CN110567660B - 一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台及其弹性环刚度的测量方法 - Google Patents

一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台及其弹性环刚度的测量方法 Download PDF

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Abstract

一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台及其弹性环刚度的测量方法，属于航空发动机弹性支承转子系统弹性环刚度测量领域。该试验台主要由电气驱动及控制系统、不平衡激励转子系统、弹性环支承系统、测试传感系统和底座组成。本试验台在以往的普通试验台基础上添加了弹性环组件，并通过添加不平衡量测量弹性环附近轴段的水平及竖直方向位移进而得到轴段的轴心轨迹，通过轴心轨迹可间接的得到弹性环的变形量，再通过计算所加不平衡质量所产生的圆周力即可得到弹性环的刚度值。本发明通过改变内外衬套的尺寸，可以对不同型号的弹性环进行刚度测量，并且可以施加不同位置、不同质量的不平衡激励，进而更加保证了试验的准确性，使分析和测量更加的全面。

Description

一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台及其弹性环刚度的 测量方法
技术领域
本发明属于航空发动机弹性支承转子系统弹性环刚度测量领域，涉及一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台及其弹性环刚度的测量方法，即通过施加不平衡激励并测量弹性环附近轴段的轴心轨迹来间接对弹性支承中的弹性环刚度进行计算。
背景技术
航空发动机、汽轮机、压缩机、风机、水泵等旋转机械，在国防、能源、电力、交通和化工等领域中得到广泛应用并发挥着重要的作用。转子系统是旋转机械的重要组成部分，转子系统的动力学特性决定着旋转机械的工作性能和结构安全。以航空发动机为代表的复杂而重要的旋转机械装备，有许多因素特别是多种故障因素都会造成其剧烈振动，而与振动直接相关的是转子系统支承结构的刚度，因此对转子系统支承结构中的支承组件刚度的测量是重要的也是必要的。
目前，对于转子系统人们越来越多的采用柔性支撑来调节临界转速、减小结构振动。弹性环式减振结构是一种重要的柔性支撑，具有结构简单、占用空间小、可靠性高、成本低等特点，能够减小转子共振时的振幅，使得转子顺利通过临界转速，在转子柔性支撑结构中得到了广泛的应用。
因此，针对航空发动机弹性支承转子系统振动理论与试验研究具有重要意义。为实现以上目标，需要一种对弹性支承组件中的弹性环刚度进行测量的试验台。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台及其弹性环刚度的测量方法。在结构方面，本发明是航空发动机弹性支承转子系统中的盘轴联接结构的一种简化模型，转子两端可装配不同类型的轴承及不同尺寸的弹性环支承组件。盘轴联接结构通过止口辅助完成转子对中，减少不对中对系统测试的影响。弹性支承转子系统不平衡激励试验台主要采用不平衡质量激振来施加与转速同步的旋转径向载荷，通过在实验台转子系统附加不平衡质量，即在靠近弹性环组件的一侧安装激振盘，在激振盘上添加构成偏心质量的螺钉，进而能够实现对弹性环组件的同步激励。在弹性环组件一侧的轴上固定两个互相垂直的电涡流位移传感器，测试该轴段的轴心轨迹，近似认为该轴心轨迹为被测弹性环组件的径向变形。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台，主要由电气驱动及控制系统A、不平衡激励转子系统B、测试传感系统、弹性环支承系统C和底座10组成。
所述的底座10上固定电机支座3和轴承座底座9。
所述的弹性环支承系统C包括轴承座5、弹性环支承组件8和轴承座底座9，轴承座5固定于轴承座底座9上端，轴承座5上开设圆孔，圆孔中设置弹性环支承组件8；弹性环支承组件8是由内衬套、弹性环、外衬套套设而成的，其中外衬套与圆孔相接触；
所述的不平衡激励转子系统B包括不平衡激励盘6和转轴7；转轴7穿过不平衡激励盘6，两端分别穿过弹性环支承组件8；
所述的测试传感系统主要由电涡流位移传感器及测试设备组成；电涡流位移传感器安装在弹性环支承组件8附近的轴段处，水平和竖直方向各安装一个，通过电涡流位移传感器测得在不平衡激励下轴段在水平和竖直方向上的位移情况，测得的数据由配套的显示控制仪显示出来，并由信号采集卡和信号读取和存储系统记录下来，通过测得的水平及竖直方向的位移数据得到弹性环支承组件8附近轴段处的轴心轨迹，认为该轴心轨迹为被测弹性环支承组件8的径向变形。
所述的电气驱动及控制系统A主要由电气控制箱1和转子变频电机2组成；所述的电气控制箱1即电机控制系统，与转子变频电机2相连，电机控制系统包括控制面板、变频器、接触器和断路器，变频器用于调节转子变频电机2的转速，接触器和断路器用于控制转子变频电机2的开启与关闭；所述的转子变频电机2固定在电机支座3上，转子变频电机2通过联轴器4与转轴7相连，用于传递扭矩。
一种弹性支承转子系统弹性环刚度的测量方法，用于测量弹性支承转子系统中弹性环组件的刚度，所述的弹性环组件包括轴承、内衬套、弹性环、外衬套，测量方法具体如下：
采用不平衡质量激振来施加与转速同步的旋转径向载荷，通过在实验台转子系统附加不平衡质量，即在靠近弹性环组件的一侧安装激振盘，在激振盘上添加构成偏心质量的螺钉，进而能够实现对弹性环组件的同步激励。在弹性环组件一侧的轴上固定两个互相垂直的电涡流位移传感器，测试该轴段的轴心轨迹，近似认为该轴心轨迹为被测弹性环组件的径向变形。
在一个工况下，设弹性环组件的轴心轨迹中径向位移δ的平均值是弹性环组件径向变形；由偏心质量产生的同步旋转径向力为：
Q＝maeω2 (1)
式中ma为附加不平衡质量，e为附加不平衡质量的质心偏心距，ω为转轴的旋转角速度；对所得数据需进行必要的换算：
Figure GDA0003179008650000041
其中，L1为轴承到偏心质量的距离，L2为偏心质量到被测弹性环组件的距离；L1相应不同转速下被测弹性环组件的径向刚度为：
Figure GDA0003179008650000042
弹性环组件要想得到弹性环的径向刚度，需要排除轴承引起径向变形的影响；因此转子系统不加弹性环结构，相同工况下进行试验，测得此时轴心轨迹δ1，设此变形是轴承刚度引起的变形，由于弹性环径向刚度引起的变形为：
δ0＝δ-δ1
(4)
弹性环径向静刚度表达式为：
Figure GDA0003179008650000043
轴承加上弹性环组件的轴心轨迹与只有轴承不加弹性环组件的轴心轨迹做差即为弹性换刚度所引起的变形。
本发明的有益效果：
本发明的试验台在以往的普通试验台基础上添加了弹性环组件，并通过添加不平衡量测量弹性环附近轴段的水平及竖直方向位移进而得到轴段的轴心轨迹，通过轴心轨迹可间接的得到弹性环的变形量，再通过计算所加不平衡质量所产生的圆周力即可得到弹性环的刚度值。
本发明通过改变内外衬套的尺寸，可以对不同型号的弹性环进行刚度测量，并且可以施加不同位置、不同质量的不平衡激励，进而更加保证了试验的准确性，使分析和测量更加的全面。
附图说明
图1为本发明的实验台系统组成示意图；
图2为本发明的弹性支承转子系统不平衡激励试验台系统结构示意图；
图3为本发明的弹性支承转子系统示意图；
图4(a)为本发明的盘轴联接结构示意图；
图4(b)为本发明的不平衡激励盘结构的示意图；
图5为本发明的弹性支承组件示意图；
图6为本发明的轴承座示意图；
图7为本发明的轴承座底座示意图；
图8为本发明的联轴器示意图；
图9为弹性环组件轴心轨迹测试原理；
图10为2弹性环组件；
图11为轴心轨迹；
图中：A电气驱动及控制系统；B不平衡激励转子系统；C弹性环支承系统；1电气控制箱；2转子变频电机；3电机支座；4联轴器；5轴承座；6不平衡激励盘；7转轴；8弹性环支承组件；9轴承座底座；10底台。
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、2所示，一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台，主要由电气驱动及控制系统A、不平衡激励转子系统B、弹性环支承系统C、测试传感系统和底座10组成；
所述的底座10安装有多颗地脚螺栓，用于固定电机支座3，轴承座支座9。
如图3所示，所述的弹性支承转子系统包括不平衡激励盘6、转轴7，转子系统两端通过两个轴承、弹性支承组件8及轴承座5将转子固定于轴承座底座上；不平衡激励盘6、转轴7的结构如图4(a)和4(b)所示；
所述的测试传感系统，主要由电涡流位移传感器及测试设备组成。试验前将电涡流位移传感器安装在弹性环组件附近的轴段处(水平和竖直方向各安装一个)，通过电涡流位移传感器即可测得在不平衡激励下轴段在水平和竖直方向上的位移情况，测得的数据由配套的显示控制仪显示出来，并由信号采集卡和信号读取和存储系统记录下来，通过测得的水平及竖直方向的位移数据即可得到弹性环组件附近轴段处的轴心轨迹，近似认为该轴心轨迹为被测弹性环组件的径向变形。
所述的电气驱动及控制系统A，主要由电气控制箱1、转子变频电机2组成。所述的电气控制箱1，主要由电机控制系统组成，电机控制系统包括控制面板、变频器、接触器和断路器，变频器用于调节电机转速，接触器和断路器用于控制电机的开启与关闭；所述的转子变频电机2固定在电机支座3上，电机支座3安装在底座10上，转子变频电机2将扭矩通过联轴器4传递给转轴。
做好前期准备后进行弹性环刚度的测量，一种弹性支承转子系统弹性环刚度的测量方法，用于测量弹性支承转子系统中弹性环组件的刚度，具体如下：
采用不平衡质量激振来施加与转速同步的旋转径向载荷，通过在实验台转子系统附加不平衡质量，即在靠近弹性环组件的一侧安装激振盘，在激振盘上添加构成偏心质量的螺钉，进而能够实现对弹性环组件的同步激励。在弹性环组件一侧的轴上固定两个互相垂直的电涡流位移传感器，测试该轴段的轴心轨迹，近似认为该轴心轨迹为被测弹性环组件的径向变形。
上述转子系统弹性环组件包含轴承、内衬套、弹性环、外衬套，如图10所示。
某个工况下弹性环组件的轴心轨迹如图11所示，图中径向位移δ的平均值可以认为是弹性环组件径向变形。
由偏心质量产生的同步旋转径向力为：
Q＝maeω2 (1)
式中ma为附加不平衡质量，e为附加不平衡质量的质心偏心距。由于采用的是近似方法，对被测弹性环组件施加同步不平衡力并不直接位于轴承对称平面，因此对所得数据需进行必要的换算。
Figure GDA0003179008650000071
相应不同转速下被测弹性环组件的径向刚度为：
Figure GDA0003179008650000072
上述弹性环组件含轴承部分，要想得到弹性环的径向刚度，需要排除轴承引起径向变形的影响。因此转子系统不加弹性环结构，相同工况下进行试验，测得此时轴心轨迹δ1，此变形可以认为是轴承刚度引起的变形，由于弹性环径向刚度引起的变形为
δ0＝δ-δ1
(4)
弹性环径向静刚度表达式为
Figure GDA0003179008650000073
轴承+弹性环组件的轴心轨迹与只有轴承(不加弹性环组件)的轴心轨迹做差即认为是弹性换刚度所引起的变形。
基于以上测试方法本发明主要在于对弹性支承转子系统中弹性环组件中的弹性换刚度进行测量，以下阐述本发明所能实现的多种工况：
主要试验工况变化在于：(1)本实验台的盘结构上布置有不平衡激励施加点，可以实现不平衡激励的大小、施力方向和施力距离的改变；(2)通过改变弹性环组件中的内外衬套尺寸即可安装不同尺寸的弹性环，进而能够对不同型号的弹性环刚度进行测量。
本实验台能够全面的测量弹性支承转子系统中的弹性环刚度并得到准确的结果。

Claims (2)

1.一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台，其特征在于，主要由电气驱动及控制系统(A)、不平衡激励转子系统(B)、测试传感系统、弹性环支承系统(C)和底座(10)组成；
所述的底座(10)上固定电机支座(3)和轴承座底座(9)；
所述的弹性环支承系统(C)包括轴承座(5)、弹性环支承组件(8)和轴承座底座(9)，轴承座(5)固定于轴承座底座(9)上端，轴承座(5)上开设圆孔，圆孔中设置弹性环支承组件(8)；弹性环支承组件(8)是由内衬套、弹性环、外衬套套设而成的，其中外衬套与圆孔相接触；
所述的不平衡激励转子系统(B)包括不平衡激励盘(6)和转轴(7)；转轴(7)穿过不平衡激励盘(6)，两端分别穿过弹性环支承组件(8)；
所述的测试传感系统主要由电涡流位移传感器及测试设备组成；电涡流位移传感器安装在弹性环支承组件(8)附近的轴段处，水平和竖直方向各安装一个，通过电涡流位移传感器测得在不平衡激励下轴段在水平和竖直方向上的位移情况，测得的数据由配套的显示控制仪显示出来，并由信号采集卡和信号读取和存储系统记录下来，通过测得的水平及竖直方向的位移数据得到弹性环支承组件(8)附近轴段处的轴心轨迹，认为该轴心轨迹为弹性环支承组件(8)的径向变形；
所述的电气驱动及控制系统(A)主要由电气控制箱(1)和转子变频电机(2)组成；所述的电气控制箱(1)即电机控制系统，与转子变频电机(2)相连，电机控制系统包括控制面板、变频器、接触器和断路器，变频器用于调节转子变频电机(2)的转速，接触器和断路器用于控制转子变频电机(2)的开启与关闭；所述的转子变频电机(2)固定在电机支座(3)上，转子变频电机(2)通过联轴器(4)与转轴(7)相连，用于传递扭矩。
2.采用权利要求1所述的一种弹性支承转子系统不平衡激励试验台的弹性环刚度的测量方法，其特征在于，用于测量弹性支承转子系统中弹性环组件的刚度，所述的弹性环组件包括轴承、内衬套、弹性环、外衬套，测量方法具体如下：
采用不平衡质量激振来施加与转速同步的旋转径向载荷，通过在实验台转子系统附加不平衡质量，即在靠近弹性环组件的一侧安装激振盘，在激振盘上添加构成偏心质量的螺钉，进而能够实现对弹性环组件的同步激励；在弹性环组件一侧的轴上固定两个互相垂直的电涡流位移传感器，测试该轴段的轴心轨迹，近似认为该轴心轨迹为被测弹性环组件的径向变形；
在一个工况下，设弹性环组件的轴心轨迹中径向位移δ的平均值是弹性环组件径向变形；由偏心质量产生的同步旋转径向力为：
Q＝maeω2 (1)
式中ma为附加不平衡质量，e为附加不平衡质量的质心偏心距，ω为转轴的旋转角速度；对所得数据需进行必要的换算：
Figure FDA0003179008640000021
其中，L1为轴承到偏心质量的距离，L2为偏心质量到被测弹性环组件的距离；L1相应不同转速下被测弹性环组件的径向刚度为：
Figure FDA0003179008640000022
弹性环组件要想得到弹性环的径向刚度，需要排除轴承引起径向变形的影响；因此转子系统不加弹性环结构，相同工况下进行试验，测得此时轴心轨迹δ1，设此变形是轴承刚度引起的变形，由于弹性环径向刚度引起的变形为：
δ0＝δ-δ1
(4)
弹性环径向静刚度表达式为：
Figure FDA0003179008640000031
轴承加上弹性环组件的轴心轨迹与只有轴承不加弹性环组件的轴心轨迹做差即为弹性换刚度所引起的变形。
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