CN115950581B - 一种转子轴鼠笼测力结构标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机及燃气轮机试验技术领域，公开了一种转子轴鼠笼测力结构标定装置及方法，利用轴向施力组件向转子轴施加多组轴向力的同时，通过径向施力组件向转子轴施加动态径向力和/或静态径向力，获取每组轴向力、径向力施加过程中弹性环测力件上的应变值；以施加的轴向力为因变量，对应弹性环测力件得到的轴向力应变值、动态和/或静态径向力为自变量进行曲线拟合，确定为弹性环测力件应变‑载荷标定曲线。本发明通过同时施加轴向载荷和径向载荷于弹性测力件上，模拟航空发动机推力轴承实际承载情况，实现对转子轴鼠笼测力结构的标定，能够解决航空发动机及燃气轮机轴向力测试无法定量评判径向载荷对轴向力测试结果影响的问题。

Description

一种转子轴鼠笼测力结构标定装置及方法
技术领域
本发明涉及航空发动机及燃气轮机试验技术领域，公开了一种转子轴鼠笼测力结构标定装置及方法。
背景技术
GJB241A中明确规定了发动机首飞前必须完成压力平衡试验，为获得整机上准确的转子轴向力，需将弹性环测力件嵌入至推力轴承附近传递轴向载荷的结构中，进行转子轴向力测量。而为获得弹性环测力件的变形与施加轴向载荷的关系，需对弹性环测力件的载荷—应变关系进行标定。
现有技术中轴向力测试无法定性或定量评判径向载荷对轴向力测试结果影响情况。如专利号：CN109357813A公布了一种弹性测力环标定试验装置，该专利中所述的弹性测力环标定为轴向方向的单独标定，未能模拟推力轴承上同时承载径向力和轴向力载荷时轴向力受载情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转子轴鼠笼测力结构标定装置及方法，通过同时施加轴向载荷和径向载荷，模拟航空发动机推力轴承实际承载情况，实现对转子轴鼠笼测力结构的标定，能够解决航空发动机及燃气轮机轴向力测试无法定量评判径向载荷对轴向力测试结果影响的问题。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种转子轴鼠笼测力结构标定方法，包括：
将安装有弹性环测力件的鼠笼弹性支撑环的外环固定，鼠笼弹性支撑环的内环通过第一轴承与转子轴同轴转动连接；
利用轴向施力组件向转子轴施加多组轴向力，且每组轴向力施加的过程中，通过径向施力组件向转子轴施加一组径向力，所述径向力包括两个相互垂直的动态径向力和/或一个静态径向力；
获取每组轴向力、径向力施加过程中弹性环测力件得到的应变值；
以施加的轴向力为因变量，对应的径向力以及弹性环测力件得到的应变值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件标定曲线。
进一步地，进行曲线拟合的拟合公式为
Figure SMS_1
其中，F为施加的轴向力，A为弹性环测力件得到的应变值，F1、F2均为动态径向力，F3为静态径向力；
Figure SMS_2
表征为发动机转速范围内的圆频率，/>
Figure SMS_3
发动机运行时间；k、b、c为系数，d为常数；通过单独或复合曲线拟合得到k、b、c、d的值，即可得到弹性环测力件标定曲线。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种转子轴鼠笼测力结构标定装置，包括：
转子轴和鼠笼弹性支撑环，所述鼠笼弹性支撑环内环与转子轴外壁之间通过第一轴承同轴转动连接；
弹性环测力件，所述弹性环测力件安装或嵌入于所述鼠笼弹性支撑环上，用于根据鼠笼弹性支撑环的形变响应产生与应变值相关的电信号；
支撑座，所述支撑座与鼠笼弹性支撑环外环固定连接，用于固定鼠笼弹性支撑环；
轴向施力组件，所述轴向施力组件与所述转子轴同轴连接，用于向转子轴施加轴向力；
径向施力组件，所述径向施力组件包括第一径向施力组件、第二径向施力组件以及第三径向施力组件，所述第一径向施力组件、所述第二径向施力均用于向转子轴施加沿转轴轴径向的动态作用力，所述第三径向施力组件用于向转子轴施加沿转轴轴径向的静态作用力；
拟合模块，所述拟合模块用于以施加的轴向力为因变量，对应三个径向力以及弹性环测力件得到的应变值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件标定曲线。
进一步地，转子轴沿轴向设置有安装孔，所述安装孔内插设有径向传力杆，所述径向传力杆外壁与安装孔内壁之间设置有直线轴承，所述径向传力杆远离安装孔的端头转动安装于固定的轴承座上；所述径向施力组件用于向所述径向传力杆施加动态作用力和/或静态作用力。
进一步地，所述第一径向施力组件、第二径向施力组件、第三径向施力组件均与径向传力杆垂直固定，且所述第一径向施力组件对径向传力杆产生的作用力与所述第二径向施力组件对径向传力杆产生的作用力相互垂直。
进一步地，第一径向施力组件、第二径向施力组件的驱动机构均为液压动作筒，第三径向施力组件的驱动机构为液压作动筒或螺纹力矩加载机构；且第一径向施力组件、第二径向施力组件、第三径向施力组件上均设置有径向载荷传感器。
进一步地，轴向施力组件包括与液压作动筒或螺纹力矩加载机构，液压作动筒或螺纹力矩加载装置上设置有轴向载荷传感器。
进一步地，所述第一轴承和所述鼠笼弹性支撑环一体设置，且所述第一轴承位于所述鼠笼弹性支撑环的内环。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过同时施加轴向载荷和径向载荷，模拟航空发动机推力轴承实际承载情况，实现对转子轴鼠笼测力结构的标定，能够解决航空发动机及燃气轮机轴向力测试无法定量评判径向载荷对轴向力测试结果影响的问题。
附图说明
图1为实施例中转子轴鼠笼测力结构标定装置的结构示意图；
图2为实施例中鼠笼弹性支撑环及第一轴承的结构示意图；
图3为实施例中第一径向施力组件、第二径向施力组件以及第三径向施力组件与径向传力杆的安装结构示意图；
其中，1、弹性环测力件；2、鼠笼弹性支撑环；3、第一轴承；4、转子轴；5、轴向施力组件；6、第一径向施力组件；7、第二径向施力组件；8、第三径向施力组件；9、径向传力杆；10、直线轴承；11、轴承座；12、径向载荷传感器；13、轴向载荷传感器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
参见图1-图3，一种转子轴鼠笼测力结构标定方法，包括：
将安装有弹性环测力件1的鼠笼弹性支撑环2的外环固定，鼠笼弹性支撑环2的内环通过第一轴承3与转子轴4同轴转动连接；
利用轴向施力组件5向转子轴4施加多组轴向力，且每组轴向力施加的过程中，通过径向施力组件向转子轴4施加一组径向力，所述径向力包括两个相互垂直的动态径向力和/或一个静态径向力；
获取每组轴向力、径向力施加过程中弹性环测力件1得到的应变值；
以施加的轴向力为因变量，对应的径向力以及弹性环测力件1得到的应变值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件1标定曲线
在本实施例中，转子轴4用于模拟转子的转动过程，通过轴向施力组件5向转子轴4施加多组轴向力，且每组轴向力施加的过程中，通过径向施力组件向转子轴4施加三个径向力；其中两个径向力为相互垂直的动态径向力，另一个为静态径向力；通过获取每组轴向力、径向力施加过程中弹性环测力件1得到的信号值，以施加的轴向力为因变量，对应三个径向力以及弹性环测力件1得到的信号值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件1标定曲线，实现对弹性环测力件1的标定。本实施中的标定方法可以通过同时施加轴向载荷和径向载荷，模拟航空发动机推力轴承实际承载情况，实现对转子轴4鼠笼测力结构的标定，能够解决航空发动机及燃气轮机轴向力测试无法定量评判径向载荷对轴向力测试结果影响的问题。
本实施例中，通过对发动机整机轴承组件上弹性环测力件1的轴向力、径向力（包括静态的径向力和动态的径向力）解耦，获得进行曲线拟合的拟合公式为
Figure SMS_4
其中，F为施加的轴向力，A为弹性环测力件1得到的应变值，F1、F2均为动态径向力，F3为静态径向力；
Figure SMS_5
表征为发动机转速范围内的圆频率，/>
Figure SMS_6
发动机运行时间；k、b、c为系数，d为常数；通过单独或复合曲线拟合得到k、b、c、d的值，即可得到弹性环测力件1标定曲线。
以此获得的标定曲线能合理解释推力轴承上所承受的径向力对弹性环测力件1轴向力测试精度的影响，提高弹性环测力件1的测试精度，实现推力轴承上轴向载荷和径向载荷的综合标定，对轴承载荷和寿命分析起到了重要的作用。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种转子轴4鼠笼测力结构标定装置，包括：
转子轴4和鼠笼弹性支撑环2，所述鼠笼弹性支撑环2内环与转子轴4外壁之间通过第一轴承3同轴转动连接；
弹性环测力件1，所述弹性环测力件1安装或嵌入于所述鼠笼弹性支撑环2上，用于根据鼠笼弹性支撑环2的形变响应产生与应变值相关的电信号；
支撑座，所述支撑座与鼠笼弹性支撑环2外环固定连接，用于固定鼠笼弹性支撑环2；
轴向施力组件5，所述轴向施力组件5与所述转子轴4同轴连接，用于向转子轴4施加轴向力；
径向施力组件，所述径向施力组件包括第一径向施力组件6、第二径向施力组件7以及第三径向施力组件8，所述第一径向施力组件6、所述第二径向施力均用于向转子轴4施加沿转轴轴径向的动态作用力，所述第三径向施力组件8用于向转子轴4施加沿转轴轴径向的静态作用力；
拟合模块，所述拟合模块用于以施加的轴向力为因变量，对应三个径向力以及弹性环测力件1得到的信号值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件1标定曲线。
该转子轴4鼠笼测力结构标定装置能够完成航空发动机或燃气轮机弹性环测力件1在轴向单独加载、径向（包括静态和/或动态的径向载荷）单独加载下，轴向载荷标定试验，能够模拟航空发动机推力轴承上轴向载荷和径向载荷，实现对弹性环测力件1承受径向力作用下对轴向力的综合标定，提高弹性环测力件1的测试精度，对轴承载荷和寿命分析起到了重要的作用。
本实施例中，转子轴4沿轴向设置有安装孔，所述安装孔内插设有径向传力杆9，所述径向传力杆9外壁与安装孔内壁之间设置有直线轴承10，所述径向传力杆9远离安装孔的端头转动安装于固定的轴承座11上；所述径向施力组件用于向所述径向传力杆9施加动态作用力和/或静态作用力。通过直线轴承10与径向传力杆9一端相对滑动实现径向传力杆9与转子轴4的无附加力的相对运动。通过角接触球轴承径向固定径向传力杆9，且通过定位螺母和滚珠等，实现径向传力杆9在轴向方向固定，定位螺母起到支撑径向传力杆9的重力作用，且施加径向载荷的过程中，存在径向定位螺母与作用面摩擦，可通过滚珠减小或消除作用在定位螺母上的摩擦力。
本实施例中，第一径向施力组件6、第二径向施力组件7、第三径向施力组件8均与径向传力杆9垂直固定，且所述第一径向施力组件6对径向传力杆9产生的作用力与所述第二径向施力组件7对径向传力杆9产生的作用力相互垂直。能够通过对发动机整机轴承组件上弹性环测力件1的轴向力、径向力（包括静态的径向力和动态的径向力）解耦，实现对弹性环测力件1承受径向力作用下对轴向力的综合标定。
本实施例中，第一径向施力组件6、第二径向施力组件7的驱动机构均为液压动作筒，第三径向施力组件8的驱动机构为液压作动筒或螺纹力矩加载机构；且第一径向施力组件6、第二径向施力组件7、第三径向施力组件8上均设置有径向载荷传感器12。静态径向力可以通过液压动作筒或螺纹力矩加载机构进行加载，并使用径向载荷传感器12获得径向加载力；而动态径向力为具有一定频率、振幅的激振，其加载过程需要通过液压动作筒（液压动作筒采用控制器控制）实现，也需要通过径向载荷传感器12获得径向加载力。需要说明的是，采用螺纹力矩加载机构进行加载时，螺纹加载杆与第三径向施力组件8之间采用铰接头铰接的形式，确保第三径向施力组件8不会发生偏转。
同样，轴向施力组件5包括与液压作动筒或螺纹力矩加载机构，液压作动筒或螺纹力矩加载装置上设置有轴向载荷传感器13。如本实施例附图1中示意出了采用螺纹力矩加载装置进行轴向力的加载的结构示意图
本实施例中的第一轴承3和所述鼠笼弹性支撑环2一体设置，且所述第一轴承3位于所述鼠笼弹性支撑环2的内环。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种转子轴鼠笼测力结构标定方法，其特征在于，包括：
将安装有弹性环测力件的鼠笼弹性支撑环的外环固定，鼠笼弹性支撑环的内环通过第一轴承与转子轴同轴转动连接；
利用轴向施力组件向转子轴施加多组轴向力，且每组轴向力施加的过程中，通过径向施力组件向转子轴施加一组径向力，所述径向力包括两个相互垂直的动态径向力和/或一个静态径向力；
获取每组轴向力、径向力施加过程中弹性环测力件得到的应变值；
以施加的轴向力为因变量，对应的径向力以及弹性环测力件得到的应变值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件标定曲线；进行曲线拟合的拟合公式为
Figure QLYQS_1
其中，F为施加的轴向力，A为弹性环测力件得到的应变值，F1、F2均为动态径向力，F3为静态径向力；
Figure QLYQS_2
表征为发动机转速范围内的圆频率，/>
Figure QLYQS_3
发动机运行时间；k、b、c为系数，d为常数；通过单独或复合曲线拟合得到k、b、c、d的值，即可得到弹性环测力件标定曲线。
2.一种转子轴鼠笼测力结构标定装置，该装置用于实施权利要求1中的转子轴鼠笼测力结构标定方法，其特征在于，包括：
转子轴和鼠笼弹性支撑环，所述鼠笼弹性支撑环内环与转子轴外壁之间通过第一轴承同轴转动连接；
弹性环测力件，所述弹性环测力件安装或嵌入于所述鼠笼弹性支撑环上，用于根据鼠笼弹性支撑环的形变响应产生与应变值相关的电信号；
支撑座，所述支撑座与鼠笼弹性支撑环外环固定连接，用于固定鼠笼弹性支撑环；
轴向施力组件，所述轴向施力组件与所述转子轴同轴连接，用于向转子轴施加轴向力；
径向施力组件，所述径向施力组件包括第一径向施力组件、第二径向施力组件以及第三径向施力组件，所述第一径向施力组件、所述第二径向施力均用于向转子轴施加沿转轴轴径向的动态作用力，所述第三径向施力组件用于向转子轴施加沿转轴轴径向的静态作用力；
拟合模块，所述拟合模块用于以施加的轴向力为因变量，对应三个径向力以及弹性环测力件得到的应变值为自变量进行曲线拟合，得到的曲线关系式确定为弹性环测力件标定曲线。
3.根据权利要求2所述的转子轴鼠笼测力结构标定装置，其特征在于，所述转子轴沿轴向设置有安装孔，所述安装孔内插设有径向传力杆，所述径向传力杆外壁与安装孔内壁之间设置有直线轴承，所述径向传力杆远离安装孔的端头转动安装于固定的轴承座上；所述径向施力组件用于向所述径向传力杆施加动态作用力和/或静态作用力。
4.根据权利要求3所述的转子轴鼠笼测力结构标定装置，其特征在于，所述第一径向施力组件、第二径向施力组件、第三径向施力组件均与径向传力杆垂直固定，且所述第一径向施力组件对径向传力杆产生的作用力与所述第二径向施力组件对径向传力杆产生的作用力相互垂直。
5.根据权利要求4所述的转子轴鼠笼测力结构标定装置，其特征在于，第一径向施力组件、第二径向施力组件的驱动机构均为液压动作筒，第三径向施力组件的驱动机构为液压作动筒或螺纹力矩加载机构；且第一径向施力组件、第二径向施力组件、第三径向施力组件上均设置有径向载荷传感器。
6.根据权利要求2所述的转子轴鼠笼测力结构标定装置，其特征在于，轴向施力组件包括与液压作动筒或螺纹力矩加载机构，液压作动筒或螺纹力矩加载装置上设置有轴向载荷传感器。
7.根据权利要求2所述的转子轴鼠笼测力结构标定装置，其特征在于，所述第一轴承和所述鼠笼弹性支撑环一体设置，且所述第一轴承位于所述鼠笼弹性支撑环的内环。
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