CN113092088B - 一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，包括由工字支承、轴承座、轴承端盖和调整垫片组成的弹性支承结构，其产生转子支承刚度非对称效果，支承刚度刚度量级小且非对称程度可调；由角钢、连接块、电机支板和转子支板组成的支承框架结构，用于安装弹性支承结构并将试验器整体安装于装配平台上；立式的转子结构，经轴承安装在弹性支承结构中。

Description

一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器

技术领域

本发明属于转子系统试验领域，具体涉及一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器。

背景技术

支承刚度非对称转子在工业实际中大量存在，如航空发动机、地面燃机和支承故障转子等。支承刚度非对称会使转子系统临界转速增多，危险转速范围增大，甚至出现反进动涡动状态，威胁转子安全运行。为避免支承刚度非对称对转子系统产生破坏，并对转子动力学设计提供理论指导，需要开展支承刚度非对称转子系统振动特性研究。现有支承刚度非对称转子试验系统，如授权公告号为CN 107132048 B和CN 107314893 B所公布的转子系统，通常是卧式转子。此类卧式转子有三大缺点，一是难以避免重力对转子产生的二倍频激励效果，会出现“重力临界”现象；二是由于需要支撑转子重量，此类弹性支承的刚度量级较大，进而转子各阶模态频率和临界转速较高，难以试验观测到更丰富的转子模态特性；三是难以实现支承刚度对称到非对称以及不同非对称程度的转变，进而难以探究支承刚度从对称到非对称转变时转子振动特性的变化规律。此外，现有立式转子试验系统，如CN202210027 U和CN 204389152 U，其支承框架结构有鲜明的非对称特点，即此类支承框架结构对转子系统的附加支承刚度是非对称的，且非对称程度难以估量，对探究支承刚度的影响规律不利。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，克服常规卧式转子试验器难以避免重力对转子产生的二倍频激励和支承刚度过大，不能实现支承刚度对称到非对称以及不同非对称程度的转变等缺陷，并避免现有立式转子试验器支承框架附加支承刚度不对称的缺点。

本发明采取的方案如下：

一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，包括弹性支承结构、支承框架结构和转子结构。弹性支承结构产生支承刚度非对称效果，且非对称程度可调，支承框架结构用于安装弹性支承结构并将试验器整体固定于装配平台上，转子结构经轴承竖直安装于弹性支承结构中。

上述立式转子试验器，所述弹性支承结构包括工字支承、轴承、轴承座、轴承端盖和调整垫片，轴承和调整垫片置于轴承座中，四个工字支承呈方形布置并和轴承端盖一同由螺栓连接到轴承座上，通过更换不同截面尺寸的工字支承可以实现支承刚度对称转换到非对称及不同非对称程度的目的。

上述立式转子试验器，所述支承框架结构包括短角钢、长角钢、支承板和连接块。四根短角钢水平排列成方形，于两端两两螺纹连接，并于底面由安装螺栓固定到装配平台上；四根长角钢竖直布置，于底端分别螺纹连接到四根短角钢的螺纹孔上。

上述立式转子试验器，所述长角钢的每个侧面开有三个竖直直槽，以安装连接块，进而安装支承板。上面两个支承板是转子支板，在两板的上、下方分别安装一个弹性支承结构，且在板中部打圆孔以穿过转轴。最下面的支承板是电机支板，在板的下方安装电机。电机与转轴由柔性联轴器连接。拧松连接块上的螺钉后可在直槽范围内调整支承板高度。

上述立式转子试验器，所述转子结构包括转轴、转盘，转盘上加工凸台并打螺纹孔以利用紧定螺钉与转轴相连，转盘边缘处加工均布通孔以便施加不平衡量。

采用以上技术方案后，本发明具有以下优点：

(1)本发明的一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，采用立式转子结构形式，重力对立式转子的作用沿周向各向同性，能避免重力对转子产生二倍频激励，试验中不会出现常规卧式转子试验器的“重力临界”现象。

(2)本发明的一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，采用由工字支承等组成的弹性支承结构，由工字支承的拉压刚度支撑转子重量，由其弯曲刚度提供弹性支承结构的支承刚度。通过工字支承的尺寸设计，能实现较小的支承刚度，利于探究转子系统更丰富的模态特性。更换不同的工字支承组合方式能实现多种不同的支承刚度效果，操作方便。

(3)本发明的一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，采用由角钢、支承板等组成的支承框架结构，由结构的对称设计，能提供均匀且足够大的附加支承刚度，能避免现有技术中支承框架结构对转子系统振动特性产生的不利影响。此外，此支承框架结构简单，工艺性好。

附图说明

图1是本发明三维结构图；

图2是本发明的弹性支承结构的1/4剖切视图；

图3是转盘和工字支承的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

参看附图1-图3，本发明的一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器包括短角钢1、电机2、连接块3、转子支板4、长角钢5、转盘6、转轴7、联轴器8、电机支板9、装配平台10，安装螺栓11、工字支承12、轴承座13、轴承端盖14、轴承15和调整垫片16。

工字支承12整体呈“工”字形状，其上下两凸台均加工有两通孔以通过螺栓安装于轴承座13或支承板上；其中部矩形细条控制整个结构弯曲刚度，可通过设计矩形截面尺寸实现所需支承刚度。弹性支承结构共有四个呈方形布置的工字支承12，当四个工字支承12的截面均为正方形且尺寸相同时，此支承结构对转子的支承刚度沿周向各向同性，试验器转子处于轴对称刚度工况；当其截面均为长方形时，则转子处于非对称刚度工况。工字支承不同的矩形截面尺寸和排列组合方式能实现不同的刚度非对称程度。

长角钢5通过下部的2个通孔与短角钢1经由螺栓连接，4根长角钢5和4根短角钢1由此方式连为一体，并通过短角钢1的底面大通孔由安装螺栓11与装配平台10连接。长角钢5的两侧相同位置各开3个直槽，相同高度的两直槽通过螺钉连接连接块3，共连接3个。整个支承框架结构共有12个连接块3，四个一组分布于三个高度上，自下而上分别借助螺栓固定电机支板9和两个转子支板4。拧松长角钢5与连接块3间的螺钉即可调节电机支板9或转子支板4的高度和水平度，以调整转子同心度并便于试验器装拆。

转子支板4于四角开通孔以连接连接块3，于中心部分开大圆孔以穿过转轴7，于中心附近开有8个小圆孔以连接四个工字支承12。电机支板9于中心部分开大圆孔以穿过电机2的输出轴，于中心附近开有4个小圆孔以利用螺钉连接电机2。

转盘6加工有凸台，凸台沿对向开有两螺纹通孔，以旋入紧定螺钉与转轴7连接，约束转盘周向和轴向位置。拧松螺钉即可移动转盘6轴向位置。

本实例的具体工作过程如下：短角钢1和长角钢5由螺钉连为一体，并通过安装螺栓11固定在装配平台10上。将连接块3固定于长角钢5的相应位置后，依次装配电机2、电机支板9和下部的转子支板4。在转子支板4上安装工字支承12并装配轴承座13、调整垫片16和轴承端盖14，将已装配有轴承15和转盘6的转轴7放入轴承座13中，而后安装上部的转子支板4及其上的弹性支承结构。

转子完成轴承同心调试后，检查试验器。布置电涡流位移传感器、转速传感器。开动电机2，开展相关实验，位移传感器和转速传感器经过数据采集装置采集数据至计算机。转子的轴对称支承刚度工况和非对称工况需要更换工字支承12，停机更换工字支承12后重新开机实验。

下面结合示例性实施方式详细说明本公开提供的支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器的功能及优点。

本实施方式中，铝制工字支承12截面尺寸设置为1.5mm×1.5mm，1.5mm×1.0mm，1.0mm×1.5mm，1.0×2.0mm，2.0×1.0mm六种，高度为46mm，可以排列组合成以下7种弹性支承结构。经过试验测试，弹性支承在两相互正交方向的支承刚度k_x和k_y列表如下。可见，本实施方式中弹性支承结构能实现支承刚度由轴对称状态(1#)到刚度比k_x/k_y为3.60(7#)的转换。

弹性支承	工字支承a	工字支承b	k<sub>x</sub>(N/m)	k<sub>y</sub>(N/m)	k<sub>x</sub>/k<sub>y</sub>
						1#	1.5mm×1.5mm	1.5mm×1.5mm	33433.9	33753.1	0.99
2#	1.5mm×1.5mm	1.5mm×1.0mm	29543.8	21335.7	1.38
						3#	1.5mm×1.5mm	1.0mm×2.0mm	42557.1	24121.6	1.76
4#	1.5mm×1.0mm	1.0mm×1.5mm	22866.7	11240.3	2.03
						5#	1.5mm×1.0mm	1.0mm×2.0mm	34748.0	13573.5	2.56
6#	1.0mm×2.0mm	1.5mm×1.0mm	41547.2	12035.0	3.45
						7#	2.0mm×1.0mm	1.0mm×2.0mm	51196.8	14229.2	3.60

更为重要的是，本实施方式中弹性支承的支承刚度k一般不大于50000N/m，刚度较小，对试验探究转子系统模态特性有利，现说明如下。本实施方式中，转子系统中钢制转盘6居中安装于钢制转轴7，转盘6厚12mm，直径140mm；转轴7直径18mm，长300mm。在本实例的几种弹性支承中，仿真计算出转子系统前四阶最大临界转速为4356.1rpm，即采用常规伺服电机作为试验器动力即可探究转子系统在前四阶临界转速内的振动特性。由转子动力学理论，此类带弹性支承的刚性转子系统临界转速ω_cr正比于

(k为支承刚度)。一般卧式转子试验器设置较高的竖直方向刚度以支撑转子重量，以至转子的第三、第四阶临界转速较大，因而不能使用常规电机提供动力。此外，较高的转速亦威胁试验安全。

本实施方式中，钢制长角钢5厚3mm，两侧面宽36mm，长550mm，铝制支承板长宽均为216mm，厚10mm，分别安装在168mm、284mm和482.5mm的高度上。经仿真计算，当分别于上部转子支板4的两相邻侧面施加100N法向拉力时，支承框架结构在两方向上最大位移分别为6.29×10^-5m和6.13×10^-5m，即支承框架的附加主刚度分别为1.59×10⁶N/m和1.63×10⁶N/m，两者仅相差2.53％。可见，本实施方式中支承框架结构能提供较大的附加支承刚度，且刚度均匀。支承框架结构一阶弯曲模态频率为158.58Hz，远高于本实施方式中转子最大临界转速。这表明在本实施方式的实验过程中，支承框架不会发生共振，不会对转子系统产生附加支承刚度非对称效果。

综上所述，本公开提供的一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器具有弹性支承刚度量级小且非对称程度可调，试验所需转速范围小，支承框架附加刚度大且均匀和能避免重力对转子系统振动特性的影响的特点。此外，本公开整体工艺性好，结构简单，拆装简便。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，其特征在于：所述立式转子试验器包括：弹性支承结构、支承框架结构和转子结构；

所述弹性支承结构呈方形安装有四个工字支承，工字支承有多个不同截面尺寸的型号；

所述支承框架结构，包括呈方形布置的短角钢和长角钢、电机支板、转子支板和连接块，用于安装所述弹性支承结构并将试验器整体安装于装配平台上；

所述转子结构，包括转轴和转盘，经轴承竖直安装在所述弹性支承结构上；

所述弹性支承结构包括：工字支承、轴承、轴承座、轴承端盖和调整垫片，轴承和调整垫片置于轴承座中，四个工字支承呈方形布置并与轴承端盖一同由螺栓连接到轴承座上；

所述短角钢水平排列成方形，于两端两两螺纹连接，并于底面由螺栓固定到装配平台上；所述长角钢竖直布置，于底端分别螺纹连接到四根短角钢的螺纹孔上。

2.根据权利要求1所述的支承刚度非对称程度可调的立式转子试验器，其特征在于，所述长角钢每个侧面打有三个竖直直槽，以安装所述连接块，进而安装电机支板和转子支板；拧松连接块上螺钉后在直槽范围内调整板的高度和水平度。

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