CN113432818A - 可编程力激励叶片振动测试装置 - Google Patents

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Abstract

一种可编程力激励叶片振动测试装置，包括：工装组件以及设置于其上的叶片组件、电磁激励组件和激光测量组件，驱动和控制电磁激励组件的可编程激励力控制模块，以及采集和处理叶片振动信号的数据采集和数据处理模块。利用电磁激励组件中的导电线圈以及叶片组件中的永磁铁，通过导电线圈的交变电压产生的交变磁场对叶片形成了一种非接触的激振力，可通过可编程激励力控制模块设置多种可编程激励力，例如：正弦激励力、随机激励力和脉冲激励力，以模拟叶片各种工况下的载荷，且具有体积小、质量轻、安装方便等特点，在叶片模态测试、振动测试以及故障叶片模拟等领域具有广泛应用前景。

Description

可编程力激励叶片振动测试装置
技术领域
本发明涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体涉及一种可编程力激励叶片振动测试装置。
背景技术
叶片是旋转机械的重要零部件之一，由于旋转机械工作环境恶劣，叶片受到机械激励、流体激励以及热激励等各种交变作用力下，容易产生裂纹进而发生断裂最终导致旋转机械损坏，造成严重的经济损失和安全事故，因此，对新设计的叶片进行振动测试以及对损伤叶片进行故障模拟具有重要的意义。目前，叶片的振动测量基于振动台在叶片根部施加基础激励或者在叶片自由端通过激振器连接顶杆施加位移约束，振动台和激振器不仅占用空间大，而且安装和搬运不便；此外，叶片在工作环境中还会受到气流激振等力激励，基于振动台和激振器的激励方式不能够对叶片激励力进行有效控制。
发明内容
本发明针对现有技术占用空间大、安装和搬运不便、以及不能实现力激励有效控制的缺陷，提出一种可编程力激励叶片振动测试装置，实现了叶片的可控的非接触力激励，能够对叶片进行正弦激励、随机激励和冲击激励等各类力激励，可进一步对叶片开展相应的振动测试。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种可编程力激励叶片振动测试装置，包括：工装组件以及设置于其上的叶片组件、电磁激励组件、激光测量组件、用于驱动和控制电磁激励组件的可编程激励力控制模块以及采集和处理叶片振动信号的数据采集处理模块，其中：叶片组件水平夹持待测叶片的根部，电磁激励组件和激光测量组件分别相对设置于待测叶片的上下表面两侧，可编程激励力控制模块与电磁激励组件相连并接收力传感信号并输出振动指令，数据采集处理模块与激光测量组件相连，接收位移信号并进行数据处理得到待测叶片振动信号的时域和频域特征。
所述的工装组件包括：竖直设置的安装底板和位于其一侧与之固定连接的若干三角支架，安装底板的另一侧设有叶片组件、电磁激励组件和激光测量组件。
所述的叶片组件包括：待测叶片、夹持在待测叶片根部的两个夹具和固定于待测叶片上的传感器，其中：两个夹具固定设置于工装组件上并分别与待测叶片根部的上下表面相接触。
所述的传感器包括：加速度传感器和应变传感器。
所述的电磁激励组件包括：设置于待测叶片上的永磁铁、固定于工装组件上的高精密直线滑台以及依次设置于其上的激励底座、力传感器和导电线圈，其中：永磁铁与导电线圈放置于叶片下表面一侧并保持非接触状态，导电线圈在交变电流下会产生交变的磁场，在交变磁场的作用下永磁铁产生了排斥力和吸引力导致待测叶片产生振动，通过力传感器测得导电线圈和永磁铁之间的交变力大小。
所述的高精密直线滑台用于调整导电线圈和永磁跌静置时的间距，调控导电线圈和永磁铁之间的最大交变力。
所述的激光测量组件包括：固定于工装组件上的高精密直线滑台和设置于其上的测量底座和激光位移传感器，其中：激光位移传感器正对待测叶片的上表面，用于接收叶片振动时的位移信号。
所述的高精密直线滑台用于调整激光位移传感器和待测叶片之间的距离，避免由于待测叶片几何形状不同导致激光位移传感器测量超量程的状况。
所述的可编程激励力控制模块包括：激励力计算单元、振动控制器和功率放大器，其中：激励力计算单元将真实激励力通过数学表达拟合为可编程激励力并输出至振动控制器作为目标值，振动控制器接收力传感器的交变力信号并与目标值进行比对形成驱动电压输出至功率放大器，功率放大器与电磁激励组件的导电线圈相连并对其进行供电。
所述的真实激励力是指：叶片在实际过程中受到的机械载荷和气动载荷。
所述的可编程激励力包括：正弦激励力、随机激励力和脉冲激励力。
所述的数据采集处理模块包括：信号分析单元和数据采集仪，其中：数据采集仪接收激光测量组件上待测叶片的位移信号、固定于叶片上加速度传感器的加速度信号和固定于叶片上应变传感器的应变信号，并将所有信号输出到信号分析单元进行数据处理，实现待测叶片振动信号的采集和处理，得到待测叶片振动信号的时域和频域特征。
所述的数据处理是指：通过待测叶片振动信号获取其时域波形、幅值和轮廓曲线，对信号进行傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换获取其频域特征。
技术效果
本发明整体解决了现有技术的占用空间大、安装和搬运不变、以及不能实现可控激励力的缺陷；与现有技术相比，本发明利用导电线圈的交变电压与固定叶片上的永磁铁形成非接触的交变力，通过振动控制器接收力传感器测量的交变力大小并与目标值进行对比进而调控输出至功率放大器的驱动电压，实现了激励力可控的功能，满足待测叶片正弦激励、随机激励和脉冲激励等各种振动实验工况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工装组件示意图；
图3为本发明的叶片组件示意图(永磁铁在下方)；
图4为本发明的叶片组件示意图(图3叶片组件翻转使永磁铁在上方)；
图5为本发明的电磁激励组件示意图(显示导电线圈)；
图6为本发明的电磁激励组件示意图(不显示导电线圈)；
图7为本发明的激光测量组件示意图；
图8为本发明的振动测试系统示意图；
图9为实施例中可编程激励力扫频曲线；
图10为实施例中叶片位移信号扫频曲线；
图中：1工装组件、2叶片组件、3电磁激励组件、4激光测量组件、5安装底板、6三角支架、7待测叶片、8叶片夹具A、9叶片夹具B、10永磁铁、11激励底座、12转接件、13力传感器、14第一垫片、15导电线圈、16第二垫片、17线圈套筒、18高精密直线滑台A、19测量底座、20激光位移传感器、21高精密直线滑台B。
具体实施方式
如图1～图7所示，本实施例中叶片组件2固定设置于工装组件1上，并通过工装组件1上的安装孔位置确定叶片组件2所在位置；电磁激励组件3固定设置于工装组件1上，并通过工装组件1上的T型槽进行定位和固定；激光测量组件4固定设置于工装组件1上，并通过工装组件1上的T型槽进行定位和固定。
如图2所示，所述的工装组件1包括：安装底板5和三角支架6，其中：安装底板5与若干三角支架6连接，并将三角支架6固定使安装底板5保持垂直状态。
如图3～图4所示，所述的叶片组件2包括：待测叶片7、叶片夹具A8、叶片夹具B9和永磁铁10，其中：待测叶片7通过叶片夹具A8和叶片夹具B9夹紧，永磁铁10固定设置于待测叶片7上。
如图5～图6所示，所述的电磁激励组件3包括：激励底座11、转接件12、力传感器13、第一垫片14、导电线圈15、第二垫片16、线圈套筒17和高精密直线滑台A18，其中：力传感器13的一侧与转接件12连接，转接件12固定设置于激励底座11上，导电线圈15嵌套在线圈套筒17外侧，导电线圈15两侧通过第一垫片14和第二垫片16夹紧并固定设置于力传感器13的另一侧，激励底座11通过安装孔固定设置于高精密直线滑台A18上，通过高精密直线滑台A18可调整导电线圈15和永磁铁10之间的距离，可用于调控相同驱动电压下交变力的最大值。
如图7所示，所述的激光测量组件4包括：测量底座19、激光位移传感器20和高精密直线滑台B21，其中：激光位移传感器20通过安装孔固定设置于测量底座19上，测量底座19通过安装孔固定设置于高精密直线滑台B21上，通过高精密直线滑台B21可调控激光位移传感器20和待测叶片7之间的距离，可确保叶片振动位移在传感器量程范围内。
如图8所示，在可编程激励力控制模块中的激励力计算单元将真实激励通过数学表达拟合为可用数学模型表达的可编程激励力并输出至振动控制器作为目标值，振动控制器接收力传感器的交变力信息并与目标值比对，并将驱动电压输出至功率放大器，通过功率放大器对导电线圈15进行供电，导电线圈15在交变电压下会产生交变的磁场，在交变磁场的作用下导电线圈15对永磁铁10产生了排斥力和吸引力导致与永磁铁10固定的待测叶片7产生振动，通过力传感器13可测得导电线圈15和永磁铁10之间的交变力大小，将力传感器13所得数据输出至振动控制器中形成闭环系统，通过振动控制器实时调控驱动电压使得力传感器13的交变力与目标值吻合。
如图8所示，激光测量组件4对待测叶片7的振动位移信号进行检测，并将数据实时地输出至数据采集仪中，叶片组件2上的叶片的加速度和叶片的动态应变通过在待测叶片7上固定加速度传感器和应变传感器进行采集，并将其他信号输出至数据采集仪中；数据采集仪采集到的数据可传输至信号分析单元进行数据处理，获得叶片振动信号的时域和频域特征。
本实施例中，对三种含不同裂纹的相同尺寸叶片施加扫频激励力，激励力幅值为0.5N，激励力频率范围为110～160Hz，扫频速率为1Hz/s，相对应的可编程激励力可表示为：F＝0.5sin(110t+0.5t2)，其中t为时间，t的范围为0～50s，力传感器测量得到的激励力扫频曲线如图9所示；由图可以看出，本装置能够将激励力控制在0.5N。
本实施例中，三种不同裂纹叶片的裂纹为沿叶片宽度方向贯穿的裂纹，尺寸分别为：1)叶片A：裂纹深度hc＝0，即无裂纹；2)叶片B：裂纹深度为hc＝1mm，裂纹位置为距离叶片根部夹持部位Lc＝15.5mm；3)叶片C：裂纹深度为hc＝1.5mm，裂纹位置为距离叶片根部夹持部位Lc＝15.5mm，激光测量组件4获取的叶片位移经过数据采集和数据处理模块得到的叶片位移信号扫频曲线如图10所示；由图中可以看出，叶片A、叶片B和叶片C峰值点对应的频率分别为139.65Hz、136.28Hz和130.97Hz，叶片无裂纹时峰值点对应的频率值最大，随着裂纹深度的增加，峰值点对应的频率值减小，是由于裂纹深度的增加导致叶片刚度减小。结果表明，本装置可用于裂纹叶片的检测。
本装置利用导电线圈15与永磁铁10，将交变的电压转换成电磁力施加在永磁铁10上，最终形成激振力作用在待测叶片7上产生振动；本装置可通过可编程激励力控制模块设置多种可编程激励力，例如：正弦激励力、随机激励力和脉冲激励力，以模拟叶片各种工况下的载荷。
本装置与现有技术相比，具有体积小、质量轻、安装方便等特点，且本装置中各种激励载荷幅值频率可控，能够设置于静止或者旋转工作台上，在叶片模态测试、振动测试以及故障叶片模拟等领域进行广泛应用。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种可编程力激励叶片振动测试装置，其特征在于，包括：工装组件以及设置于其上的叶片组件、电磁激励组件、激光测量组件、用于驱动和控制电磁激励组件的可编程激励力控制模块以及采集和处理叶片振动信号的数据采集处理模块，其中：叶片组件水平夹持待测叶片的根部，电磁激励组件和激光测量组件分别相对设置于待测叶片的上下表面两侧，可编程激励力控制模块与电磁激励组件相连并接收力传感信号并输出振动指令，数据采集处理模块与激光测量组件相连，接收位移信号并进行数据处理得到待测叶片振动信号的时域和频域特征。
2.根据权利要求1所述的可编程力激励叶片振动测试装置，其特征是，所述的工装组件包括：竖直设置的安装底板和位于其一侧与之固定连接的若干三角支架，安装底板的另一侧设有叶片组件、电磁激励组件和激光测量组件。
3.根据权利要求1或2所述的可编程力激励叶片振动测试装置，其特征是，所述的叶片组件包括：待测叶片、夹持在待测叶片根部的两个夹具和固定于待测叶片上的传感器，其中：两个夹具固定设置于工装组件上并分别与待测叶片根部的上下表面相接触。
4.根据权利要求1或2所述的可编程力激励叶片振动测试装置，其特征是，所述的电磁激励组件包括：设置于待测叶片上的永磁铁、固定于工装组件上的电磁激励直线滑台以及依次设置于其上的激励底座、力传感器和导电线圈，其中：永磁铁与导电线圈放置于叶片下表面一侧并保持非接触状态，导电线圈在交变电流下会产生交变的磁场，在交变磁场的作用下永磁铁产生了排斥力和吸引力导致待测叶片产生振动，通过力传感器测得导电线圈和永磁铁之间的交变力大小，电磁激励直线滑台调整导电线圈和永磁跌静置时的间距，调控导电线圈和永磁铁之间的最大交变力。
5.根据权利要求1或2所述的可编程力激励叶片振动测试装置，其特征是，所述的激光测量组件包括：固定于工装组件上的激光测量直线滑台和设置于其上的测量底座和激光位移传感器，其中：激光位移传感器正对待测叶片的上表面，用于接收叶片振动时的位移信号，激光测量直线滑台用于调整激光位移传感器和待测叶片之间的距离，避免由于待测叶片几何形状不同导致激光位移传感器测量超量程的状况。
6.根据权利要求1所述的可编程力激励叶片振动测试装置，其特征是，所述的可编程激励力控制模块包括：激励力计算单元、振动控制器和功率放大器，其中：激励力计算单元将真实激励力通过数学表达拟合为可编程激励力并输出至振动控制器作为目标值，振动控制器接收力传感器的交变力信号并与目标值进行比对形成驱动电压输出至功率放大器，功率放大器与电磁激励组件的导电线圈相连并对其进行供电；
所述的真实激励力是指：叶片在实际过程中受到的机械载荷和气动载荷；
所述的可编程激励力包括：正弦激励力、随机激励力和脉冲激励力。
7.根据权利要求1所述的可编程力激励叶片振动测试装置，其特征是，所述的数据采集处理模块包括：信号分析单元和数据采集仪，其中：数据采集仪接收激光测量组件上待测叶片的位移信号、固定于叶片上加速度传感器的加速度信号和固定于叶片上应变传感器的应变信号，并将所有信号输出到信号分析单元进行数据处理，实现待测叶片振动信号的采集和处理，得到待测叶片振动信号的时域和频域特征。
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