CN113804423A - 一种超高速直连驱动超转试验装置 - Google Patents

Abstract

一种超高速直连驱动超转试验装置，芯轴的一端连接离心轮，芯轴的另一端连接驱动轴；止回螺钉拧入芯轴的止回螺纹孔中，止回螺钉穿过驱动轴的径向定位孔，对驱动轴进行轴向定位；防护盖套装在芯轴上与止回螺钉对应的位置处，防止止回螺钉甩出。本发明主要应用于离心轮组件的超高速超转试验，与离心轮组件组装成一个整体，然后与试验台驱动轴对接，驱动轴带动试验装置和离心轮组件这个组合体，运转至目标转速。试验装置的设计充分考虑了离心轮的定位要求、目标转速的安全要求、结构的强度要求以及旋转轴系的转动惯量要求。同时设计两个配重面可以进行双面低速动平衡，增加平衡精度。

Description

一种超高速直连驱动超转试验装置

技术领域

本发明属于旋转零件的超转试验技术领域，特别是一种超高速直连驱动超转试验装置。

背景技术

超转试验是利用高速旋转所产生的强大离心力，在超转试验件工作转速1倍或1.25倍的试验转速下对高速旋转工件预加负载，以检查工件是否安全可靠的一种近代先进的科学试验手段。旋转工件虽可以用有限元软件等一系列分析工具进行理论计算和强度分析，但是考虑到工件形状复杂，存在应力集中，材料或加工缺陷等众多不可预知因素，使得理论分析与现实测试存在一定的差距。因此，对高速旋转工件进行超转试验就成为确保高速大应力旋转工件安全可靠的唯一手段。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超高速直连驱动超转试验装置，通过试验装置将离心轮定位紧固，并与驱动轴直接相连，保证了旋转过程的安全性；设计试验装置与离心轮的特殊定位方式，保证两者间有较高的同轴度；设计止回螺钉和防护盖的安装结构，对驱动轴进行轴向定位；同时试验装置的设计充分考虑了试验装置与离心轮组合体的转动惯量比的合理性、各阶临界转速与目标转速的避开率，同时在两个平面上设计了配重孔，便于低速动平衡处理。

本发明的技术解决方案是：

一种超高速直连驱动超转试验装置，包括：限位结构、芯轴、内六角螺钉、防护盖和止回螺钉；

芯轴的一端连接离心轮，芯轴的另一端连接驱动轴；

止回螺钉拧入芯轴的止回螺纹孔中，止回螺钉穿过驱动轴的径向定位孔，对驱动轴进行轴向定位；

防护盖套装在芯轴上与止回螺钉对应的位置处，芯轴另一端的端面上加工有螺纹孔，内六角螺钉通过螺纹孔将防护盖固定安装在芯轴上；

限位结构用于限制离心轮的轴向位置。

芯轴另一端的端面加工有六方孔，所述六方孔与驱动轴配合。

可选地，还包括：压紧螺母；

芯轴的一端加工有限位台阶，压紧螺母与芯轴通过螺纹副连接，离心轮位于限位台阶与压紧螺母之间；所述限位台阶和压紧螺母作为限位结构。

所述压紧螺母朝向外侧的端面加工有周向均布的配重孔。

所述芯轴上设置有花键段；

所述花键段与离心轮的内孔配合。

芯轴的一端加工有第一定位台阶，第一定位台阶的外壁作为定位面II；

所述定位面II)与离心轮的内壁过盈配合。

所述芯轴上设置有螺纹段；

所述螺纹段与压紧螺母配合。

芯轴的一端加工有第二定位台阶，第二定位台阶的外壁作为定位面I；

所述定位面I与离心轮的内壁过盈配合。

所述螺纹段、第一定位台阶、花键段、第二定位台阶和限位台阶沿轴向依次设置。

限位台阶朝向外侧的端面加工有配重孔。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的直连驱动设计。驱动轴与试验装置之间采用直接连接驱动的方式，摒弃了传统的法兰转接等间接驱动形式。这样试验的驱动扭矩传递给试验装置时是驱动轴尾部的六方受力，而法兰转接驱动此受力薄弱点是法兰的固定螺栓，从而大大提高了试验装置的安全可靠性，更加适用于超高转下的恶劣工况。

(2)本发明的试验装置与离心轮通过花键传递扭矩，比现有技术更加可靠，同时花键结构在反复装配时能够更好地保证装配相位的一致性。

(3)本发明的定位精度高。有现有技术的间隙配合或单面过盈配合相比，本发明采用双面两端的过盈定位方案，确保芯轴与离心轮具有较高的同轴度，消除由装配偏心引起的不平衡量；同时根据旋转过程中离心轮与试验装置的不同线膨胀量，两个定位面设计不同的过盈尺寸，在不提高安装难度的前提下，保证整个旋转过程中两个定位面始终处于过盈状态，从而保证了组合体在超高速旋转过程中的稳定性。

(4)本发明在超高转速下稳定性好。通过结构尺寸设计，提高试验装置与离心轮组合体的极转动惯量与直径转动惯量之间的差异，两者的差异率在30％以上，差异率越大，组合体在超高速下的旋转状态越稳定。同时设计组合体各阶临界转速避开目标转速30％以上，避免目标转速下发生共振。

(5)本发明的防松脱设计。止回螺钉结构的设计将驱动轴贯穿并轴向定位，防止其窜动，同时设计防护盖结构，防止旋转时止回螺钉在离心力和高频振动下松脱甩出。现有技术通过销钉和防护环实现以上功能，但销钉贯穿位置在驱动轴六方处，降低了驱动轴的结构强度，且销钉安装拆卸困难，防护环容易损坏，防护效果不佳。止回螺钉和防护盖的设计在满足防松脱要求的同时，最大限度保证了驱动轴的强度，降低了试验风险和安装拆卸难度，大大提高了工作效率和可靠性。

(6)本发明的双面配重孔设计。在压紧螺母和芯轴上设计了两个面的配重孔，在试验装置与离心轮组合体进行低速动平衡时可在两处配重孔两处增加螺钉进行动平衡处理，不需去重，提高试验效率和试验容错率；同时设计两个配重面可以进行双面低速动平衡，增加平衡精度。

附图说明

图1为本发明超转试验装置装配示意图；

图2(a)为本发明芯轴结构图；

图2(b)为本发明芯轴的六方孔示意图；

图3为本发明压紧螺母结构图；

图4为本发明试验数据示意图。

具体实施方式

本发明试验目标转速80000r/min，属于超高转速超转试验，试验风险较大，对试验装置的定位和对中性能要求极高，而对转子系统的稳定性控制也是一个难点问题。现有试验装置与驱动轴的连接均采用法兰转接这种间接驱动形式，对低转速下的试验可以满足要求，但针对超高速超转试验，必须采用直连驱动方式。

一种超高速直连驱动超转试验装置，包括：限位结构、芯轴5、内六角螺钉1、压紧螺母4、防护盖2和止回螺钉3。

芯轴5的一端连接离心轮，芯轴5的另一端连接驱动轴；止回螺钉3拧入芯轴5的止回螺纹孔502中，止回螺钉3穿过驱动轴的径向定位孔，对驱动轴进行轴向定位；防护盖2套装在芯轴5上与止回螺钉3对应的位置处，芯轴5另一端的端面上加工有螺纹孔501，内六角螺钉1通过螺纹孔501将防护盖2固定安装在芯轴5上；

限位结构用于限制离心轮的轴向位置。

芯轴5另一端的端面加工有六方孔503，所述六方孔503与驱动轴配合。驱动轴插入芯轴5的六方孔503，旋转时通过驱动轴的外六方与芯轴5六方孔503的配合进行扭矩传递；芯轴5的一端加工有限位台阶，压紧螺母4与芯轴5通过螺纹副连接，离心轮位于限位台阶与压紧螺母4之间；所述限位台阶和压紧螺母4作为限位结构。

所述压紧螺母4朝向外侧的端面加工有周向均布的配重孔401。如图3所示。

所述芯轴5上设置有花键段505；所述花键段505与离心轮的内孔配合。

芯轴(5)的一端加工有第一定位台阶，第一定位台阶的外壁作为定位面II(507)；所述定位面II(507))与离心轮的内壁过盈配合。

所述芯轴5上设置有螺纹段504；所述螺纹段504与压紧螺母4配合。压紧螺母4拧紧在芯轴5的螺纹段504，通过拧紧力矩压住离心轮。

芯轴5的一端加工有第二定位台阶，第二定位台阶的外壁作为定位面I506；所述定位面I506与离心轮的内壁过盈配合。芯轴5穿过离心轮轴孔，通过定位面I506、定位面II507进行定位安装。

螺纹段504、第一定位台阶、花键段505、第二定位台阶和限位台阶沿轴向依次设置。

限位台阶朝向外侧的端面加工有配重孔。

止回螺钉3拧入芯轴5的止回螺纹孔502中，贯穿驱动轴的径向定位孔，对驱动轴进行轴向定位；

将防护盖2罩在芯轴5端部，盖住芯轴5的止回螺纹孔502，防止旋转时止回螺钉3在离心力和高频振动下甩出；

将M3内六角螺钉1拧入芯轴5的M3螺纹孔501中，压住防护盖2。

为了保证超高速状态下的安全性，驱动轴与试验装置之间采用直接连接驱动的方式，摒弃了传统的法兰转接等间接驱动形式。

离心轮与芯轴5通过花键段505传递扭矩，同时保证装配相位的一致性；离心轮与芯轴5之间的定位通过定位面I506和定位面II507实现，双面两端定位确保芯轴与离心轮具有较高的同轴度，消除由装配偏心引起的不平衡量；芯轴5选用与离心轮相同的的钛合金材料，但结构形式和尺寸的不同导致同种材料的线膨胀系数产生差异，通过计算在目标转速下，定位面I506处离心轮比芯轴5多膨胀0.021mm，定位面II507处离心轮比芯轴5多膨胀0.018mm，根据以上计算结果，定位面I506处配合过盈量设计为0.025mm，定位面II507处配合过盈量设计为0.020mm，保证整个旋转过程中两个定位面始终处于过盈状态，从而保证了组合体在超高速旋转过程中的稳定性。

为了保持超高速状态下的稳定性，避免升速过程中出现自激励振动，将本试验装置与离心轮装配后组合体的极转动惯量与直径转动惯量进行比对，两者的结果的差异率在30％以上。

为了保证目标转速下的稳定性和安全性，避免试验转速下发生共振，需保证目标转速与试验装置和离心轮组合体的各阶临界转速有足够的避开率，经计算，组合体一阶临界转速为310rpm、二阶临界转速为18322rpm、三阶临界转速为121920rpm，组合体各阶临界转速与目标转速80000rpm都有30％以上的避开率。

止回螺钉3贯穿驱动轴的位置位于驱动轴直径最大处，保证了驱动轴的强度可靠性。

在压紧螺母4上设计了配重孔401、在芯轴5上设计了配重孔508，在试验装置与离心轮组合体进行低速动平衡时可在配重孔401和配重孔508两处增加螺钉进行动平衡处理，不需去重，提高试验效率和试验容错率；同时设计两个配重面可以进行双面低速动平衡，增加平衡精度。

实施例

如图1所示，本发明一种超高速直连驱动超转试验装置，包括：M3内六角螺钉1、防护盖2、止回螺钉3、压紧螺母4、芯轴5；M3内六角螺钉1为不锈钢材料，防护盖2、止回螺钉3、压紧螺母4、芯轴5均为钛合金材料。

如图2(a)所示，芯轴5穿过离心轮轴孔，通过定位面I506、定位面II507进行定位安装；压紧螺母4拧紧在芯轴5的螺纹段504，通过拧紧力矩压住离心轮；驱动轴插入芯轴5的六方孔503，旋转时通过驱动轴的外六方与芯轴5六方孔503的配合进行扭矩传递；止回螺钉3拧入芯轴5的止回螺纹孔502中，贯穿驱动轴的径向定位孔，对驱动轴进行轴向定位；将防护盖2罩在芯轴5端部，盖住芯轴5的止回螺纹孔502，防止旋转时止回螺钉3在离心力和高频振动下甩出；将M3内六角螺钉1拧入芯轴5的M3螺纹孔501中，压住防护盖2。

驱动轴下端六方插入试验装置，通过止回螺钉3限位，上端连接于试验台，试验台带动驱动轴旋转，驱动轴通过芯轴5的六方孔503将扭矩传递给试验装置，带动其旋转。六方孔503如图2(b)所示。

利用一种超高速直连驱动超转试验装置对某离心轮试验件进行超转试验测试，所得某次试验数据如图4所示。图中横坐标为试验时间，纵坐标依次分别为振动位移、真空度和转速。试验从0开始逐渐升速至80000r/min，保持5分钟后降速至3000r/min，然后再次升速至80000r/min，再保持5分钟，随后降速至0。图中三条曲线分别振动位移、真空度和转速曲线。

从图中可以看出振动位移曲线初始值很小，说明试验装置和离心轮组合体不平衡量较小，对中精度较高；振动位移曲线在极低转速(300r/min)和23000r/min两处有明显峰值，说明此两处为试验装置和离心轮组合体的前两阶临界转速，与目标转速80000r/min相差较大，当越过二阶临界转速后，转速逐渐升高至目标转速，试验件振动量级逐渐降低，振动曲线平稳，表明目标转速与组合体各阶临界转速有足够的避开率，避免共振现象发生。整个试验过程的试验曲线平稳，表明本发明的试验装置转动惯量设计合理，定位传扭方式可靠，在超高速旋转过程中，有足够的稳定性。

将同批次多件不同产品安装于本试验装置，进行多轮次超转试验，试验装置在多轮试验中未发生与离心轮定位失效问题，也未发现驱动轴与试验装置连接松脱现象，验证了本发明试验装置的安全可靠。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于，包括：限位结构、芯轴(5)、内六角螺钉(1)、防护盖(2)和止回螺钉(3)；

芯轴(5)的一端连接离心轮，芯轴(5)的另一端连接驱动轴；

止回螺钉(3)拧入芯轴(5)的止回螺纹孔(502)中，止回螺钉(3)穿过驱动轴的径向定位孔，对驱动轴进行轴向定位；

防护盖(2)套装在芯轴(5)上与止回螺钉(3)对应的位置处，芯轴(5)另一端的端面上加工有螺纹孔(501)，内六角螺钉(1)通过螺纹孔(501)将防护盖(2)固定安装在芯轴(5)上；

限位结构用于限制离心轮的轴向位置。

2.根据权利要求1所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于，芯轴(5)另一端的端面加工有六方孔(503)，所述六方孔(503)与驱动轴配合。

3.根据权利要求1所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于，还包括：压紧螺母(4)；

芯轴(5)的一端加工有限位台阶，压紧螺母(4)与芯轴(5)通过螺纹副连接，离心轮位于限位台阶与压紧螺母(4)之间；所述限位台阶和压紧螺母(4)作为限位结构。

4.根据权利要求3所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：所述压紧螺母(4)朝向外侧的端面加工有周向均布的配重孔(401)。

5.根据权利要求3或4所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：所述芯轴(5)上设置有花键段(505)；

所述花键段(505)与离心轮的内孔配合。

6.根据权利要求5所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：芯轴(5)的一端加工有第一定位台阶，第一定位台阶的外壁作为定位面II(507)；

所述定位面II(507))与离心轮的内壁过盈配合。

7.根据权利要求6所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：所述芯轴(5)上设置有螺纹段(504)；

所述螺纹段(504)与压紧螺母(4)配合。

8.根据权利要求7所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：芯轴(5)的一端加工有第二定位台阶，第二定位台阶的外壁作为定位面I(506)；

所述定位面I(506)与离心轮的内壁过盈配合。

9.根据权利要求8所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：所述螺纹段(504)、第一定位台阶、花键段(505)、第二定位台阶和限位台阶沿轴向依次设置。

10.根据权利要求9所述的一种超高速直连驱动超转试验装置，其特征在于：限位台阶朝向外侧的端面加工有配重孔。

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