用于调节变频电机(12)的转速。

2.一种止口连接结构转子的测试方法，该方法基于权利要求1中所述的一种止口连接结构转子试验台实现，其特征在于，包括以下测试：

1)、考虑止口连接的转子系统的静态固有特性测试

首先将转子系统的轴承支点和连接位置作为测点，在测点布置加速度传感器，将加速度传感器与数据采集系统相连；调试完毕后，使用模态力锤在各测点处相对加速度传感器的相反方向进行敲击，模态力锤和加速度传感器将敲击转子系统产生的数据通过数据线传输给LMS测试设备进行数据处理，获得转子的静态固有频率和相应的振型；

2)、考虑止口连接的转子系统的动力学特性测试

首先，将转子系统的轴承支点和连接位置作为测点，在测点处布置电涡流位移传感器(14)，并将电涡流位移传感器(14)与转子系统相连；调试完毕后，启动变频电机(12)，改变变频电机(12)转速，电涡流位移传感器(14)将采集到的数据传输给计算机进行处理，最终得到转子系统的轴心轨迹、时域响应、频域响应、分叉图的动力学特性。

3.根据权利要求2所述的一种止口连接结构转子试验台的测试方法，其特征在于，试验中，通过改变锁紧螺母(9)的拧紧力矩实现对止口连接结构轴向压紧力的控制，通过对比分析得出止口连接结构在不同轴向压紧力条件下对转子系统的静态固有特性和动力学特性的影响。

4.根据权利要求2或3所述的一种止口连接结构转子试验台的测试方法，其特征在于，更换不同的左止口盘(6)和右止口盘(7)，分别改变轮盘上止口结构径向位置、接触面积、表面粗糙度参数，研究止口连接结构不同参数对转子系统固有特性和动力学特性的影响。