CN114894486A - 一种基于旋转激励的机匣动柔度试验装置与方法 - Google Patents

一种基于旋转激励的机匣动柔度试验装置与方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于航空发动机试验领域，特别涉及一种基于旋转激励的机匣动柔度试验装置与方法，其包括：转子，转子的两端面轴心处具有短轴，所述短轴分别通过轴承固定于分布于转子两端的端盖上；两个端盖的边缘之间、转子的周向安装圆环状的静子，静子的外壁周向安装多个动态力传感器，动态力传感器外侧连接模拟轴承外缸套；转子的一所述短轴通过法兰盘与电主轴连接法兰连接，电主轴连接法兰与电主轴连接；其中，转子具有多个周向均匀分布的螺纹孔，至少一个所述螺纹孔安装螺钉，该试验装置可以实现对旋转激振力的实时测量，通过测量机匣各测点产生的振动响应，可以准确的获得机匣动柔度。

Description

一种基于旋转激励的机匣动柔度试验装置与方法
技术领域
本申请属于航空发动机试验领域，特别涉及一种基于旋转激励的机匣动柔度试验装置与方法。
背景技术
为了获得全静子机匣各支点径向动柔度，需要对机匣各支点施加激振力，测量所加激振力及机匣各测点的振动响应。已有的与本发明最相近的实现方案如下：
方案1设计了一种无联轴器旋转激振器，如图1所示。它由转轴、电机壳体、振动传感器、法兰、偏心轮壳体、配重块、偏心轮、通孔、偏心轮端盖、腔室和电机转子组件组成。在偏心轮上安装配重块，偏心轮随着转轴转动，产生径向激振力。该方案通过法兰与机匣轴承座安装边连接，容易引入附加弯矩。
方案2(一种发动机全静子支点动刚度试验激振力加载装置CN 109211497 A)设计了一种带联轴器的旋转激振器。试验中，将激振器安装在机匣轴承座处，通过外部的电主轴带动偏心质量旋转对机匣轴承座施加旋转激励。相对于方案1更符合实际工况中转子不平衡激励的传递路径。
上述两种方案可以模拟发动机实际工作时所受旋转动载荷，但均无法对所施加的旋转激振力进行实时测量，因此也无法获得试验件的动柔度；
上述两种方案虽然可以对机匣施加旋转激振力，但无法对所施加的激振力进行实时测量，在动柔度计算时会缺少激振力幅值及相位信息，无法获得动柔度值。其中，方案1通过法兰与机匣安装边连接，会对机匣安装边局部产生附加弯矩，该方法的偏心轮在旋转过程中产生的不平衡力以及振动响应会通过转轴作用在电机定转子组件上，进而对电机转速稳定性以及电机寿命产生影响。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种旋转激振装置，包括：
转子，转子的两端面轴心处具有短轴，所述短轴分别通过轴承固定于分布于转子两端的端盖上；两个端盖的边缘之间、转子的周向安装圆环状的静子，静子的外壁周向安装多个动态力传感器，动态力传感器外侧连接模拟轴承外缸套；
其中，电主轴能够提供扭矩；
转子的一所述短轴通过法兰盘与电主轴连接法兰连接，电主轴连接法兰与电主轴连接；
其中，转子具有多个周向均匀分布的螺纹孔，至少一个所述螺纹孔安装螺钉，通过非均匀设置所述螺钉使转子具有偏心质量。
优选的是，法兰盘与电主轴连接法兰之间通过多个传扭销连接，法兰盘与传扭销之间为间隙配合。
优选的是，所述螺钉包括两个，沿转子中心对称分布。
优选的是，动态力传感器的数量为4个，分别在角向位置为3点、6点、9点和12点方向布置。
优选的是，端盖在所述螺纹孔对应位置具有安装孔，用于螺钉与螺纹孔的安装与拆卸。
优选的是，电主轴安装在位置调节装置上，所述位置调节装置包括：台架，定位圆筒以及螺杆，试验用上圆筒；电主轴通过试验用上圆筒与定位圆筒同轴连接，定位圆筒安装在台架具有的第一支臂与第二支臂上，第一支臂与第二支臂分别具有轴向通孔，螺杆穿过所述通孔，螺杆两端通过螺母固定，位于第一支臂与第二支臂的所述螺杆固定安装有转接段，转接段通过调节销与定位圆筒固定连接，通过调整所述螺杆的轴向位置来调整定位圆筒的轴向位置。
优选的是，螺杆包括通过螺母与第一支臂连接的第一螺杆，通过螺母与第二支臂连接的第二螺杆，转接段连接第一螺杆与第二螺杆。
一种旋转激振力的测量方法，采用上述旋转激振装置进行试验，包括：
步骤S1：将所述旋转激振装置安装在机匣轴承座位置；将机匣轴承座位置安装振动传感器；在机匣预设目标位置安装振动传感器；
步骤S2：通过旋转激振装置的动态力传感器获取机匣轴承座位置的旋转激振力F，通过机匣轴承座位置的振动传感器获取机匣轴承座位置的振动响应；通过机匣预设目标位置的振动传感器获取机匣预设目标位置的振动响应；
步骤S3：通过旋转激振力F获取机匣轴承座振动响应与旋转激振力之间的相位差，通过旋转激振力F获取机匣预设目标位置振动响应与旋转激振力之间的相位差；
步骤S4：确定预设目标位置的动柔度。
优选的是：所述预设目标位置包括机匣外涵位置、机匣主安装节位置或者机匣辅助安装节位置。
优选的是：振动响应包括响应幅值与响应角频率。
本申请的优点包括：
(1)激振力实时反馈式旋转激振装置设计
本发明设计了一种旋转激励试验装置，该试验装置可以实现对旋转激振力的实时测量，通过测量机匣各测点产生的振动响应，可以准确的获得机匣动柔度。同时本发明所设计的激振器可以安装在机匣轴承座上，通过锁紧螺母进行固定，更符合发动机实际工作时，转子的安装状态，不会引入附加弯矩。本发明中的电机与激振器为分体结构，通过设计中间连接装置，可以保证激振器产生的激振力不会对电机产生影响。
(2)动柔度测试方法
由于本发明能实时测量旋转激振力，通过合理布置振动传感器，能够获取实时的激振力和振动信号，进而完整的获取动柔度测试所需的激振力及其旋转相位、振动响应等全面的测量值。通过理论推导，得到动柔度的测试结果处理方法。
附图说明
图1是旋转激振装置剖视图；
图2是旋转激振装置正视图；
图3是旋转激振装置安装示意图；
图4是旋转激振装置传给轴承外缸套的激振力分析示意图；
其中，1-定位圆筒，2-第一螺杆，3-台架，4-转接段，5-第二螺杆，6-固定圆环，7-试验用上圆筒，8-调节销，9-电主轴，10-激励装置，11-模拟轴承外缸套，12-动态力传感器，13-预紧件，14-静子，15-端盖，15-法兰盘，17-圆盘，18-转子，19-轴承，20-键，21-传扭销，22-电主轴连接法兰，31-第一支臂，32-第二支臂。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
为了解决上述问题，本申请提供了一种旋转激振装置如图1～2所示，包括：
转子18，转子18的两端面轴心处具有短轴，所述短轴分别通过轴承19固定于分布于转子18两端的端盖15上；通过两个端盖将转子18架设起来，两个端盖15的边缘之间、转子18的周向安装圆环状的静子14，静子14对转子进行周向的包裹，使转子18在静子中转动，静子14的外壁周向通过预紧件13安装多个动态力传感器12，动态力传感器12外侧连接模拟轴承外缸套11；
转子18的一所述短轴通过法兰盘16与电主轴连接法兰22连接，电主轴连接法兰22与电主轴9连接；
其中，转子18具有多个周向均匀分布的螺纹孔，至少一个所述螺纹孔安装螺钉，通过非均匀设置所述螺钉使转子18具有偏心质量。
进一步的，法兰盘16与电主轴连接法兰22之间通过多个传扭销21连接，法兰盘16与传扭销21之间为间隙配合，间隙配合不会传递横向力，确保了产生的激振力无法通过传扭销21传递出去，既确保了激振力的施加，又不会造成整个试验装置的明显振动。
进一步的，所述螺钉为一个，使转子18具有偏心质量。
进一步的，动态力传感器12的数量为4个，分别在角向位置为3点、6点、9点和12点方向布置，其中6点方向靠近底面，12点方向离地最远，3点与9点方向分别在两侧。
进一步的，端盖15在所述螺纹孔对应位置具有安装孔，用于螺钉与螺纹孔的安装与拆卸。
进一步的，电主轴9安装在位置调节装置上，所述位置调节装置包括：台架3，定位圆筒1以及螺杆，试验用上圆筒7；电主轴9通过定位圆筒1、试验用上圆筒7和固定圆环6安装在台架(3)上，定位圆筒1安装在台架3具有的第一支臂31与第二支臂32上，第一支臂31与第二支臂32分别具有轴向通孔，螺杆穿过所述通孔，螺杆两端通过螺母固定，位于第一支臂31与第二支臂32的所述螺杆固定安装有转接段4，转接段4通过调节销8与定位圆筒1固定连接，通过调整所述螺杆的轴向位置来调整定位圆筒1的轴向位置，能够较好的调整旋转激振装置的位置。
进一步的，螺杆包括通过螺母与第一支臂31连接的第一螺杆2，通过螺母与第二支臂32连接的第二螺杆5，转接段4连接第一螺杆2与第二螺杆5。
该装置可以根据试验需要通过调节电主轴的转速改变激振力的频率和大小，通过动态力传感器12可以测得作用于模拟轴承外缸套11上的激振力，进而获得作用于机匣轴承座上的激振力。
一种旋转激振力的测量方法，采用上述旋转激振装置进行试验，所示旋转激振力的测量方法包括：
步骤S1：将所述旋转激振装置安装在机匣轴承座位置；将机匣轴承座位置安装振动传感器；在机匣预设目标位置安装振动传感器；
步骤S2：通过旋转激振装置的动态力传感器获取机匣轴承座位置的旋转激振力F，通过机匣轴承座位置的振动传感器获取机匣轴承座位置的振动响应；通过机匣预设目标位置的振动传感器获取机匣预设目标位置的振动响应；
步骤S3：通过旋转激振力F获取机匣轴承座振动响应与旋转激振力之间的相位差，通过旋转激振力F获取机匣预设目标位置振动响应与旋转激振力之间的相位差；
步骤S4：确定预设目标位置的动柔度。
其中，旋转激振力获得：对激振器传给钢套的激振力进行分析如图4所示，动态力传感器角向位置为3点、6点、9点和12点方向。为当激振器的偏心质量在12点钟时，可见激振器通过12点钟力传感器给钢套一个向上的压力F1，通过6点钟的力传感器给钢套一个向上的拉力F2。因此钢套受到的激振力为：F＝F1+F2，试验过程中，12点钟和6点钟位置所测的力信号幅值几乎相同相差180度相差，因此F＝2F1。
其中，以机匣主安装节位置的动柔度的计算方法为例子：
为清晰明了，列出单自由度动力学方程，但不失一般性，方程如下：
Figure BDA0003666960250000071
对上式进行拉普拉斯变换
ms2x(s)+csx(s)+kx(s)＝f(s) (2)
令s＝jw带入上式，得
Figure BDA0003666960250000072
显然上式等号右边即为所求的动柔度，且为一复数，其模,相位角,实部虚部如下：
Figure BDA0003666960250000081
Figure BDA0003666960250000082
Figure BDA0003666960250000083
Figure BDA0003666960250000084
式中k为静刚度，c为阻尼系数，ζ为阻尼比，ωn为无阻尼自由振动下固有圆频率。
显然动柔度即为输入信号为力，输出信号为位移的系统的频响函数。根据动态力传感器测得的旋转激振力(包括幅值和相位)和机匣测点所测得的振动响应即可获得全静子机匣动柔度。
其中，进气机匣外涵相对于主装节动柔度理论计算如下：
为简化计算，假设旋转激振力在基频下为正弦激振力，其中某一角度的激振力为：
F＝fsinωt (8)
其中，f为旋转激振力幅值，由于；ω为旋转激振力角频率。
在旋转激励条件下，假设机匣各测点在基频产生的振动响应为正弦激励,则进气机匣外涵测点的振动响应为：
X1＝x1sin(ωt+ф1) (9)
其中，x1为ф1为机匣轴承座振动响应幅值；ω为机匣轴承座振动响应角频率；ф1机匣轴承座振动响应与旋转激振力之间的相位差。
在旋转激励条件下，假设主安装节在基频产生的振动响应为正弦激励，则主安装节测点的振动响应为：
X2＝x2sin(ωt+ф2) (10)
其中，x2为ф2为主安装节振动响应幅值；ω为主安装节振动响应角频率；ф2为主安装节振动响应与机匣轴承座旋转激振力之间的相位差。
则动柔度
Sd＝[x1sin(ωt+ф1)-x2sin(ωt+ф2)]/(fsinωt) (11)
Sd＝(x1cosф1-x2cosф2)/f+(x1sinф1-x2sinф2)cotωt/f (12)
动柔度幅值：
Figure BDA0003666960250000091
动柔度相位角：
Figure BDA0003666960250000092
本申请的优点包括：
(1)激振力实时反馈式旋转激振装置设计
本发明设计了一种旋转激励试验装置，该试验装置可以实现对旋转激振力的实时测量，通过测量机匣各测点产生的振动响应，可以准确的获得机匣动柔度。同时本发明所设计的激振器可以安装在机匣轴承座上，通过锁紧螺母进行固定，更符合发动机实际工作时，转子的安装状态，不会引入附加弯矩。本发明中的电机与激振器为分体结构，通过设计中间连接装置，可以保证激振器产生的激振力不会对电机产生影响。
(2)动柔度测试方法
由于本发明能实时测量旋转激振力，通过合理布置振动传感器，能够获取实时的激振力和振动信号，进而完整的获取动柔度测试所需的激振力及其旋转相位、振动响应等全面的测量值。通过理论推导，得到动柔度的测试结果处理方法。
1.本发明通过动态力传感器实现了对所施加的旋转激振力(包括幅值和相位)的实时测量，结合机匣测点的振动响应，可以得到机匣动柔度，相对于现有技术具有明显优势；
2.本发明中，激振器与电主轴连接上采用传扭销连接，传扭销采用尼龙材料，并且与法兰盘之间存在一定间隙，避免了由于激振器自身振动向外传递不会传递横向力，不会对电机的运转产生影响。
3.本发明中，激振器直接安装在轴承座上，更符合发动机转子实际安装状态，所产生的激振力的传递路径更符合实际情况。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种旋转激振装置，其特征在于，包括：
转子(18)，转子(18)的两端面轴心处具有短轴，所述短轴分别通过轴承(19)固定于分布于转子(18)两端的端盖(15)上；两个端盖(15)的边缘之间、转子(18)的周向安装圆环状的静子(14)，静子(14)的外壁周向安装多个动态力传感器(12)，动态力传感器(12)外侧连接模拟轴承外缸套(11)；
转子(18)的一所述短轴通过法兰盘(16)与电主轴连接法兰(22)连接，电主轴连接法兰(22)与电主轴(9)连接；
其中，转子(18)具有多个周向均匀分布的螺纹孔，至少一个所述螺纹孔安装螺钉。
2.如权利要求1所述的旋转激振装置，其特征在于，法兰盘(16)与电主轴连接法兰(22)之间通过多个传扭销(21)连接，法兰盘(16)与传扭销(21)之间为间隙配合。
3.如权利要求1所述的旋转激振装置，其特征在于，电主轴(9)安装在位置调节装置上，所述位置调节装置包括：台架(3)，定位圆筒(1)以及螺杆，试验用上圆筒(7)；电主轴(9)通过试验用上圆筒(7)与定位圆筒(1)同轴连接，定位圆筒(1)安装在台架(3)具有的第一支臂(31)与第二支臂(32)上，第一支臂(31)与第二支臂(32)分别具有轴向通孔，螺杆穿过所述通孔，螺杆两端通过螺母固定，位于第一支臂(31)与第二支臂(32)的所述螺杆固定安装有转接段(4)，转接段(4)通过调节销(8)与定位圆筒(1)固定连接，通过调整所述螺杆的轴向位置来调整定位圆筒(1)的轴向位置。
4.如权利要求3所述的旋转激振装置，其特征在于，螺杆包括通过螺母与第一支臂(31)连接的第一螺杆(2)，通过螺母与第二支臂(32)连接的第二螺杆(5)，转接段(4)连接第一螺杆(2)与第二螺杆(5)。
5.如权利要求3所述的旋转激振装置，其特征在于，动态力传感器(12)的数量为4个。
6.如权利要求5所述的旋转激振装置，其特征在于，4个动态力传感器(12)分别在角向位置为3点、6点、9点和12点方向布置。
7.如权利要求6所述的旋转激振装置，其特征在于，端盖(15)在所述螺纹孔对应位置具有安装孔，用于螺钉与螺纹孔的安装与拆卸。
8.一种旋转激振力的测量方法，采用权利要求1～7任意一项权利要求，包括：
步骤S1：将所述旋转激振装置安装在机匣轴承座位置；将机匣轴承座位置安装振动传感器；在机匣预设目标位置安装振动传感器；
步骤S2：通过旋转激振装置的动态力传感器获取机匣轴承座位置的旋转激振力F，通过机匣轴承座位置的振动传感器获取机匣轴承座位置的振动响应；通过机匣预设目标位置的振动传感器获取机匣预设目标位置的振动响应；
步骤S3：通过旋转激振力F获取机匣轴承座振动响应与旋转激振力之间的相位差，通过旋转激振力F获取机匣预设目标位置振动响应与旋转激振力之间的相位差；
步骤S4：确定预设目标位置的动柔度。
9.如权利要求8所述的旋转激振力的测量方法，其特征在于：所述预设目标位置包括机匣外涵位置、机匣主安装节位置或者机匣辅助安装节位置。
10.如权利要求8所述的旋转激振力的测量方法，其特征在于：振动响应包括响应幅值与响应角频率。
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