CN113899539B - 一种双转子轴承机匣实验系统 - Google Patents

Abstract

一种双转子轴承机匣实验系统，涉及旋转机械实验设备领域。本发明含有水平基座、驱动电机、变频器、低速转子、高速转子、机匣以及数据采集与处理系统；在机匣内设有中介轴承和弹性中介支承件，高速转子和低速转子可独立控制转速。本发明的双转子实验系统采用“头对头”的结构形式，两个转子可以从机匣的两端分别安装，解决了双转子“轴套轴”结构所带来的拆装复杂，不便于安装和维护的缺陷，进而增加了灵活性。同时转子的整体结构形式与航空发动机转子结构相近，能够有效地模拟航空发动机的双转子动力学特性，以及进行双转子激励下的轴承和机匣结构振动传递特性等方面的实验，从而为双转子系统的轴承振动故障识别与分析提供依据。

Description

一种双转子轴承机匣实验系统

技术领域

本发明涉及一种旋转机械实验设备，特别涉及一种双转子轴承机匣实验系统，属于旋转机械模拟实验设备及性能测试技术领域。

背景技术

航空发动机是飞机的关键部件之一，其性能和可靠性直接影响着飞机的性能和飞行安全。随着航空发动机的推重比不断提高，发动机的级数增加，为了提高效率，通常采用双转子结构，内外转子采用不同的转速，使高压、低压的压气机和透平在更佳的条件下工作。为提高推重比，常将高压转子后支点通过中介轴承支承在低压转子上，而高低压转子的其他支点则通过轴承与框架支承在机匣上。整个转子与支承的结构构成了双转子轴承机匣系统，各个部分的振动具有很强的耦合，系统的动力学特性非常复杂。

航空发动机中介轴承又是发动机关键零件之一，中介轴承不但在性能方面制约着发动机的性能，而且直接影响发动机的可靠性和寿命。中介轴承一旦失效会导致系统精度降低，振动急剧加大，引发动静碰摩，甚至抱轴和断轴，引起整机的失效，带来不可预计的后果。因此，对发动机中介轴承进行状态监测与性能评估，及时诊断出轴承的早期故障，对飞机的安全运行具有非常重要的意义。

目前已有的双转子轴承机匣系统实验台，研究者根据研究目的的不同采用了不同形式的转子结构，但目前已有的实验系统仍存在以下缺点：一、“轴套轴”内外转子形式的双转子机匣结构拆装繁琐，不利于支撑轴承及中介轴承的故障研究；二、现有技术中的双转子实验系统的结构并不适合用来进行轴承故障的模拟实验；三、转子到机匣的传递路径不明确，难以准确评估系统的结构形式、模型参数等对振动特征的传递特性造成的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种双转子轴承机匣实验系统，一方面使转子的整体结构形式与航空发动机转子结构相近，能够有效地模拟航空发动机的运行状态，从而为航空发动机的双转子动力学特性，以及转子故障、轴承故障、振动传递等方面的研究提供重要的实验数据；另一方面解决现有的双转子实验系统采用“轴套轴”的双转子形式所存在的安装复杂，拆装维护不便的缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种双转子轴承机匣实验系统，该实验系统包括水平基座、低速转子轴、高速转子轴、机匣、低速转子轴机匣轴承、高速转子轴机匣轴承、驱动装置以及数据采集与处理系统；其特征在于：在所述的机匣内设有中介轴承和弹性中介支承件，所述的驱动装置包括低速转子驱动电机和高速转子驱动电机，低速转子轴的一端通过低速转子联轴器与低速转子驱动电机的输出轴连接，低速转子轴的另一端通过低速转子轴机匣轴承与中介轴承的内圈固定连接；高速转子轴的一端通过高速转子联轴器与高速转子驱动电机的输出轴连接，高速转子轴的另一端通过高速转子轴机匣轴承与安装在高速转子轴上的弹性中介支承件固定连接；中介轴承的外圈与弹性中介支承件固定连接。

优选地，所述的弹性中介支承件采用鼠笼式结构，鼠笼式结构通过法兰安装在高速转子轴上；所述中介轴承的外圈嵌入到鼠笼式结构的内部且固定在一起。

优选地，所述的水平基座的上表面带有T型槽。

进一步地，在所述的低转速子轴上安装有第一低速转子轮盘和第二低速转子轮盘,第一低速转子轮盘位于机匣的外部，第二低速转子轮盘位于机匣的内部。所述第一低速转子轮盘和第二低速转子轮盘分别通过胀紧套的方式安装在低速转子轴上。

进一步地，在所述的高速转子轴上安装有第一高速转子轮盘和第二高速转子轮盘，第一高速转子轮盘和第二高速转子轮盘均位于机匣的内部；所述的第一高速转子轮盘和第二高速转子轮盘分别通过胀紧套的方式安装在高速转子轴上。

上述技术方案中，所述数据采集与处理系统包括设置在低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器、设置在高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器、设置在机匣中间部位的竖直方向加速度传感器、设置在机匣中间部位的水平方向加速度传感器、信号调理器、信号采集卡和包含数据采集软件及实时显示的计算机系统；所述低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器、高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器、机匣中间部位的竖直方向加速度传感器和机匣中间部位的水平方向加速度传感器采集的电信号分别通过传感器信号线输入至信号调理器进行调理，然后由信号采集卡将信号输出至包含数据采集软件及实时显示的计算机系统进行计算、分析及存储。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①、该系统同时包含了双转子、机匣和轴承，转子的整体结构形式与航空发动机转子结构相近，能够有效地模拟航空发动机的双转子动力学特性；②、该双转子实验系统采用“头对头”的结构形式，解决了双转子“轴套轴”结构形式所带来的拆装繁琐，不便于安装和维护的缺陷；同时可进行在不同工作条件下带机匣的双转子结构的动力学特性、双转子激励下的轴承和机匣结构振动传递特性、双转子支撑轴承及中介轴承的故障特性等方面的研究；③、中介轴承的振动在低速转子方向通过一个轮盘、机匣轴承传递到机匣上，在高速转子方向通过整个高速转子、机匣轴承传递到机匣上，振动传递路径相似，便于研究系统的结构形式、模型参数等对振动特征的传递特性造成的影响；此外，高速转子和低速转子可独立控制转速。

总之，本发明有助于研究双转子结构下特有的轴承故障机理，以及振动特征在转子轴承机匣结构中的传递特性，为双转子系统的轴承振动故障识别与分析提供依据，同时也能够为实际的航空发动机双转子的设计制造提供实验数据参考，在航空发动机设计制造及故障诊断领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为双转子轴承机匣实验系统的整体结构示意图。

图2为低速转子轴及相关部件装配示意图。

图3为高速转子轴及相关部件装配示意图。

图4为弹性中介支撑件的三维立体图。

图中：1-双转子轴承机匣实验台；2-低速转子驱动电机；3-水平基座；4-低速转子联轴器；5-低速转子轴承座；6-低速转子轴；7-第一低速转子轮盘；8-第二低速转子轮盘；9-机匣；10-第一高速转子轮盘；11-第二高速转子轮盘；12-高速转子轴；13-高速转子联轴器；14-高速转子驱动电机；15-低速转子轴机匣轴承；16-中介轴承；16a-中介轴承内圈；16b-中介轴承外圈；17-弹性中介支承件；18-高速转子轴机匣轴承；19a-低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器；19b-机匣中间部位的竖直方向加速度传感器；19c-机匣中间部位的水平方向加速度传感器；19d-高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器；20-低速电机变频器；21-高速电机变频器；22-传感器信号线；23-信号调理器；24-信号采集卡；25-包含数据采集软件及实时显示的计算机系统。

具体实施方式

下面结合附图对双转子轴承机匣实验系统的整体结构、工作原理和工作过程进行详细说明。

图1为双转子轴承机匣实验系统整体结构示意图，该系统主要包括水平基座3、低速转子驱动电机2、低速转子联轴器4、低速转子轴承座5、低速转子轴6、机匣9、低速转子轴机匣轴承15、中介轴承16、弹性中介支承件17、高速转子轴12、高速转子轴机匣轴承18、高速转子驱动电机14、高速转子联轴器13以及数据采集与处理系统；中介轴承16和弹性中介支承件17设置在所述的机匣9内。低速转子轴6的一端通过低速转子联轴器4与低速转子驱动电机2的输出轴连接，低速转子轴的另一端通过低速转子轴机匣轴承15与中介轴承16的内圈16a固定连接，构成低速转子；高速转子轴12的一端通过高速转子联轴器13与高速转子驱动电机14的输出轴连接，高速转子轴的另一端通过高速转子轴机匣轴承18与安装在高速转子轴12上的弹性中介支承件17固定连接，构成高速转子；中介轴承16的外圈16b与弹性中介支承件17固定连接，从而构成一个整体转子。

高速转子和低速转子可独立控制转速。低速转子驱动电机2通过低速电机变频器20进行转速控制；高速转子驱动电机14通过高速电机变频器21进行转速控制，可调节正转或反转。由于两台驱动电机安装方向相反，因此设置低速电机正转，高速电机反转，以实现双转子以相同的方向旋转。如果要实现双转子反向旋转，可设置高速电机正转。水平基座3的上表面带有T型槽，机匣和两端电机底座都安装在带T型槽的水平基座上。

所述的数据采集与处理系统包括设置在低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器19a、设置在高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器19d、设置在机匣中间部位的竖直方向加速度传感器19b、设置在机匣中间部位的水平方向加速度传感器19c、信号调理器23、信号采集卡24和包含数据采集软件及实时显示的计算机系统25；所述低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器19a、高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器19d、机匣中间部位的竖直方向加速度传感器19b和机匣中间部位的水平方向加速度传感器19c采集的电信号分别通过传感器信号线22输入至信号调理器23进行调理，然后由信号采集卡24将信号输出至包含数据采集软件及实时显示的计算机系统25进行计算、分析及存储。

图2为低速转子轴及相关部件装配示意图，在所述的低速转子轴6上安装有第一低速转子轮盘7和第二低速转子轮盘8，第一低速转子轮盘7安装在低速转子轴承座5和低速转子轴机匣轴承15之间的低速转子轴6上，位于机匣9的外部；第二低速转子轮盘8安装在低速转子轴机匣轴承15和中介轴承16之间的低速转子轴6上，位于机匣9的内部；两个低速转子轮盘分别通过胀紧套的方式安装在低速转子轴6上。

图3为高速转子轴及相关部件装配示意图，在所述的高速转子轴12上安装有第一高速转子轮盘10和第二高速转子轮盘11，第一高速转子轮盘10和第二高速转子轮盘11安装在高速转子轴机匣轴承18和弹性中介支承件17之间的高速转子轴12上，均位于机匣的内部，且分别通过胀紧套的方式安装在高速转子轴12上。

图4为弹性中介支撑件17的三维立体图。中介轴承内圈16a通过胀紧套的方式安装在低速转子轴6上，中介轴承外圈16b通过压紧的方式直接嵌入到弹性中介支承件17的内部，弹性中介支承件17的法兰端则安装在位于高速转子轴12一端的安装盘上，这种连接方式使得两个转子可以从机匣的两端分别安装，增加了灵活性，便于中介轴承的组装和拆卸。弹性中介支承件17优选采用鼠笼式结构，鼠笼式结构通过法兰安装在高速转子轴12上；所述中介轴承16的外圈16b嵌入到鼠笼式结构的内部且固定在一起。

所述的双转子轴承机匣实验系统中存在多个滚动轴承，每个轴承均处在不同的振动传递结构中，承受不同的转子载荷。由于中介轴承的振动耦合作用，双转子的机匣轴承不仅要承受所处轴承的载荷，还要承受传递自另一个转子的载荷。中介轴承作为承接高速转子和低速转子的轴承，受到两个转子载荷的相互作用，其振动在低速转子方向通过一个轮盘、机匣轴承传递到机匣上，在高速转子方向通过整个高速转子、机匣轴承传递到机匣上，振动传递路径相似，便于研究系统的结构形式、模型参数等对振动特征的传递特性造成的影响。

采用线切割或电火花的方法，在滚动轴承的外圈、内圈、滚动体表面加工不同宽度、深度的凹槽缺陷，模拟不同的轴承局部故障，从而可通过更换中介轴承和机匣轴承实现双转子激励下的轴承故障特性研究。更换轴承时，需要对整个双转子系统进行拆装。双转子的安装采用从中间到两边的方式，初次安装调整后，固定机匣和两端电机底座的位置。安装转子时，将两个转子及其轴承座各自安装为一个整体，先装入低速转子轴及相关部件，再装入高速转子轴及相关部件，固定完成后再装上两端电机，最后接入电源和传感器。拆卸的顺序和安装相反。这种“头对头”的结构形式使得两个转子可以分别从机匣的两端进行拆装，增加了灵活性。初次安装时，应对零件加工误差导致的竖直方向的尺寸误差采用垫片的方式对中，水平方向的误差则利用安装余隙进行调整，并对合适的位置进行标记。每次拆装轴承后，也都需要使用高度尺或百分尺对双转子进行对中的调整与确认，最大程度减小不对中的影响，使实验台每次的运行条件尽量相同。

实验过程中，首先打开信号调理器、信号采集卡，设定采集软件中此组数据文件名；等待加速度传感器趋势项降到最小之后，轻轻敲击机匣，观察各传感器是否能正常捕捉到冲击，并手动确认双转子均可无障碍转动，传感器线路没有干涉。确认无误后，将变频器的转频分别设定为目标值，启动两个驱动电机。待电机转速稳定，即可开始进行信号采集。若要进行双转子轴承机匣实验台在不同工作条件下的实验，可重新设定两个驱动电机的转频，重复上述信号采集操作。实验结束时，停止电机，切断电机电源，最后关闭采集软件、信号调理器、信号采集卡。

Claims (5)

1.一种模拟航空发动机双转子动力学特性的实验系统，该实验系统包括水平基座（3）、低速转子轴（6）、高速转子轴（12）、机匣（9）、低速转子轴机匣轴承（15）、高速转子轴机匣轴承（18）、驱动装置、中介轴承（16）、弹性中介支承件（17）以及数据采集与处理系统；所述的驱动装置包括低速转子驱动电机（2）和高速转子驱动电机（14）；低速转子轴（6）的一端通过低速转子联轴器（4）与低速转子驱动电机（2）的输出轴连接，低速转子轴的另一端通过低速转子轴机匣轴承（15）与中介轴承（16）的内圈（16a）固定连接；高速转子轴（12）的一端通过高速转子联轴器（13）与高速转子驱动电机（14）的输出轴连接；在低速转子轴（6）上安装有第一低速转子轮盘（7）和第二低速转子轮盘（8）；在高速转子轴（12）上安装有第一高速转子轮盘（10）和第二高速转子轮盘（11），其特征在于：第二低速转子轮盘（8）、中介轴承（16）、弹性中介支承件（17）、第一高速转子轮盘（10）和第二高速转子轮盘（11）依次布置在机匣（9）内；高速转子轴的另一端通过高速转子轴机匣轴承（18）与安装在高速转子轴(12)上的弹性中介支承件（17）固定连接；中介轴承（16）的外圈（16b）与弹性中介支承件（17）固定连接；

所述数据采集与处理系统包括设置在低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器（19a)、设置在高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器（19d）、设置在机匣中间部位的竖直方向加速度传感器（19b）、设置在机匣中间部位的水平方向加速度传感器（19c）、信号调理器（23）、信号采集卡（24）和包含数据采集软件及实时显示的计算机系统（25）；所述低速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器（19a)、高速转子轴机匣轴承上的竖直方向加速度传感器（19d）、机匣中间部位的竖直方向加速度传感器（19b）和机匣中间部位的水平方向加速度传感器（19c）采集的电信号分别通过传感器信号线（22）输入至信号调理器（23）进行调理，然后由信号采集卡（24）将信号输出至包含数据采集软件及实时显示的计算机系统（25）进行计算、分析及存储。

2.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机双转子动力学特性的实验系统,其特征在于：所述的弹性中介支承件（17）采用鼠笼式结构，鼠笼式结构通过法兰安装在高速转子轴（12）上；所述中介轴承（16）的外圈（16b）嵌入到鼠笼式结构的内部且固定在一起。

3.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机双转子动力学特性的实验系统,其特征在于：所述的水平基座（3）的上表面带有T型槽。

4.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机双转子动力学特性的实验系统,其特征在于：所述第一低速转子轮盘（7）和第二低速转子轮盘（8）分别通过胀紧套的方式安装在低速转子轴（6）上。

5.如权利要求1所述的一种模拟航空发动机双转子动力学特性的实验系统,其特征在于：所述的第一高速转子轮盘（10）和第二高速转子轮盘（11）分别通过胀紧套的方式安装在高速转子轴（12）上。

Images