CN114813141A - 一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台及其测试方法；本发明借助于碰摩装置，可实现对碰摩参数的精确调节；通过在滑轨上的轴向移动，不仅可实现对多盘‑毂筒‑螺栓连接结构各个盘进行碰摩实验，同时可对高压涡轮盘进行碰摩测试；通过加装弹簧限位锁紧螺母与碰摩间隙锁紧螺母，避免碰摩过程中由于振动引起的弹簧限位螺母与碰摩间隙调节螺母的松动，保证碰摩测试的稳定性；通过旋紧与放松碰摩间隙调节螺母和更换不同线径的外弹簧可实现对碰摩间隙和碰摩刚度的调节；可以广泛考虑螺栓预紧力大小、螺栓拧紧工艺、碰摩形式、碰摩间隙、碰摩刚度、碰摩位置及上述参数的组合对整个转子系统的固有特性及动态特性的影响。

Description

一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台及其测试方法

技术领域

本发明属于航空发动机螺栓连接转子系统碰摩故障工况振动测试技术领域，涉及一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台及其测试方法，是一种分析螺栓预紧力、螺栓拧紧工艺、碰摩形式、碰摩刚度、碰摩间隙、碰摩位置及其组合参数对转子系统振动特性影响的实验台和测试方法。

背景技术

螺栓连接结构是航空发动机中连接各个零部件的常用结构，连接结构在一定程度上决定着航空发动机转子系统动力学特性。在传统转子动力学研究中，通常将转子系统看作一个连续整体，忽略螺栓连接结构对转子系统振动特性的影响。事实上，带有大量螺栓连接结构的转子系统固有特性和动态特性与完整转子系统之间存在很大差别，比如工作中接合面接触状态变化和连接刚度软化现象，容易造成振动幅值增大、临界转速变化、诱发碰摩故障及振动特性不稳定等问题。

在现代航空发动机的设计制造中，为了提高效率，会尽可能缩减转子-机匣间隙，而由螺栓连接结构刚度软化效应造成转子系统振动幅值增大与振动特性不稳定极易引发碰摩故障，严重影响发动机性能与飞行安全。同时，转子与机匣的摩擦冲击导致连接结构力学特性和接合面接触状态剧烈变化，造成振动加剧，进一步诱发故障产生。所以考虑螺栓连接结构与碰摩耦合作用下转子系统振动特性仍需深入研究。

目前国内外转子动力学与非线性振动领域的研究人员已经揭示了螺栓预紧力、螺栓拧紧工艺、碰摩形式、碰摩位置、碰摩刚度、碰摩间隙及其组合参数对转子动力学特性的重要影响，针对各种故障非线性响应特征，对航空发动机的性能、可靠性和安全性进行了大量的理论研究，而对转子系统中连接结构诱发的碰摩故障和碰摩故障导致连接结构性能变化的研究尚不多见，因此针对航空发动机碰摩参数与螺栓连接参数对转子系统动力学特性影响的理论与试验研究具有重要意义。为实现以上目标，需要结合航空发动机结构特点，对以上参数及其组合参数进行对照研究。因此，需要一种能够实现以上所有情况的多盘螺栓连接转子碰摩实验台。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明提供一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台及其测试方法。在结构方面，本发明为航空发动机转子系统碰摩故障的一种简化模型，并将高压压气机长螺栓连接结构设计为多盘-毂筒-螺栓连接结构。多盘-毂筒-螺栓连接结构通过止口辅助对中，同时毂筒的螺孔设有六边形沉头孔，减少不对中与毂筒相对转动对测试的影响。碰摩装置可通过滑轨和调节螺栓调节碰摩位置与碰摩间隙，碰摩装置可通过更换线径不同的弹簧实现碰摩刚度调节，同时碰摩装置可以更换单点碰摩模拟装置和转子-机匣碰摩模拟装置，分别模拟高压转子系统的单点碰摩及转子-机匣碰摩故障。碰摩装置内置弹簧避免伸缩杆与弹簧限位器之间的刚性碰撞，进一步提高装置稳定性。在此基础上可以改变螺栓预紧力、螺栓拧紧工艺、碰摩刚度，碰摩位置、碰摩间隙与碰摩类型(定点碰摩与转子-机匣碰摩)，研究上述参数及其组合参数对多盘螺栓连接转子系统的转子动力学特性的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台，主要由电气驱动及控制系统A、高压转子系统B、碰摩系统C、测试传感系统D和基座15组成。

所述的基座15上安装有多颗螺栓用于固定电机支架3、轴承座支架10、电涡流传感器支架14和碰摩装置支架13；且基座15上设有滑轨11。

所述的电气驱动及控制系统A包括通过与电控箱支架固定安装于地面的电控箱1与电控箱1驱动的转子变频电机2；所述电控箱1通过变频器调节转子变频电机2的转速以实现对不同转速下的碰摩测试；转子变频电机2固定于过电机支架3上，电机支架3通过螺栓固定于基座15上；转子变频电机2通过柔性联轴器9将扭转传递给高压转子系统B。

所述的高压转子系统B，主要由转轴、多盘-毂筒-螺栓连接结构5、高压涡轮盘16、三个轴承座支架10、第一轴承与轴承座4、第二轴承与轴承座6、第三轴承与轴承座8组成；

所述多盘-毂筒-螺栓连接结构5由两个带裙边的毂筒与四个转子通过对合组成，各毂筒与转子分别通过止口进行辅助对中；同时毂筒边沿设有一圈沉头螺孔，毂筒与转子通过长螺栓连接；两毂筒与转轴过盈配合，且毂筒中心设有螺孔通孔，通过螺栓与转轴连接以保证配合的紧密度；

所述转轴共两根，其中一根转轴的一端与多盘-毂筒-螺栓连接结构5的一个毂筒中心通孔过盈配合形成整体并通过第一轴承与轴承座4和一个轴承座支架10固定于基座15上，另一端与柔性联轴器9相连，另一根转轴的一端与多盘-毂筒-螺栓连接结构5的另一个毂筒中心过盈配合形成整体并通过第二轴承与轴承座6、第三轴承与轴承座8和两个轴承座支架10固定于基座15上；高压涡轮盘16通过平行键安装于第二轴承与轴承座6、第三轴承与轴承座8之间的转轴上。

所述的碰摩系统C主要由碰摩装置12与碰摩装置支架13组成，碰摩装置支架13通过螺栓固定于基座15的滑轨11内，使碰摩系统C可沿转轴轴向位置滑动，分别进行多盘-毂筒-螺栓连接结构5及高压涡轮盘16的碰摩实验测试；

所述碰摩装置12，主要由固定装置20、碰摩间隙调节螺栓19、碰摩间隙调节螺母18、碰摩间隙锁紧螺母17、外弹簧25、内弹簧24、弹簧限位器23、伸缩杆26、碰摩模拟装置27、弹簧限位螺母21和弹簧限位锁紧螺母22组成；固定装置20的下部设有多个螺纹孔，通过螺栓与碰摩装置支架13顶部侧面相固定；固定装置20和弹簧限位器23为竖向的平板结构，相对布置，二者均设有多个相对应的通孔，固定装置20通过多个碰摩间隙调节螺栓19和碰摩间隙调节螺母18与弹簧限位器23连接，碰摩间隙锁紧螺母17位于碰摩间隙调节螺母18外侧，二者形成双螺母形式，实现对碰摩间隙的锁紧；固定装置20和弹簧限位器23的中部设有横向的圆筒结构作为弹簧罩，两个弹簧罩的位置相对应，且固定装置20上的弹簧罩直径大于弹簧限位器23上的弹簧罩直径，固定装置20上的弹簧罩的前端包裹弹簧限位器23上的弹簧罩的前端，弹簧罩的前端和尾端均为开口结构，且弹簧限位器23上的弹簧罩前端设有卡口；内弹簧24置于弹簧限位器23上的弹簧罩内；外弹簧25置于固定装置20上的弹簧罩内，且前端位于弹簧限位器23上的弹簧罩外侧；伸缩杆26的前端设有卡口，下端为螺纹表面，伸缩杆26的前端依次穿过外弹簧25和内弹簧24，伸缩杆26的前端的卡口以及弹簧限位器23上的弹簧罩前端的卡口将内弹簧24限制在弹簧罩内，弹簧限位螺母21和弹簧限位锁紧螺母22位于固定装置20的外侧且位于伸缩杆26的中部，形成双螺母形式，实现外弹簧25和内弹簧24的锁紧；伸缩杆26的尾端与碰摩模拟装置27通过螺纹连接，实现与高压转子系统B的单点碰摩及转子-机匣碰摩的模拟；通过旋紧与放松碰摩间隙调节螺母18实现固定装置20与弹簧限位器23间距的调节，同时弹簧限位器23将推动外弹簧25移动，外弹簧25推动弹簧限位螺母21实现对伸缩杆26的控制，从而实现对碰摩模拟装置27与高压转子系统B的碰摩间隙调节；且通过更换不同线径的外弹簧25进行碰摩刚度调节。

所述的测试传感系统D，主要由电涡流传感器支架14、电涡流传感器7、加速度传感器、距离传感器、功率放大器和LMS振动测试系统组成；

所述的电涡流传感器7安装在电涡流传感器支架14上，共有3组，分别位于第一轴承与轴承座4与多盘-毂筒-螺栓连接结构5之间且靠近毂筒一侧、第二轴承与轴承座6与多盘-毂筒-螺栓连接结构5之间且靠近毂筒一侧、第二轴承与轴承座6与高压涡轮盘16之间且靠近高压涡轮盘16一侧；所述电涡流传感器支架14均为П型结构，其两侧和顶部均设有通孔，用于安装电涡流传感器7同时便于后期加装其他传感器；

所述加速度传感器布置等间距安装于靠近多盘-毂筒-螺栓连接结构5的转轴上，并通过功率放大器与LMS振动测试系统相连接；所述的LMS振动测试系统用于测试转子系统的振型、固有频率等固有特性的测试；所述的LMS振动测试系统用于采集数据，通过功率放大器与电涡流传感器7和加速度传感器相连，且LMS振动测试系统计算机相连实现数据实时传输；所述的距离传感器置于碰摩模拟装置27内，用于测量碰摩模拟装置与碰撞位置的距离，并与计算机相连实时上传距离数据，实现碰摩间隙的精确调节；

所述的碰摩模拟装置27包括单点式和转子-机匣式，其中，转子-机匣式碰摩模拟装置与多盘-毂筒-螺栓连接结构5或高压涡轮盘16侧边相接触的表面为圆弧状，且弧形稍大于多盘-毂筒-螺栓连接结构5与高压涡轮盘16的半径。

一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台的测试方法，用于测试高压转子系统B(带有多盘-毂筒-螺栓连接结构的转子系统)在不同碰摩参数与连接参数下的固有特性和动态特性，具体如下：

1)、固有特性测试

在不进行碰摩状态下，将多组加速度传感器等间距安装于靠近多盘-毂筒-螺栓连接结构5的转轴上，并将加速度传感器通过功率放大器与LMS振动测试系统相连接；在静态下通过定力矩扳手对多盘-毂筒-螺栓连接结构5上的螺栓的预紧力与拧紧工艺并记录数据，采用移动力锤法测试高压转子系统B固有特性，最终得出不同螺栓预紧力与拧紧工艺及其组合参数下高压转子系统B的固有特性测试结果，包括固有频率与振型；

2)、动态特性测试

距离传感器置实时将碰摩间隙数据传输到计算机内；通过变频器调节转子变频电机2转速，在高压转子系统B运转过程中，电涡流传感器7将实时采集位移数据并传输到LMS振动测试系统中，同时基于位移数据处理得到时域响应、频域响应、频谱、轴心轨迹，庞加莱映射图及幅频特性曲线，基于此信息与碰摩参数对高压转子系统B的动态特性进行分析；具体如下：

a)在无碰摩装置12介入状态下，通过定力矩扳手分别改变螺栓预紧力的大小与拧紧工艺，在不同或相同转速下进行重复对比测试，研究每个参数及其组合参数下对高压转子系统B的响应特的影响，包括幅频特性曲线与轴心轨迹的变化，并通过其幅频特性曲线得出临界转速，获得组合参数对系统固有频率和响应幅值的影响；

b)在碰摩装置12介入状态下，通过旋紧弹簧限位锁紧螺母22与碰摩间隙锁紧螺母17固定碰摩间隙；使用相同线径的外弹簧25保证碰摩刚度相同；旋紧碰摩装置12与滑轨11的螺栓保证碰摩位置相同；分别改变多盘-毂筒-螺栓连接结构5的螺栓预紧力的大小、螺栓的拧紧工艺及转子变频电机2转速，进行重复对比测试，研究不同预紧力状态下高压转子系统B中多盘-毂筒-螺栓连接结构5和高压涡轮盘16的碰摩故障触发机制；

c)在碰摩装置12介入状态下，固定多盘-毂筒-螺栓连接结构5的螺栓预紧力、螺栓拧紧工艺与转子变频电机2转速，通过调节碰摩模拟装置27的碰摩刚度、碰摩形式、与高压转子系统B中多盘-毂筒-螺栓连接结构5和高压涡轮盘16的碰摩间隙和位置，进行重复对比测试实验，研究不同碰摩参数及其组合参数对高压转子系统B的响应特的影响性，包括幅频特性曲线与轴心轨迹的变化，并通过其幅频特性曲线得出临界转速，获得组合参数对系统固有频率和响应幅值的影响；

d)在静态下，将多盘-毂筒-螺栓连接结构5的螺栓全部放松，将压敏膜置于螺栓与毂筒之间，再依次将毂筒上螺栓拧紧后将压敏膜拿出，并观察记录此时的应力；使用相同方法将新的压敏膜装装入螺栓与毂筒之间并保持与静态下相同的螺栓预紧力与拧紧工艺，依次改变转速、碰摩位置、碰摩刚度、碰摩间隙与碰摩形式，进行重复对比测试，观察运行一段时间后的压敏膜颜色与应力变化区域分析其应力变化，研究以上参数及其组合参数对多盘-毂筒-螺栓连接结构5接合面接触性能的影响。

本发明的有益效果：

本发明借助于碰摩装置，可实现对碰摩参数的精确调节并保证实验的稳定可靠；通过在滑轨11上的轴向移动，不仅可实现对多盘-毂筒-螺栓连接结构5各个盘的碰摩模拟实验，且可通过位置调节实现对高压涡轮盘16进行碰摩模拟测试；通过加装弹簧限位锁紧螺母22与碰摩间隙锁紧螺母17，避免碰摩过程中由于振动引起的弹簧限位螺母21与碰摩间隙调节螺母18的松动，保证碰摩测试的稳定性；通过旋紧与放松碰摩间隙调节螺母18和更换不同线径的外弹簧25可实现对碰摩间隙和碰摩刚度的调节；伸缩杆26与碰摩模拟装置27通过螺纹连接，通过更换碰摩模拟装置实现模拟与高压转子系统的单点碰摩与转子-机匣碰摩；可以广泛考虑螺栓预紧力大小、螺栓拧紧工艺、碰摩形式、碰摩间隙、碰摩刚度、碰摩位置及上述参数的组合对整个转子系统的固有特性及动态特性的影响。

附图说明

图1为本发明实验台的系统组成；

图2为本发明实验台结构的详细示意图；

图3为本发明的高压转子系统示意图；

图4(a)为本发明的多盘-毂筒-螺栓连接结构的整体示意图；

图4(b)为本发明的多盘-毂筒-螺栓连接结构的剖视图；

图5为本发明的轴承座支座示意图；

图6(a)为本发明的碰摩系统示意图；

图6(b)为本发明的碰摩装置结构示意图；

图7为本发明的碰摩装置支架示意图；

图8(a)为本发明的弹簧固限位器的整体示意图；

图8(b)为本发明的弹簧固限位器的剖视图；

图9为本发明的伸缩杆示意图；

图10为本发明的固定器示意图；

图11为本发明的柔性联轴器结构示意图；

图12为本发明的电涡流传感器及电涡流传感器支架示意图；

图13(a)为本发明的单点式的碰摩模拟装置的整体示意图；

图13(b)为本发明的单点式的碰摩模拟装置的剖视图；

图14为本发明的转子-机匣式的碰摩模拟装置示意图。

图中：A电气驱动及控制系统；B高压转子系统；C碰摩系统；D测试传感系统；1电控箱；2转子变频电机；3电机支架；4第一轴承与轴承座；5多盘-毂筒-螺栓连接结构；6第二轴承与轴承座；7电涡流传感器；8第三轴承与轴承座；9柔性联轴器；10轴承座支架；11滑轨；12碰摩装置；13碰摩装置支架；14电涡流传感器支架；15基座；16高压涡轮盘；17碰摩间隙锁紧螺母；18碰摩间隙调节螺母；19碰摩间隙调节螺栓；20固定装置；21弹簧限位螺母；22弹簧限位锁紧螺母；23弹簧限位器；24内弹簧；25外弹簧；26伸缩杆；27碰摩模拟装置。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台，其主要由电气驱动及控制系统A、高压转子系统B、碰摩系统C、测试传感系统D和基座15组成。

所述的基座15上安装有多颗螺栓用于固定电机支架3、轴承座支架10、电涡流传感器支架14和碰摩装置支架13；同时拥有滑轨11，用于碰摩系统的轴向移动。

如图3所示，高压转子系统B包括主要由转轴、多盘-毂筒-螺栓连接结构5、高压涡轮盘16、轴承座支架10、第一轴承与轴承座4、第二轴承与轴承座6与第三轴承与轴承座8组成；两个转轴、多盘-毂筒-螺栓连接结构5和高压涡轮盘16组成转子系统，转子系统的一端通过第一轴承与轴承座4固定于轴承座支架10上且于柔性联轴器联结，另一端通过第二轴承与轴承座6和第三轴承与轴承座8固定于轴承座支架10上，且与高压涡轮盘16通过平行键安装于第二轴承与轴承座6和第三轴承与轴承座8之间；所述多盘-毂筒-螺栓连接结构5的结构如图4(a)和4(b)所示，由两个带裙边的毂筒与四个转子通过对合组成，各毂筒与转子分别通过止口进行辅助对中，保证毂筒、转子、螺孔及两端轴的同轴度，减少不对中导致的结构振动，提高碰摩测试相关数据的精确度；同时毂筒边沿有一排带有六边形沉头螺孔，毂筒与转子通过长螺栓连接，保证连接的紧密程度并减小毂筒的相对转动造成的测试误差；两毂筒与转轴过盈配合，且毂筒中心设有通孔，通过螺栓与转轴连接以保证配合的紧密度；所述轴承支座如图5所示。

如图6(a)所示，碰摩装置12通过螺栓与碰摩装置支架13连接，碰摩装置支架13通过螺栓径向固定于滑轨11内；如图6(b)所示，所述碰摩装置12，主要由固定装置20、碰摩间隙调节螺栓19、碰摩间隙调节螺母18、碰摩间隙锁紧螺母17、外弹簧25、内弹簧24、弹簧限位器23、伸缩杆26、碰摩模拟装置27、弹簧限位螺母21和弹簧限位锁紧螺母22组成；固定装置20通过螺栓与碰摩装置支架13顶部相固定，且固定装置20设有弹簧罩，防止测试时异物进入影响弹簧刚度，伸缩杆26通过固定装置20与弹簧限位器23的弹簧罩中心放置，保证弹簧与伸缩杆26的同轴度，保证实验的精确度与装置的稳定性；固定装置20通过碰摩间隙调节螺栓19和碰摩间隙调节螺母18与弹簧限位器23连接；外弹簧25一端置于固定装置20弹簧罩内，另一端包附于弹簧限位器23的弹簧罩外侧；内弹簧24置于弹簧限位器23内其包附于伸缩杆26外侧，通过弹簧限位器23与伸缩杆26的卡口定位；通过旋紧与放松碰摩间隙调节螺母18实现固定装置20弹簧限位器23间距的调节，同时弹簧限位器23将推动外弹簧25移动，外弹簧25推动弹簧限位螺母21实现对伸缩杆26的控制，从而实现对碰摩模拟装置27与高压转子系统B的碰摩间隙调节；所述外弹簧25位于固定装置20弹簧罩内，套于弹簧限位器23的弹簧罩与伸缩杆26上，通过弹簧限位螺母21固定于伸缩杆26与弹簧限位器23之间；所述内弹簧24位于弹簧限位器23的弹簧罩内且套于与伸缩杆26上，通过卡口固定，防止碰摩时伸缩杆26回弹与弹簧限位器23发生刚性碰撞，以提高系统稳定性；所述弹簧限位螺母21位于伸缩杆26上，通过旋紧与放松可实现对弹簧的固定与更换，并保证实验时弹簧刚度一致；所述碰摩间隙锁紧螺母17与弹簧限位锁紧螺母22依次位于碰摩间隙调节螺栓19和伸缩杆26上，分别与碰摩间隙调节螺母18和弹簧限位螺母21形成双螺母形式，实现对碰摩间隙与弹簧的锁紧，防止实验时振动导致螺母松动造成碰摩间隙变化，可极大程度提高系统精度与稳定性；所述的碰摩模拟装置27通过螺纹与伸缩杆26连接，方便在单点碰摩模拟装置与转子-机匣碰摩模拟装置之间更换，可以更换不同碰摩模拟装置，实现碰摩装置12与高压转子系统B的单点碰摩及转子-机匣碰摩的模拟。

碰摩装置支架13如图7所示；弹簧限位器23结构如图8(a)、图8(b)所示；伸缩杆26结构如图9所示；固定装置如图10所示；单点式的碰摩模拟装置27如图13(a)、图13(b)所示；转子-机匣式的碰摩模拟装置27如图14所示；

所述的电气驱动与控制系统A，包括通过与电控箱支架固定安装于地面的电控箱1和与其所驱动的转子变频电机2；电控箱1内置转子变频电机2的控制系统，包括控制面板、空气开关、接触器、继电器、操作按钮、指示灯与变频器；转子变频电机2一侧与电控箱1内变频器相连，另一侧与电机支架通过螺栓固定，安装于基座15上；通过变频器调节转子变频电机2的转速以实现对不同转速下的碰摩测试，转子变频电机2通过柔性联轴器9将转矩传输给高压转子系统；所述柔性联轴器9结构如图11所示。

所述的测试传感系统主要由电涡流传感器支架14、电涡流传感器7、加速度传感器、距离传感器、LMS振动测试系统组成；所述的电涡流传感器7与电涡流传感器支架14如图12所示。

做好前期准备后进行系统的静态、动态特性测试，采用本发明的一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台进行测试，用于测试带有多盘-毂筒-螺栓连接结构转子系统即高压转子系统B的固有特性和动态特性，具体如下：

1)、高压转子系统B固有特性测试

将碰摩系统C通过滑轨11移除，在没有碰摩装置影响下，将多组加速度传感器等间距安装于靠近多盘-毂筒-螺栓连接结构5的转轴上，并将加速度传感器一端通过功率放大器与LMS振动测试系统相连接；在转子静止状态下通过定力矩扳手采用顺序拧紧方式、星型拧紧方式、对角拧紧方式分别施加相同预紧力并记录数据，采用移动力锤法测试高压转子系统B固有特性，得出螺栓拧紧工艺对系统固有特性的影响；确定拧紧方式，通过定力矩扳手给所有螺栓施加相同预紧力矩，基于LMS测试系统获得该预紧力矩下的系统固有特性，包括固有频率和振型，其次，改变预紧力矩，重复测试，获得预紧力矩对多盘-毂筒-螺栓连接转子系统固有特性的影响规律。最终得出不同螺栓预紧力与拧紧工艺及其组合参数下转子系统的固有特性测试结果，包括固有频率与振型；

2)、高压转子系统B动态特性测试

所述的距离传感器置于碰摩模拟装置27内，实时将碰摩间隙数据传输到计算机内；所述每个电涡流感器支架上安装2个电涡流传感器，将电涡流传感器7靠近转轴测试盘附近转轴水平及竖直方向的位移响应；通过变频器调节转子变频电机2转速，在高压转子系统B运转过程中，电涡流传感器7将实时采集位移数据并传输到LMS振动测试系统中，同时基于LMS测试软件中集成的时域转换模块，得到系统时域响应、频谱等，再提取数据在MATLAB软件中对其进行处理，得到转子轴心轨迹，庞加莱映射图及幅频特性曲线，基于此信息与碰摩参数可以对高压转子系统B的动态特性进行分析；

将碰摩系统C通过滑轨11移除，即在无碰摩装置介入状态下，通过定力矩力扳手采用顺序拧紧方式、星型拧紧方式、对角拧紧方式分别施加不同预紧力并改变转速进行重复对比测试，研究相同拧紧顺序不同预紧力及不同拧紧顺序相同或不同预紧力在不同或相同转速下对高压转子系统B的响应特的影响，包括幅频特性曲线与轴心轨迹的变化，并通过其幅频特性曲线得出临界转速，获得上述组合参数对系统固有频率和响应幅值的影响；

通过旋紧弹簧限位锁紧螺母22与碰摩间隙锁紧螺母17固定碰摩间隙；使用相同线径外弹簧25保证碰摩刚度相同；旋紧碰摩装置12与滑轨11的螺栓保证碰摩位置相同；分别改变螺栓预紧力的大小、螺栓的拧紧工艺及转速，进行重复对比测试，研究不同预紧力、螺栓拧紧顺序及转速下在多盘-毂筒-螺栓连接结构5各盘和高压涡轮盘16处的碰摩故障触发机制；

固定多盘-毂筒-螺栓连接结构5的螺栓预紧力、螺栓拧紧工艺与转子变频电机2转速，通过调节碰摩模拟装置27的碰摩刚度、碰摩形式(单点碰摩和转子-机匣碰摩)、与高压转子系统B的碰摩间隙和位置(包括多盘-毂筒-螺栓连接结构5各盘和高压涡轮盘16)，进行重复对比测试实验，研究不同碰摩参数及其组合参数在相同工况下对高压转子系统B的响应特的影响性，包括幅频特性曲线与轴心轨迹的变化，并通过其幅频特性曲线得出临界转速，获得上述组合参数对系统固有频率和响应幅值的影响；；

在静态下，将多盘-毂筒-螺栓连接结构5的螺栓全部放松，将压敏膜置于螺栓与毂筒之间，再依次将盘上螺栓拧紧后将压敏膜取出，观察记录此时的应力情况；使用相同方法将新的压敏膜装装入螺栓与毂筒之间并保持与静态下相同的螺栓预紧力与拧紧工艺，启动变频电机并依次改变转速、碰摩位置(包括多盘-毂筒-螺栓连接结构5各盘和高压涡轮盘16)、碰摩刚度、碰摩间隙与碰摩形式(单点碰摩和转子-机匣碰摩)，进行重复对比测试，通过观察运行一段时间后的压敏膜颜色与应力变化区域分析其应力变化，研究以上参数及其组合参数对螺栓连接结构接合面接触性能的影响。

基于以上测试方法本发明主要在于研究针对航空发动机高压转子系统在不同螺栓连接参数、碰摩参数与转速下转子静态、动态特性的变化，以下阐述本发明所能实现的多种工况：

主要试验工况变化在于：通过碰摩系统可对碰摩碰摩形式，碰摩刚度、碰摩间隙与碰摩位置进行精确调节，可研究以上参数及其组合参数进行对转子系统固有特性和动态特性的影响；如图4所示，多盘-毂筒-螺栓连接结构5外侧裙边有一排螺栓，在无碰摩系统介入状态下，可以通过定力矩扳手分别改变螺栓预紧力的大小与螺栓的拧紧工艺，进行重复对比测试，研究以上每个参数及其组合参数下对高压转子系统固有特性和动态特性的影响；通过在盘间增加压敏膜与改变碰摩位置、碰摩刚度、碰摩间隙与碰摩形式可分析以上参数及其组合参数对多盘-毂筒-螺栓连接结构5接合面接触性能的影响；通过固定碰摩参数与螺栓拧紧工艺，使用扭力扳手调节螺栓预紧力，研究不同预紧力状态下对碰摩故障的触发机制。

Claims (3)

1.一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台，其特征在于，所述的多盘螺栓连接转子碰摩实验台主要由电气驱动及控制系统(A)、高压转子系统(B)、碰摩系统(C)、测试传感系统(D)和基座(15)组成；

所述的基座(15)上安装有多颗螺栓用于固定电机支架(3)、轴承座支架(10)、电涡流传感器支架(14)和碰摩装置支架(13)；且基座(15)上设有滑轨(11)；

所述的电气驱动及控制系统(A)包括通过与电控箱支架固定安装于地面的电控箱(1)与电控箱(1)驱动的转子变频电机(2)；所述电控箱(1)通过变频器调节转子变频电机(2)的转速以实现对不同转速下的碰摩测试；转子变频电机(2)固定于过电机支架(3)上，电机支架(3)通过螺栓固定于基座(15)上；转子变频电机(2)通过柔性联轴器(9)将扭转传递给高压转子系统(B)；

所述的高压转子系统(B)，主要由转轴、多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)、高压涡轮盘(16)、三个轴承座支架(10)、第一轴承与轴承座(4)、第二轴承与轴承座(6)、第三轴承与轴承座(8)组成；

所述多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)由两个带裙边的毂筒与四个转子通过对合组成，各毂筒与转子分别通过止口进行辅助对中；同时毂筒边沿设有一圈沉头螺孔，毂筒与转子通过长螺栓连接；两毂筒与转轴过盈配合，且毂筒中心设有螺孔通孔，通过螺栓与转轴连接以保证配合的紧密度；

所述转轴共两根，其中一根转轴的一端与多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的一个毂筒中心通孔过盈配合形成整体并通过第一轴承与轴承座(4)和一个轴承座支架(10)固定于基座(15)上，另一端与柔性联轴器(9)相连，另一根转轴的一端与多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的另一个毂筒中心过盈配合形成整体并通过第二轴承与轴承座(6)、第三轴承与轴承座(8)和两个轴承座支架(10)固定于基座(15)上；高压涡轮盘(16)通过平行键安装于第二轴承与轴承座(6)、第三轴承与轴承座(8)之间的转轴上；

所述的碰摩系统(C)主要由碰摩装置(12)与碰摩装置支架(13)组成，碰摩装置支架(13)通过螺栓固定于基座(15)的滑轨(11)内，使碰摩系统(C)可沿转轴轴向位置滑动，分别进行多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)及高压涡轮盘(16)的碰摩实验测试；

所述碰摩装置(12)，主要由固定装置(20)、碰摩间隙调节螺栓(19)、碰摩间隙调节螺母(18)、碰摩间隙锁紧螺母(17)、外弹簧(25)、内弹簧(24)、弹簧限位器(23)、伸缩杆(26)、碰摩模拟装置(27)、弹簧限位螺母(21)和弹簧限位锁紧螺母(22)组成；固定装置(20)的下部设有多个螺纹孔，通过螺栓与碰摩装置支架(13)顶部侧面相固定；固定装置(20)和弹簧限位器(23)为竖向的平板结构，相对布置，二者均设有多个相对应的通孔，固定装置(20)通过多个碰摩间隙调节螺栓(19)和碰摩间隙调节螺母(18)与弹簧限位器(23)连接，碰摩间隙锁紧螺母(17)位于碰摩间隙调节螺母(18)外侧，二者形成双螺母形式，实现对碰摩间隙的锁紧；固定装置(20)和弹簧限位器(23)的中部设有横向的圆筒结构作为弹簧罩，两个弹簧罩的位置相对应，且固定装置(20)上的弹簧罩直径大于弹簧限位器(23)上的弹簧罩直径，固定装置(20)上的弹簧罩的前端包裹弹簧限位器(23)上的弹簧罩的前端，弹簧罩的前端和尾端均为开口结构，且弹簧限位器(23)上的弹簧罩前端设有卡口；内弹簧(24)置于弹簧限位器(23)上的弹簧罩内；外弹簧(25)置于固定装置(20)上的弹簧罩内，且前端位于弹簧限位器(23)上的弹簧罩外侧；伸缩杆(26)的前端设有卡口，下端为螺纹表面，伸缩杆(26)的前端依次穿过外弹簧(25)和内弹簧(24)，伸缩杆(26)的前端的卡口以及弹簧限位器(23)上的弹簧罩前端的卡口将内弹簧(24)限制在弹簧罩内，弹簧限位螺母(21)和弹簧限位锁紧螺母(22)位于固定装置(20)的外侧且位于伸缩杆(26)的中部，形成双螺母形式，实现外弹簧(25)和内弹簧(24)的锁紧；伸缩杆(26)的尾端与碰摩模拟装置(27)通过螺纹连接，实现与高压转子系统(B)的单点碰摩及转子-机匣碰摩的模拟；通过旋紧与放松碰摩间隙调节螺母(18)实现固定装置(20)与弹簧限位器(23)间距的调节，同时弹簧限位器(23)将推动外弹簧(25)移动，外弹簧(25)推动弹簧限位螺母(21)实现对伸缩杆(26)的控制，从而实现对碰摩模拟装置(27)与高压转子系统(B)的碰摩间隙调节；且通过更换不同线径的外弹簧(25)进行碰摩刚度调节；

所述的测试传感系统(D)，主要由电涡流传感器支架(14)、电涡流传感器(7)、加速度传感器、距离传感器、功率放大器和LMS振动测试系统组成；

所述的电涡流传感器(7)安装在电涡流传感器支架(14)上，共有3组，分别位于第一轴承与轴承座(4)与多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)之间且靠近毂筒一侧、第二轴承与轴承座(6)与多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)之间且靠近毂筒一侧、第二轴承与轴承座(6)与高压涡轮盘(16)之间且靠近高压涡轮盘(16)一侧；所述电涡流传感器支架(14)均为П型结构，其两侧和顶部均设有通孔，用于安装电涡流传感器(7)同时便于后期加装其他传感器；

所述加速度传感器布置等间距安装于靠近多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的转轴上，并通过功率放大器与LMS振动测试系统相连接；所述的LMS振动测试系统用于测试转子系统的振型、固有频率等固有特性的测试；所述的LMS振动测试系统用于采集数据，通过功率放大器与电涡流传感器(7)和加速度传感器相连，且LMS振动测试系统计算机相连实现数据实时传输；所述的距离传感器置于碰摩模拟装置(27)内，用于测量碰摩模拟装置与碰撞位置的距离，并与计算机相连实时上传距离数据，实现碰摩间隙的精确调节。

2.根据权利要求1所述的一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台，其特征在于，所述的碰摩模拟装置(27)包括单点式和转子-机匣式，其中，转子-机匣式碰摩模拟装置与多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)或高压涡轮盘(16)侧边相接触的表面为圆弧状，且弧形稍大于多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)与高压涡轮盘(16)的半径。

3.权利要求1或2所述的一种多盘螺栓连接转子碰摩实验台的测试方法，其特征在于，具体如下：

1)、固有特性测试

在不进行碰摩状态下，将多组加速度传感器等间距安装于靠近多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的转轴上，并将加速度传感器通过功率放大器与LMS振动测试系统相连接；在静态下通过定力矩扳手对多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)上的螺栓的预紧力与拧紧工艺并记录数据，采用移动力锤法测试高压转子系统(B)固有特性，最终得出不同螺栓预紧力与拧紧工艺及其组合参数下高压转子系统(B)的固有特性测试结果，包括固有频率与振型；

2)、动态特性测试

距离传感器置实时将碰摩间隙数据传输到计算机内；通过变频器调节转子变频电机(2)转速，在高压转子系统(B)运转过程中，电涡流传感器(7)将实时采集位移数据并传输到LMS振动测试系统中，同时基于位移数据处理得到时域响应、频域响应、频谱、轴心轨迹，庞加莱映射图及幅频特性曲线，基于此信息与碰摩参数对高压转子系统(B)的动态特性进行分析；具体如下：

a)在无碰摩装置(12)介入状态下，通过定力矩扳手分别改变螺栓预紧力的大小与拧紧工艺，在不同或相同转速下进行重复对比测试，研究每个参数及其组合参数下对高压转子系统(B)的响应特的影响，包括幅频特性曲线与轴心轨迹的变化，并通过其幅频特性曲线得出临界转速，获得组合参数对系统固有频率和响应幅值的影响；

b)在碰摩装置(12)介入状态下，通过旋紧弹簧限位锁紧螺母(22)与碰摩间隙锁紧螺母(17)固定碰摩间隙；使用相同线径的外弹簧(25)保证碰摩刚度相同；旋紧碰摩装置(12)与滑轨(11)的螺栓保证碰摩位置相同；分别改变多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的螺栓预紧力的大小、螺栓的拧紧工艺及转子变频电机(2)转速，进行重复对比测试，研究不同预紧力状态下高压转子系统(B)中多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)和高压涡轮盘(16)的碰摩故障触发机制；

c)在碰摩装置(12)介入状态下，固定多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的螺栓预紧力、螺栓拧紧工艺与转子变频电机(2)转速，通过调节碰摩模拟装置(27)的碰摩刚度、碰摩形式、与高压转子系统(B)中多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)和高压涡轮盘(16)的碰摩间隙和位置，进行重复对比测试实验，研究不同碰摩参数及其组合参数对高压转子系统(B)的响应特的影响性，包括幅频特性曲线与轴心轨迹的变化，并通过其幅频特性曲线得出临界转速，获得组合参数对系统固有频率和响应幅值的影响；

d)在静态下，将多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)的螺栓全部放松，将压敏膜置于螺栓与毂筒之间，再依次将毂筒上螺栓拧紧后将压敏膜拿出，并观察记录此时的应力；使用相同方法将新的压敏膜装装入螺栓与毂筒之间并保持与静态下相同的螺栓预紧力与拧紧工艺，依次改变转速、碰摩位置、碰摩刚度、碰摩间隙与碰摩形式，进行重复对比测试，观察运行一段时间后的压敏膜颜色与应力变化区域分析其应力变化，研究以上参数及其组合参数对多盘-毂筒-螺栓连接结构(5)接合面接触性能的影响。

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