CN112903156B - 基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，该测量方法包括激光器、分光镜、自适应激光干涉仪、光电二极管和透镜调整位置及姿态，激光器发射脉冲激光被分光镜分成两束，一束被光电二极管接收，另一束照射到转子装配体的上表面并激发出超声波，超声波在转子装配体内部传播，到达转子装配体下表面的超声波被自适应激光干涉仪接收，工控机计算出自适应激光干涉仪接收的超声波信号能量W；根据超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ的对应关系，求出螺栓拉伸应力σ。解决了现有的大型高速回转装备轴向应力难以直接测量、传统的超声波法测量效率低且会造成腐蚀等问题，实现大型高速回转装备转子轴向应力的高效率和高精度测量。

Description

基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法
技术领域
本发明涉及一种轴向应力测量方法，具体涉及一种基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，属于超声测量技术领域。
背景技术
航空发动机核心机系统由多级转子装配而成，各级转子之间的装配质量对航空发动机的性能具有非常大的影响。螺栓组的预紧力若存在不均匀性将导致转子的螺栓连接表面产生不规则形变，易使装配后的转子同轴度超标，不平衡量超过要求值。在发动机长时间工作后，螺栓预紧力的蠕变现象会使螺栓初始预紧力下降，将螺栓预紧力的不均匀性放大，使转子的刚度均匀性变差，在受轴向负载时对转子的工作性能有较大影响，减少了转子的工作寿命，降低了发动机的安全性。所以，迫切要求精密测量发动机转子的装配拉伸应力，只有测量精密，才能装配的精准。
目前常用的螺栓装配拉伸应力测量方法有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、光折射法等。扭矩扳手法是通过扭矩间接控制螺栓预紧力的，因而这个测量值将有较大的误差；电阻应变片电测法通过测量螺栓表面应变获得螺栓拉伸应力，但螺栓在拧紧时表面会产生一定剪切形变，导致测量结果与实际轴向应力有偏差；光折射方法仅局限于实验室条件下，并不能广泛应用于工程上的在线测量。上述测试方法由于受到测量精度、安装条件及现场环境等各方面的限制，目前在工程中实现在线测量还存在一定的困难。
超声波螺栓装配拉伸应力测量通过对螺栓中超声波波速的变化的测量而获取螺栓轴向应力，进而得出螺栓装配拉伸应力，具有对被测物无损伤、测量速度快、测量精度高等特点，因而国内外学者对超声测量方法开展了广泛研究。传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，超声波在穿越耦合剂时需要一定的渡越时间，并且会产生干扰谐波，给测量带来不稳定的因素，并且耦合剂的使用会对增加额外的工作量，导致测量效率低，更严重的是会对工件表面造成一定的腐蚀和伤害，因而在实际应用中传统的超声波法受到了一定的限制。
发明内容
本发明为解决现有技术的大型高速回转装备转子装配轴向应力难以直接测量、传统的超声波法测量效率低且会对转子表面造成腐蚀等问题，提出一种基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，实现大型高速回转装备转子轴向应力的直接、高效率和高精度测量。
本发明提出一种基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，具体包括以下步骤：
第一步，激光器、分光镜和透镜调整位置及姿态，使激光器发射的激光能够穿过分光镜和透镜照射到转子部件一的上表面，脉冲激光在转子部件一的上表面的激发出超声波，超声波在转子部件一内部传播并穿过转子部件一和转子部件二的连接界面到达转子部件二的下表面；
第二步，自适应激光干涉仪调整位置及姿态，使其能够接收到转子部件二的下表面的超声波信号；
第三步，光电二极管调整位置及姿态，使其能够接收到分光镜分出的激光束并将其转换为电信号传入数据采集卡；
第四步，工控机发送指令激光器发射脉冲激光，脉冲激光被分光镜分成两束，其中一束被光电二极管接收并转换为电信号传入数据采集卡作为超声信号的采集触发，另一束照射到转子部件一的上表面，在转子部件一的上表面产生超声波，超声波产生之后在转子部件一内部传播并穿过转子部件一和转子部件二的连接界面进入转子部件二，到达转子部件二下表面的超声波被自适应激光干涉仪接收并转换为电信号传送至数据采集卡，数据采集卡将采集到的信号传至工控机进行处理，计算出自适应激光干涉仪接收到的超声波信号能量W；
第五步，根据超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ之间的对应关系，求出螺栓拉伸应力σ。
进一步的，所述超声波信号能量W为离散时间域[ts，tf]内信号V(t)的二次函数，其计算公式为：
Figure BDA0002301389110000021
其中，V(t)为自适应激光干涉仪接收的信号/V，f为信号采样频率。
进一步的，所述超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ之间的对应关系需要通过标定得出。
本发明所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法的有益效果为：
1、本发明所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法采用激光器和光电探测仪分别实现超声法的激励和接收，能够避免使用传统超声波方法中所必需的液体耦合剂，因此消除了耦合剂对螺栓表面的腐蚀和污染，同时激光超声的激发和接收均在瞬间完成，能够实现快速、实时测量，具有较强的抗干扰能力。
2、本发明所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法采用精密回转台带动转子装配体转动实现所有螺栓的测量，自动化程度高，有利于提高测量效率。
附图说明
图1是本发明所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法对应装置的结构示意图；
图中：1-脉冲激光器；2-分光镜；3-透镜；4-光电二极管；5-数据采集卡；6-工控机；7-自适应激光干涉仪；8-转子部件一；9-转子部件二；10-螺栓。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本发明所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，具体包括以下步骤：
第一步，激光器1、分光镜2和透镜3调整位置及姿态，使激光器1发射的激光能够穿过分光镜2和透镜3照射到转子部件一8的上表面，脉冲激光在转子部件一8的上表面的激发出超声波，超声波在转子部件一8内部传播并穿过转子部件一8和转子部件二9的连接界面到达转子部件二9的下表面；
第二步，自适应激光干涉仪7调整位置及姿态，使其能够接收到转子部件二9的下表面的超声波信号；
第三步，光电二极管4调整位置及姿态，使其能够接收到分光镜2分出的激光束并将其转换为电信号传入数据采集卡5；
第四步，工控机6发送指令激光器1发射脉冲激光，脉冲激光被分光镜2分成两束，其中一束被光电二极管4接收并转换为电信号传入数据采集卡5作为超声信号的采集触发，另一束照射到转子部件一8的上表面，在转子部件一8的上表面产生超声波，超声波产生之后在转子部件一8内部传播并穿过转子部件一8和转子部件二9的连接界面进入转子部件二9，到达转子部件二9下表面的超声波被自适应激光干涉仪7接收并转换为电信号传送至数据采集卡5，数据采集卡5将采集到的信号传至工控机6进行处理，计算出自适应激光干涉仪7接收到的超声波信号能量W；
第五步，根据超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ之间的对应关系，求出螺栓拉伸应力σ。
所述超声波信号能量W为离散时间域[ts，tf]内信号V(t)的二次函数，其计算公式为：
Figure BDA0002301389110000041
其中，V(t)为自适应激光干涉仪7接收的信号/V，f为信号采样频率。
所述转子装配体包括转子部件一8、转子部件二9和螺栓10，所述转子部件一8位于转子部件二9的上方，所述螺栓10将转子部件一8和转子部件二9轴向固定。
所述超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ之间的对应关系需要通过标定得出。
本实施方式所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法对应的装置包括脉冲激光器1、分光镜2、透镜3、光电二极管4、数据采集卡5、工控机6、自适应激光干涉仪7和转子装配体；所述工控机6与数据采集卡5连接，所述数据采集卡5分别与光电二极管4和自适应激光干涉仪7连接，所述自适应激光干涉仪7位于转子装配体的下方，所述工控机6还与脉冲激光器1连接，所述工控机6控制脉冲激光器1发射脉冲激光，所述脉冲激光器1发射光的光路前方设置有分光镜2，所述脉冲激光器1发出的脉冲激光被分光镜2分成两束，其中一束光被分光镜2反射，被光电二极管4接收并转换为电信号传入数据采集卡5作为超声信号的采集触发，另一束光透过分光镜2沿直线照射到透镜3，然后光穿过透镜3照射在转子装配体的上表面，在转子装配体的上表面激发出超声波，超声波穿过整个转子装配体到达转子装配体的下表面，到达转子装配体下表面的超声波被自适应激光干涉仪7接收并转换为电信号传送至数据采集卡5，数据采集卡5将采集到的信号传至工控机6进行处理。
所述工控机6控制脉冲激光器1发出激光的时间、脉冲能量、重复频率，所述脉冲激光器1以垂直角度照射到转子部件一8上表面，自适应激光干涉仪7以垂直角度接收转子部件二9的下表面的超声信号。
所述另一束光透过分光镜2沿直线照射到透镜3，然后光穿过透镜3照射在转子部件一8的上表面，由于转子部件一8的上表面产生超声波，超声波产生之后在转子部件一8内部传播并穿过转子部件一8和转子部件二9的连接界面进入转子部件二9，到达转子部件二9下表面的超声波被自适应激光干涉仪7接收并转换为电信号传送至数据采集卡5，数据采集卡5将采集到的信号传至工控机6进行处理。
所述大型高速回转装备以对象为例就是如航空发动机或燃气轮机，具体限定为被测件尺寸高度大于3m，直径大于1.5m，转速大于1.5万转每分钟的回转装备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步，激光器(1)、分光镜(2)和透镜(3)调整位置及姿态，使激光器(1)发射的脉冲激光能够穿过分光镜(2)和透镜(3)照射到转子部件一(8)的上表面，脉冲激光在转子部件一(8)的上表面激发出超声波，超声波在转子部件一(8)内部传播并穿过转子部件一(8)和转子部件二(9)的连接界面到达转子部件二(9)的下表面；
第二步，自适应激光干涉仪(7)调整位置及姿态，使其能够接收到转子部件二(9)的下表面的超声波信号；
第三步，光电二极管(4)调整位置及姿态，使其能够接收到分光镜(2)分出的脉冲激光束并将其转换为电信号传入数据采集卡(5)；
第四步，工控机(6)发送指令使激光器(1)发射脉冲激光，脉冲激光被分光镜(2)分成两束，其中一束被光电二极管(4)接收并转换为电信号传入数据采集卡(5)作为超声信号的采集触发，另一束照射到转子部件一(8)的上表面，在转子部件一(8)的上表面产生超声波，超声波产生之后在转子部件一(8)内部传播并穿过转子部件一(8)和转子部件二(9)的连接界面进入转子部件二(9)，到达转子部件二(9)下表面的超声波被自适应激光干涉仪(7)接收并转换为电信号传送至数据采集卡(5)，数据采集卡(5)将采集到的超声波信号传至工控机(6)进行处理，计算出自适应激光干涉仪(7)接收到的超声波信号能量W；
第五步，根据超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ之间的对应关系，求出螺栓拉伸应力σ；
所述超声波信号能量W为离散时间域[ts，tf]内超声波信号V(t)的二次函数，其计算公式为：
Figure FDA0004153395370000011
其中，V(t)为自适应激光干涉仪(7)接收的超声波信号，fs为信号采样频率。
2.根据权利要求1所述的基于非接触传播的大型高速回转装备轴向应力测量方法，其特征在于，所述超声波信号能量W与螺栓拉伸应力σ之间的对应关系需要通过标定得出。
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