CN115144185A - 一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，包括内转子驱动电机、外转子驱动电机、电机支架、同步带及带轮、内外转子、内外转子试重盘、前排螺旋桨、后排螺旋桨、胀紧轮、前后轴承支架、底座、支架调整块；双转子对转桨扇发动机具备油耗低、推进效率高的优势，是战略运输机及远程轰炸机用发动机的发展方向。通过不同机械零部件的协同配合可以实现内外双转子的同轴同转、同轴对转、内轴单独正反转以及外轴单独正反转等组合动作。内外双转子在低负载下最高工作转速可达3700RPM，已经覆盖实际桨扇发动机的全转速工作区间，基于本发明可广泛开展相关航空发动机双转子结构的故障诊断分析、设备健康运维方法与振动主动控制策略研究。
Description
技术领域
本发明内容提供了一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台装置，具体属于同轴对转双转子结构振动传递规律和动力学特性研究领域，主要针对同轴对转/同转以及单轴正反转的转子系统开展振动传递及耦合解耦分析的研究。本发明设计出一种可模拟某型桨扇发动机的双转子测控试验台，用于进行双螺旋桨耦合振动规律的动力学仿真、振动信号辨识以及动平衡试验验证。
背景技术
桨扇发动机是一种介于涡桨与涡扇发动机之间的一种高亚音速、长航程、高推重比的大推力发动机，具有省油和推进效率高的突出优点，比同级别喷气运输机油耗低20～30％，而飞行速度仍达800公里/小时，接近喷气式运输机，是未来战略运输机、远程轰炸机用发动机的发展方向。此外，桨扇发动机的桨叶结构以双排对转式为主要类型，目前存在的突出问题是振动和噪声比较大，常规的动平衡方法针对单转子单排螺旋桨结构，欧美等国家自20世纪70年代开始开展桨扇发动机的研究，主要针对提高涵道比、提高叶片转速、减重等方面开展研究，亟待同步开展降低桨扇发动机同轴对转双转子结构振动和噪声的策略和方法研究。
桨扇发动机是军机的心脏，我国军用航空发动机振动问题十分突出，其故障因果关系错综复杂，是困扰生产、使用、设计和研制新一代发动机的瓶颈。跟踪国外技术资料发现，国外，罗罗、空客、波音等航空公司从上世纪80年代开始着手桨扇发动机的研究，2011-2016年罗罗公司有关桨扇发动机的专利8项、2014-2016空客相关专利7项、2014-2017波音相关专利3项。美国自2015年发表桨扇发动机自动平衡专利，已开展相关研究。目前，航空螺旋桨自动平衡技术在国外得到装机应用，单螺旋桨自动平衡系统于2014年已正式列装在美国C130运输机，能够将发动机桨叶端的转子振动降低90％以上，并且形成了具有一定规模的技术资料报告，开展国外技术进展及应用的调研工作，充分掌握自动平衡技术的应用现状，对于我国航空领域的螺旋桨自动平衡技术提供了理论基础。
国内自90年代初，开始出现机床的振动问题研究，尚无工业应用报道。2015年国内研究机构开始针对单排螺旋桨用动平衡技术初步开展控制算法以及执行机构的研究，在实验室阶段取得了一定有益效果，验证了自动平衡效果，国内未见其他机构关于航空螺旋桨自动平衡技术的研究报道，缺乏针对桨扇同轴对转双转子结构的试验装置设计研究，现有的涡桨航发单转子模拟试验台尚不能匹配目前双转子结构所需的振动传递规律研究与动力学特性分析。除此之外，国内其他研究机构也相应开展用于远程运输/轰炸机桨扇发动机的预研工作，搭建相关模拟试验台并开展动力学分析摸索桨扇发动机振动机理，对于航空螺旋桨动力学及振动特性研究的发展趋势已然从单转子向双转子过渡。
本发明提出一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台装置。对标现有的某型桨扇发动机实体，分析研究其内部结构特点，动力传输方式与材料特性，开展针对性的机械结构设计工作，最大程度上做到与真机结构相似、材料吻合、动力特性匹配，为后续开展相关振动特性试验测试提供硬件支撑与保障。本试验台主体由两台伺服电机、内转子、外转子、前后轴承支架、同步带及带轮、试重盘、模拟螺旋桨等零部件组装而成，结合自主开发的双转子电机驱动控制程序与振动检测系统，能够实现多工况(双转子同轴同转、双转子同轴对转、单转子内轴正反转、单转子外轴正反转)条件下模拟试验台典型位置处的振动值实时提取，探究双转子系统的振动耦合规律，具体试验方法与测试过程能够复现排除测试的偶然性以保证结果的准确可靠与一致性。
2013年，专利CN103308313A公开了一种基础运动航空发动机双转子系统模型试验台。该专利技术基本构件主要包括转台底座、可同步转动的传动轴A和B以及基础转台。内外转子上均设置有红外光学传感器和电涡流传感器，用来检测系统的振动信号。和本专利相比，不同之处在于：本专利的内外轴传动方式是独立可控的，可以根据测试内容的不同单独调整。此外，本专利技术的振动测点是自由布置的，可以根据实际需要选择振动测点的安装位置，振动检测位置相对灵活。
2015年，专利CN204705483U公开了一种航空发动机双转子动态特性研究实验平台。该专利技术中的装置主体结构包括内外转子、夹具、皮带轮、两个电机、轴承座、底座以及防护罩。它能够反映航空发动机在机动飞行条件下高低压双转子系统的动力学真实情况，整体结构较为简洁。和本专利相比，不同之处在于：本专利技术的内外电机驱动由上位机电脑程序控制，可以实现双转子转速的自定义输出，控制方式更为主动与先进。
2018年，专利CN109406152A公开了一种航空发动机对转双转子动力学特性实验平台。该专利技术可实现在弹性支撑、挤压油膜阻尼器、密封气流激振等耦合边界条件下对转双转子动力学特性、机匣动力学特性的实验研究。装置由对转双转子实验台本体、高压空气系统、滑油系统、测控系统组成，对转双转子实验台本体为实验平台的核心部分。和本专利相比，不同之处在于：本专利技术不包含结构阻尼部分以及弹性支撑，内外转子均为刚性支撑转子且工作转速均在临界转速以下。本装置机械结构整体较为紧凑，运行稳定性较强，更进一步，外转子由第二驱动电机通过同步带及带轮传递动力与扭矩，相比于两台电机两套联轴器传动，装置动力源更加丰富，在对特殊问题的研究上具有更强的变通性。
其他相关的专利还有：专利号CN105571867A，一种航空发动机振动控制实验平台；专利号CN112629840A，一种航空发动机转子-支撑-机匣试验器及其测试方法；专利号CN113109054A，一种涡轴发动机整机动力学双转子试验台；专利号CN207336013U，双转子系统耦合不对中模拟装置等。通过对已有对转双转子试验测试平台领域专利技术资料的研究分析，不同的双转子对转试验台都有其各自的优势与创新点。从已经公开的专利技术中可以发现，在对转双转子领域试验台机械结构主体部件都类似，大都为两个电机带动内外两个主轴，配套一些必要的组件最终实现两个转子的对转与同转。区别就在于细节设计有所不同，本发明设计提出并加工装配的模拟桨扇发动机双转子结构整机振动特性分析测控试验台，除了结构近似的主体部分外，还自主开发了驱动电机控制程序与上位机软件交互界面，可以实现内外轴电机转速的自由控制与转向给定，主动控制的自动化程度较高。更优地，机械结构设计从解决实际工程问题出发为整个过程提供了清晰地设计思路与技术储备，缩短了装置研发周期的同时降低了制造成本，填补了航空发动机振动超标故障地面模拟试验台溯源诊断与规律探究等的一系列技术空白。
发明内容
本发明目的在于提出一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，用于针对性开展双转子结构的动力学特性及振动故障溯源问题的诊断分析与试验研究。
本发明采用的技术方案为一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台装置，主要包括内转子驱动电机、外转子驱动电机、电机支架、同步带及带轮、内外转子、内外转子试重盘、前排螺旋桨、后排螺旋桨、胀紧轮、前后轴承支架、底座、支架调整块等部件。首先放置试验台底座，将前后轴承支架螺栓连接安装于底座上，通过轴承安装内外转子。其次，将电机支架安装在后轴承支架上同时安装内转子驱动电机，外转子轴端安装同步带及带轮同时与外转子驱动电机相连，胀紧轮紧顶同步带避免传递功率损失。最后，在外转子上安装后排螺旋桨与外转子试重盘，内转子安装前排螺旋桨与内转子试重盘，试验台连接完成。使用可编程控制器(PLC)作为内外转子驱动电机的动力输出控制模组，该控制器与内外转子驱动电机的伺服电机驱动器相连，通过上位机程序界面实现电脑端的内外转子驱动电机转速与转向控制，为相关振动特性试验开展创造了便利条件。
所述内外轴双转子动力输出方式设计。本发明采用两台伺服电机脉冲加方向的控制模式实现动力扭矩的传输，内转子的转动通过内转子驱动电机输出端动力轴与内转子轴端连接的膜片联轴器传递动力，内转子驱动电机安装于U型电机支架上，同时整个U型电机架通过螺栓预紧安装于后排轴承支架上，内轴轴承位穿过U型电机架中的深沟球轴承与膜片联轴器相连接。此时，整个内轴的动力传输链安装完成。外轴的传动驱动方式为同步带加同步带轮的连接方案，在外轴轴端安装同步带轮、外转子驱动电机端安装配套同步带轮，最后安装同步带以及胀紧轮装置。电机转动通过同步带轮以及同步带的精确动力传输，将输出扭矩作用在外转子上，最终实现外转子的自由正反转动。胀紧轮的设计减小了同步带在运转时的空隙，极大程度上降低了同步带的工作颤振，提高了同步带的稳定性，避免驱动电机因过载报警而停止动作。
所述支架调整块结构。如图2中18、19、20所示，分别为前排轴承支架调整块、后排轴承支架调整块以及外转子驱动电机支架调整块，材质均为普通碳钢加工而成。本试验台的三大核心承重部件分别为前后排轴承支架以及外转子驱动电机支架，这三个部件的安装精度决定了整个试验台运转是否平稳正常。支架调整块首先通过螺栓安装于试验台底座实现本体的固定，其次安装调整螺钉，通过调整块侧面端面的螺纹孔旋入该螺钉直到顶住各支架底部端面，最后根据实际装配情况松紧该调整螺钉以达到调整支架左右平行位置的目的。使各支架保持同高同水平，保证内外转子的安装同轴度，避免测试过程因不对中带来较大的二倍频而影响试验结果的准确性。
所述内、外转子之间采用中介轴承的支撑结构。为了满足本试验台内外双转子结构的独立转动需求，创新性地采用双中介轴承的支撑方案，保证轴承的内外圈都能够独立转动。具体安装方式为：两个中介轴承(深沟球滚动轴承、圆柱滚子轴承)内圈分别套装于内轴轴承端面上，同时旋入紧定六角螺栓实现轴承内圈的定位。此时，将内轴转子连同两个中介轴承一起套装于外轴转子内部，两个中介轴承的外圈同时内嵌于外轴的轴承安装端面上，最后安装外轴的中介轴承端盖实现轴承外圈的定位，双转子结构安装完毕。通过两个中介轴承支撑刚度的介入，外加驱动电机的扭矩输入，通过上位机的程序控制可以实现双转子的同轴对转、同轴同转、外转子单轴正反转、内转子单轴正反转这四种动力输出模式。
所述内外转子试重盘结构。如图2中9、13所示，分别为外轴试重盘与内轴试重盘，外轴试重盘与外轴采用螺栓连接，内轴试重盘与内轴采用胀紧套连接，双盘材质均为超硬铝并采用煮黑表面化学处理方式。此结构主要用来添加配重螺钉，在试重盘的外围加工有一圈螺纹孔用来安装试重螺钉产生偏心质量，进而使双转子系统因质量不平衡产生基频振动。通过在不同的试重盘安装不同质量的螺钉配重，试验台各测点系统产生的振动响应是不一样的，借此结构探究双转子试验台动力学特性与复杂耦合振动传递规律，并开展试验验证。
所述内外转子驱动伺服电机控制系统。创新性地采用可编程控制器(PLC)作为核心控制元器件用于双转子结构的启停、转速以及旋转方向的控制，自主开发上、下位机控制程序并设计人机交互软件UI界面，实现上位机电脑端与下位机PLC的实时数据通讯。与传统伺服电机驱动器控制电机动作相比，此方法控制方式更加简洁便捷、易于操作，可以满足多种试验条件与工况参数。此外，对于高转速试验而言，可以在距离试验台较远的位置控制内外转子驱动电机，显著提高试验过程的安全性，如图5所示。软件功能主要包括：内外轴独立的使能给定、运行停止、时间间隔升速控制(阶梯转速)，双轴同转对转控制以及双轴阶梯转速设定。
与现有技术相比，本发明一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台的设计提出具有以下有益效果：
1、采用自主设计的双转子轴动力传输方案，联轴器加同步带轮的输出方式，既满足了双转子转动的基本功能需求同时很大程度上节省了安装空间，使模拟桨扇发动机双转子试验台结构更加紧凑，提高了传动效率与传动精度。此外，装配过程更加简洁高效，整体可靠度更高。
2、双中介轴承的设计可以满足内外双转子的独立自由转动，如图3中28、29所示，最大限度上模拟出实际桨扇发动机的对转结构。外转子通过中介轴承提供的支撑刚度套装在内转子外部，通过轴承内外圈精准定位限制其轴向位移自由度，配合方式更加稳定可靠。
3、支架调整块与内外轴试重盘的设计。支架调整块可以配合安装用来调整转子试验台的同轴度，解决安装过程轴线不对中的问题，极大地缩短了装配时长，提高了安装效率；内外轴试重盘的开创设计可以在试验测试过程中灵活方便的增加人为配重，改变整个双转子系统的质量分布并产生振动响应，便于开展复杂工况的动力学振动特性试验研究。
4、内外转子伺服电机驱动控制系统。采用搭载了自主程序开发的下位机可编程控制器PLC作为控制中枢，控制方式更加有效稳定。同时，配套开发上位机(PC电脑)人机交互软件界面，实现上下位机的实时通讯与数据传输，使得对同轴双转子的转速以及旋转方向准确设定与控制。此外，上位机的电机驱动远程控制极大地提高了试验的安全性，操作人员可以在远离试验台的地方控制试验转速，避免近距离接触高速转动试验器，人员安全得到了极大的保障。
附图说明
图1是模拟桨扇双转子试验台三维设计图；
图2是模拟双转子试验台零部件结构说明图；
图3是双转子模拟试验台二维设计加工图；
图4是双转子模拟试验台三维结构三视图；
图5是模拟双转子实物结构振动测试示意图。
图号注释：图2中1-试验台防护罩、2-内转子驱动电机、3-外转子驱动电机、4-试验台底座、5-U型电机架、6-膜片联轴器、7-深沟球轴承、8-内转子轴、9-外转子试重盘、10-外转子模拟螺旋桨、11-外转子轴、12-外转子轴承端盖、13-内转子试重盘、14-内转子模拟螺旋桨、15-胀紧套、16-前排轴承支架、17-深沟球轴承、18-前排轴承支架调整块、19-后排轴承支架调整块、20-外转子电机支架调整块、21-弹性挡圈、22-外转子电机支架、23-后排轴承支架、24-电机端皮带轮、25-同步带、26-同步带胀紧轮、27-外转子皮带轮；图3中28-深沟球中介轴承、29-圆柱滚子中介轴承。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：以模拟桨扇发动机双转子试验台同轴同转及同轴对转振动测试为例，具体阐述双转子试验台整机机械结构安装配合关系、内外双转子转速及转向控制形式、内外双转子驱动电机控制软件具体功能。按照如图2所示试验台各结构机械零部件组装双转子试验台主体，四个轴承安装到位，同步带轮与主轴之间通过平键连接传递扭转刚度与扭矩，检查前排螺旋桨与内转子之间的胀紧套连接是否紧实可靠，检查膜片联轴器两端与内轴电机输出端和内转子动力端连接是否紧固，最后，检查双转子模拟试验台所有螺纹紧固件是否预紧无松动。到此，试验台机械硬件结构安装到位。此外，还需检查内外转子各自驱动电机电源动力线与信号控制线安装无误，伺服电机驱动器上电、可编程控制器(PLC)上电、上位机控制电脑给电并打开控制软件，连接串口通讯线与PLC建立数据传输通道。安装实物与驱动电机控制软件界面如图5所示，在内轴、外轴转速文本框内输入试验目标转速，设定内外轴的旋转方向(正向/反向)，点击双轴使能此时内外轴自动锁死，再次点击双轴运行后内外轴按照给定的转速与转向同时缓慢加速直至达到设定值并稳定，最后点击双轴停止，双转子驱动电机刹车单元介入转速降低。关于动力学振动特性测试，采用如图5所示的电涡流位移传感器在内外轴表面水平位置放置，通过在内外轴试重盘上增加螺钉配重产生偏心质量进而出现不平衡振动响应，以此来探究某型桨扇发动机模拟双转子结构复杂振动的耦合情况与传递规律。
实施例2：以模拟桨扇发动机双转子试验台单轴正反转振动测试为例，具体阐述整机机械结构安装配合关系、转子转速及转向控制形式、内外转子驱动电机控制软件独立动作模式。关于双转子模拟试验台软硬件安装调试与实施例1中相同，因此不在赘述。上位机控制界面中只给定内轴或外轴的目标转速以及方向，通过单独设置一个转子的使能、运行与停止，即可以实现内转子或外转子的独立控制，这对于探究单转子的振动响应和动力学特性具有重要的意义。此外，还可以通过设置起始转速、最终转速、间隔时间、间隔转速以满足转子阶梯转速的试验需求，双转子转速控制整体较为灵活多变，测试过程对不同工况的适应性较强。
Claims (6)
1.一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，其特征在于：包括内转子驱动电机、外转子驱动电机、电机支架、同步带及带轮、内外转子、内外转子试重盘、前排螺旋桨、后排螺旋桨、胀紧轮、前后轴承支架、底座、支架调整块；前后轴承支架螺栓连接安装于底座上，通过轴承安装内外转子；电机支架安装在后轴承支架上同时安装内转子驱动电机，外转子轴端安装同步带及带轮同时与外转子驱动电机相连，胀紧轮紧顶同步带避免传递功率损失；在外转子上安装后排螺旋桨与外转子试重盘，内转子安装前排螺旋桨与内转子试重盘，试验台连接完成；用可编程控制器PLC作为内外转子驱动电机的动力输出控制模组，该可编程控制器PLC与内外转子驱动电机的伺服电机驱动器相连，通过上位机程序界面实现电脑端的内外转子驱动电机转速与转向控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，其特征在于：所述内外轴双转子动力输出采用两台伺服电机脉冲加方向的控制模式实现动力扭矩的传输，内转子的转动通过内转子驱动电机输出端动力轴与内转子轴端连接的膜片联轴器传递动力，内转子驱动电机安装于U型电机支架上，整个U型电机架通过螺栓预紧安装于后排轴承支架上，内轴轴承位穿过U型电机架中的深沟球轴承与膜片联轴器相连接；整个内轴的动力传输链安装完成；外轴的传动驱动方式为同步带加同步带轮的连接，在外轴轴端安装同步带轮、外转子驱动电机端安装配套同步带轮，安装同步带以及胀紧轮装置；电机转动通过同步带轮以及同步带的精确动力传输，输出扭矩作用在外转子上，外转子能够自由正反转动。
3.根据权利要求1所述的一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，其特征在于：所述支架调整块结构分别为前排轴承支架调整块、后排轴承支架调整块以及外转子驱动电机支架调整块，材质均为普通碳钢加工而成；试验台的三大核心承重部件分别为前后排轴承支架以及外转子驱动电机支架；支架调整块通过螺栓安装于试验台底座实现本体的固定安装调整螺钉，通过调整块侧面端面的螺纹孔旋入该螺钉直到顶住各支架底部端面，根据实际装配情况松紧该调整螺钉以达到调整支架左右平行位置的目的。
4.根据权利要求1所述的一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，其特征在于：所述内、外转子之间采用中介轴承的支撑结构；两个中介轴承内圈分别套装于内轴轴承端面上，同时旋入紧定六角螺栓实现轴承内圈的定位；内轴转子连同两个中介轴承一起套装于外轴转子内部，两个中介轴承的外圈同时内嵌于外轴的轴承安装端面上，安装外轴的中介轴承端盖实现轴承外圈的定位，双转子结构安装完毕；通过两个中介轴承支撑刚度的介入，外加驱动电机的扭矩输入，通过上位机的程序控制实现双转子的同轴对转、同轴同转、外转子单轴正反转、内转子单轴正反转这四种动力输出模式。
5.根据权利要求1所述的一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，其特征在于：所述内外转子试重盘结构分别为外轴试重盘与内轴试重盘，外轴试重盘与外轴采用螺栓连接，内轴试重盘与内轴采用胀紧套连接，双盘材质均为超硬铝并采用煮黑表面化学处理方式；在试重盘的外围加工有一圈螺纹孔用来安装试重螺钉产生偏心质量，使双转子系统因质量不平衡产生基频振动；通过在不同的试重盘安装不同质量的螺钉配重。
6.根据权利要求1所述的一种用于桨扇同轴对转结构振动特性分析的模拟试验台，其特征在于：所述内外转子驱动伺服电机控制系统采用可编程控制器PLC作为核心控制元器件用于双转子结构的启停、转速以及旋转方向的控制，自主开发上、下位机控制程序并设计人机交互软件UI界面，实现上位机电脑端与下位机PLC的实时数据通讯；所述人机交互软件UI界面包括：内外轴独立的使能给定、运行停止、时间间隔升速控制，双轴同转对转控制以及双轴阶梯转速设定。
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