裝配工藝對超高速試驗軸系預(yù)緊力的影響研究

連軍偉 錢云方 董麗雙

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裝配工藝對超高速試驗軸系預(yù)緊力的影響研究

連軍偉 錢云方 董麗雙

（北京航天動力研究所，北京 100076）

針對某型號火箭發(fā)動機(jī)低溫軸承進(jìn)行超高轉(zhuǎn)速試驗時異常振動現(xiàn)象，為保證試驗軸系工作時保持較好的穩(wěn)定性，開展了仿真分析和工藝研究。通過ANSYS仿真，分析了不同預(yù)緊力對試驗軸系固有頻率的影響，并通過靜態(tài)錘擊試驗驗證軸系固有頻率對于試驗激勵頻域有充分的裕度。為保證試驗軸系的裝配工藝具有較好的一致性，研究了軸系的螺紋預(yù)緊的裝配工藝。研制了一套預(yù)緊力檢測系統(tǒng)，采用單因素法對試驗軸系的有效預(yù)緊力的主要影響因素進(jìn)行了研究，并明確了各影響因素對軸系預(yù)緊力的散差度。為進(jìn)一步優(yōu)化裝配工藝提供了依據(jù)。

軸系；預(yù)緊力；振動；模態(tài)分析；固有頻率

1 引言

隨著我國航天技術(shù)的飛速發(fā)展，火箭系統(tǒng)對某型號上面級氫氧發(fā)動機(jī)的推力要求提升，由此，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速必須相應(yīng)提高，這就對渦輪泵軸承提出了更高的轉(zhuǎn)速要求。為了降低故障風(fēng)險，通常采用進(jìn)行大量地面試驗的方法和途徑來研究軸承壽命和可靠性。低溫軸承試驗的裝配工藝質(zhì)量，嚴(yán)重影響軸承批次驗收進(jìn)度和發(fā)動機(jī)試車配套需求。

針對低溫軸承試驗軸系進(jìn)行超高轉(zhuǎn)速試驗時異常振動情況，本文以某型號發(fā)動機(jī)氫渦輪泵軸承試驗軸系為研究對象，進(jìn)行模態(tài)仿真計算和裝配工藝研究。軸系裝配中使用的連接是螺紋連接，裝配工藝的好壞直接體現(xiàn)在軸系預(yù)緊力散差大小。因此，提高螺紋連接的剛性及緊密性是保證裝配質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1～8]。本文通過試驗尋找軸系各部件（如圖1所示）裝配狀態(tài)對預(yù)緊力的散差度，研究了軸承壓帽不同裝配狀態(tài)對試驗軸系軸向預(yù)緊力的影響，及不同軸向力對軸系模態(tài)的影響[9～13]。為后續(xù)優(yōu)化裝配狀態(tài)，完善工藝規(guī)程提供了可靠依據(jù)。

圖1 試驗軸系

2 仿真分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的動力特性，即自振頻率和模態(tài)振型。系統(tǒng)的運動微分方程為：

式（1）中，、和分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。和分別是系統(tǒng)各節(jié)點的位移向量和載荷向量。

ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析時，試驗軸系材料屬性設(shè)置如下：EX=2.1×1011Pa，泊松比PRXY=0.28，材料密度=7850kg/m3，試驗軸系有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

表1 不同預(yù)緊力下軸系的前三階模態(tài)

試驗軸系在不同軸向預(yù)緊力下前三階固有頻率見表1。該型號發(fā)動機(jī)軸承試驗轉(zhuǎn)速為75000r/min，即激勵頻率達(dá)1250Hz，由表1中不同狀態(tài)下對轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)子的固有頻率遠(yuǎn)離試驗激勵頻率。不同軸向預(yù)緊力情況下試驗軸系的模態(tài)幾乎沒有影響，軸承壓帽的軸向預(yù)緊力對試驗軸系固有頻率的影響可忽略不計。

由圖3和圖4可知，未帶軸向預(yù)緊力和3000N軸向預(yù)緊力時試驗軸系前三階振型規(guī)律表現(xiàn)一致，均為彎曲模態(tài)。

圖3 未帶預(yù)緊力時前三階位移振型

圖4 預(yù)緊力為3000N時前三階位移振型

3 軸向預(yù)緊力檢測試驗

為滿足軸承試驗軸系測試需求，搭建了一套有效軸向預(yù)緊力采集系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)原理見圖5。該檢測系統(tǒng)包括：應(yīng)變片傳感器、電源/控制器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)（控制軟件）。該檢測系統(tǒng)利用A/D數(shù)據(jù)采集卡采集測試信號，通過采集軟件讀取并對信號數(shù)碼顯示。

圖5 檢測系統(tǒng)原理

在試驗轉(zhuǎn)子靜態(tài)下，使用由應(yīng)變片配置成四分之一橋路并帶有補(bǔ)償應(yīng)變片的傳感器進(jìn)行應(yīng)變測量，彈性模量=2.1×1011Pa。補(bǔ)償應(yīng)變片可以消除自發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化對橋路的影響。

利用搭建的有效預(yù)緊力檢測系統(tǒng)，對試驗軸系進(jìn)行軸向預(yù)緊力的檢測。通過軸、套筒、軸承和軸承壓帽組合裝配，對軸承壓帽施加定扭矩，測量軸系應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為軸向力，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定軸承試驗軸系預(yù)緊力的影響因素。

3.1 潤滑條件對預(yù)緊力的影響

在生產(chǎn)加工過程中不可避免造成軸承壓帽螺紋表面粗糙度不同或者裝配過程中造成的潤滑狀態(tài)不同。導(dǎo)致在不同潤滑狀態(tài)下的試驗軸系在螺紋預(yù)緊處的預(yù)緊力同一性散差比較大。

針對潤滑條件對螺紋預(yù)緊力的影響，本試驗選擇了一個試驗轉(zhuǎn)子和三個軸承壓帽進(jìn)行研究，三個軸承壓帽分別標(biāo)記為1、2、3，保證其他裝配條件相同。軸承壓帽在干摩擦、涂少量脂膏擦拭干凈和涂大量脂膏不擦拭情況下，緩慢施加力矩至35N·m，連續(xù)3次校核力矩，記錄所測量應(yīng)力，再轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力。試驗數(shù)據(jù)下列各表所示。

最大散差計算如下：

max

從表2可知，干摩擦狀態(tài)下，校核三次后最大散差值在4%以內(nèi)。從表3可知，涂抹少量脂膏并擦拭干凈，校核三次最大散差值在7%以內(nèi)。從表4可知，涂抹大量脂膏不擦拭下，校核三次最大散差在9%以內(nèi)。在相同的潤滑條件下，不同軸承壓帽預(yù)緊力的最大散差各不相同，1號軸承壓帽最大，3號軸承壓帽最小。

表2 干摩擦

表3 涂少量脂膏擦拭干凈

表4 涂大量脂膏不擦拭

圖6 軸向預(yù)緊力最大散差隨潤滑狀態(tài)的變化

如圖6所示，在不同潤滑條件下，相同軸承壓帽預(yù)緊力的最大散差各不相同，在潤滑脂稍多時預(yù)緊力最大散差最大，在干摩擦狀態(tài)下預(yù)緊力最大散差最小。

3.2 螺紋質(zhì)量對軸向預(yù)緊力的影響

螺紋加工過程中不可避免存在誤差，使螺紋尺寸出現(xiàn)差異。即使在相同的裝配條件下，名義尺寸相同的不同螺紋預(yù)緊力各不相同。

選取上述已標(biāo)記的三個軸承壓帽進(jìn)行本試驗。試驗中使用TESA的表面輪廓度儀對所用三個軸承壓帽表面輪廓進(jìn)行了測量，如圖7所示，測量結(jié)果見表7。

圖7 軸承壓帽螺紋表面輪廓度

表7 各軸承壓帽螺紋尺寸

在保證其他裝配條件相同的情況下，研究螺紋質(zhì)量對軸向預(yù)緊力的影響。試驗測的不同軸承壓帽對應(yīng)的軸向應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為軸向力，做出散點圖。如圖8所示，在施加力矩相同情況下2號軸承壓帽預(yù)緊力最大，1號次之，3號最小，說明軸承壓帽的螺紋質(zhì)量是影響預(yù)緊力的重要因素。由于更換不同軸承壓帽造成的預(yù)緊力散差可達(dá)9.4%。

圖8 不同軸承壓帽預(yù)緊力比較

3.3 套筒周向相對位置對預(yù)緊力的影響

本試驗研究軸系裝配過程中套筒周向角度位置是否對試驗軸系預(yù)緊力產(chǎn)生影響。試驗軸系上左右兩個套筒分別標(biāo)記套筒1和套筒2。套筒外圓每間隔120°進(jìn)行標(biāo)記。套筒1固定不動，套筒2逆時針旋轉(zhuǎn)，保證套筒1和套筒2呈現(xiàn)0°-0°；0°-120°；0°-240°。在其他裝配條件相同的條件下，測量試驗軸系在三種情況下的預(yù)緊力，并做出散點圖。

在其他裝配條件相同的情況下，通過改變套筒1和套筒2角度，軸向預(yù)緊力變化較小，如圖9所示，其最大散差僅為4.6%。說明軸向預(yù)緊力沿軸系周向傳遞過程中，套筒角度位置的變化對其影響較小。試驗軸系在進(jìn)行組合動平衡后沿軸向刻線保證軸系裝配狀態(tài)的一致性，可以減小軸向預(yù)緊力的散差，較好地保持試驗裝配狀態(tài)的同一性。

圖9 套筒周向位置對預(yù)緊力的影響

4 靜態(tài)錘擊試驗

為進(jìn)一步研究裝配工藝對軸系固有頻率的影響，對自由支撐下的試驗軸系進(jìn)行錘擊試驗，即使用軟繩把軸系懸吊起來，進(jìn)行敲擊。從力錘頭部的力傳感器獲得激振力信號，粘結(jié)在軸系上的加速度傳感器獲得相應(yīng)的振動相應(yīng)，通過電荷放大器送入信號分析儀，分析儀自帶濾波器可抑制干擾信號和濾除高頻混淆信號。分析儀對濾波后的信號進(jìn)行快速傅里葉變換，得到軸系的頻響函數(shù)。

試驗軸系進(jìn)行靜態(tài)錘擊試驗時所得到的試驗結(jié)果曲線如圖10、圖11所示。表8為錘擊試驗和仿真計算的比對值，其一階固有頻域相對誤差僅為1.77%。由于試驗轉(zhuǎn)速在低溫環(huán)境下的轉(zhuǎn)速達(dá)75000r/min，試驗軸系激勵頻率為1250Hz，一階固有頻域相對于試驗軸系激勵頻率有充分的裕度。

表8 自由支撐下模態(tài)與仿真計算對比

圖10 激勵力的時域信號

圖11 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

5 結(jié)束語

本文以超高速軸承試驗軸系為研究對象，對其在不同預(yù)緊力下的模態(tài)進(jìn)行了仿真分析和螺紋預(yù)緊的裝配工藝進(jìn)行了研究得到結(jié)論如下：

a. 不同預(yù)緊力對試驗軸系的固有頻率影響較小，可忽略不計。

b. 仿真分析與自由狀態(tài)的錘擊試驗相對誤差僅為1.77%，驗證了試驗軸系的一階固有頻率相對于激勵頻率有充分裕度。

c. 分析了裝配工藝中影響試驗軸系預(yù)緊力的主要三種因素，為后續(xù)完善裝配工藝提供了可靠依據(jù)。

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Study on Effects of Assembly Process on Preload of Shafting of Super High Speed Test

Lian Junwei Qian Yunfang Dong Lishuang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

In view of the abnormal vibration phenomenon of a cryogenic bearing of rocket engine at super high speed, the simulation analysis and assembly process are carried out to ensure that the shaft system works well. Through the ANSYS simulation, the influence of different preload on the natural frequency of the test shaft system is analyzed, and the natural frequency of the system is fully evaluated for the test excitation frequency by static hammering test. In order to ensure the consistency of the assembly process of the experimental shafting, the assembly process of the thread preload of the shafting is studied. A set of preload testing system is developed, and the main influencing factors of the effective preload of the single factor method are studied. The dispersion degree of the influence factors to the preload of the shafting is clarified. The research provides the basis for the further optimization of the assembly process.

shafting；preload；vibration；modal analysis；natural frequency

連軍偉（1984），工程師，機(jī)械電子專業(yè)；研究方向：轉(zhuǎn)子動力學(xué)及微納米摩擦學(xué)。

2018-03-06