碰摩故障模擬試驗器設(shè)計

陳建云，李云輝，曹慶宇，徐升

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，南京 211899；3.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況惡劣，整機(jī)振動超標(biāo)現(xiàn)象非常普遍，直接影響飛機(jī)的飛行安全。由于無法準(zhǔn)確識別振動原因和定位故障位置，發(fā)動機(jī)遇到振動問題經(jīng)常是反復(fù)分解、裝配，無法針對性地解決，導(dǎo)致整機(jī)振動超標(biāo)經(jīng)常危及發(fā)動機(jī)研制進(jìn)度或造成嚴(yán)重事故[1-2]。

整機(jī)振動故障抑制技術(shù)是發(fā)動機(jī)耐久性和可靠性提升的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，而轉(zhuǎn)靜子碰摩故障是導(dǎo)致整機(jī)振動的重要因素之一，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)由于追求高推重比、低耗油率以及高轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子與靜子的間隙越來越小，轉(zhuǎn)靜子間碰摩故障發(fā)生的概率隨之增大[4-6]。轉(zhuǎn)靜子間碰摩一旦發(fā)生，將會使轉(zhuǎn)靜子間的間隙增大從而使其工作效率降低，嚴(yán)重時還會使葉片折斷[7-9]。而封嚴(yán)結(jié)構(gòu)與軸之間的碰摩會使封嚴(yán)結(jié)構(gòu)損壞，并使軸局部發(fā)熱引起熱彎曲從而使振動加劇。同時，轉(zhuǎn)靜子碰摩將引起轉(zhuǎn)子發(fā)生非協(xié)調(diào)進(jìn)動，在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生交變應(yīng)力，促使轉(zhuǎn)子疲勞破壞[10]。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對轉(zhuǎn)靜子碰摩故障開展了大量的研究工作[11-13]。Powrie等[14]采用靜電監(jiān)測技術(shù)開展了發(fā)動機(jī)碰摩故障監(jiān)測試驗，并提出了靜電信號軸頻分析的定義。要研究航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障的機(jī)理和特性，開展整機(jī)振動故障診斷與抑制技術(shù)驗證，需要依靠結(jié)構(gòu)完整、性能優(yōu)良的故障模擬試驗器；馬輝等[7，15]搭建了葉片碰摩試驗臺，并建立了轉(zhuǎn)子-盤片-機(jī)匣的有限元碰摩模型，通過將計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了模型的有效性；張希等[16]設(shè)計了轉(zhuǎn)子扭振與故障模擬多功能試驗臺，可用于轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析與轉(zhuǎn)子多故障的模擬和振動測試分析；陳果等[3，9]建立了滾動軸承支承下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡-碰摩-基礎(chǔ)松動耦合故障試驗器；褚福磊建立了單轉(zhuǎn)子盤軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子試驗臺；劉長利等也建立了單轉(zhuǎn)子碰摩故障的試驗裝置。

在現(xiàn)有技術(shù)中，對碰摩故障的研究多集中于單葉片系統(tǒng)，針對盤片-機(jī)匣耦合系統(tǒng)僅能模擬徑向的單點碰摩或局部碰摩故障，相應(yīng)的碰摩裝置只有徑向自動進(jìn)給功能。本文設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)徑向及軸向碰摩的試驗器來模擬小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的典型碰摩故障，并配置了數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，可用于轉(zhuǎn)子在碰摩故障條件下轉(zhuǎn)子動力學(xué)測試與分析，為研究整機(jī)振動故障抑制技術(shù)提供支持。

1 試驗器的結(jié)構(gòu)組成

碰摩故障模擬試驗器能由驅(qū)動裝置、試驗器主體、防護(hù)系統(tǒng)和電氣及測試分析系統(tǒng)組成，夠全面模擬發(fā)動機(jī)的典型碰摩故障，試驗器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碰摩故障模擬試驗器結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置由電機(jī)、電機(jī)支承以及聯(lián)軸器組成。電機(jī)為試驗器提供動力，功率為30 kW，最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min，使用壽命不低于4000 h，具有在轉(zhuǎn)速為1000～5000 r/min內(nèi)，控制精度不低于±0.5%的能力。選用的膜片聯(lián)軸器適用于轉(zhuǎn)速高的工況，并且具有較好的平衡性能及撓性，適用于本試驗器。

1.2 試驗器主體

試驗器主體由轉(zhuǎn)子支承、轉(zhuǎn)子、碰摩裝置組成。轉(zhuǎn)子安裝在2個轉(zhuǎn)子支承上，通過轉(zhuǎn)子支承上的墊片保證試驗器主體標(biāo)高為600 mm；自動進(jìn)給碰摩裝置安裝于對開機(jī)匣上（可拆卸），可徑向、軸向進(jìn)給，并且對開機(jī)匣可整體自動橫向移動，通過伺服電機(jī)來實現(xiàn)自動進(jìn)給，保證進(jìn)給量、橫向位移、進(jìn)給速率及進(jìn)給精度。

1.3 防護(hù)系統(tǒng)

防護(hù)系統(tǒng)包括防護(hù)裝置和限振幅裝置。防護(hù)裝置具有防轉(zhuǎn)盤破裂沖擊能力，起到安全防護(hù)的作用，由端面防護(hù)焊接件和防護(hù)罩組成，全面防護(hù)試驗過程中出現(xiàn)的緊急情況。攝像設(shè)備放置在防護(hù)罩外，在端面防護(hù)板上開設(shè)圓孔，便于利用攝像設(shè)備觀察防護(hù)罩內(nèi)試驗器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況。限振幅裝置用于限制試驗器的在運行過程中的振幅≤20 mm，并可沿軸向移動。限振幅裝置主要由底座、限位環(huán)、滾輪組件構(gòu)成。限位環(huán)由上下2個半環(huán)構(gòu)成，共裝有3個滾輪組件，可按要求調(diào)整所限振幅的大小。

1.4 電氣控制及測試分析系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)以可編程控制器為主控制器，與變頻驅(qū)動裝置和上位計算機(jī)共同組成工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，按工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各節(jié)點功能可分為用于操作監(jiān)控的上位機(jī)和用于設(shè)備控制的下位機(jī)。

測試分析系統(tǒng)包含振動傳感器、采集設(shè)備、計算機(jī)和測試分析軟件。試驗件的振動值經(jīng)振動傳感器測量、信號調(diào)理器調(diào)理變換后，由采集設(shè)備采集到計算機(jī)內(nèi)，通過測試分析軟件進(jìn)行存儲、分析，并具有FFT、自譜、互譜、自相關(guān)、互相關(guān)、瀑布圖、圖譜數(shù)據(jù)輸出等功能。

2 試驗器主體設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)子支承設(shè)計

轉(zhuǎn)子支承主要由軸承座、壓塊、連接板、立柱以及頂絲組成，通過徑向頂絲調(diào)節(jié)軸承座徑向位置，通過軸向頂絲調(diào)節(jié)軸承座軸向位置（利用導(dǎo)向鍵導(dǎo)向），通過連接板上的頂絲孔和墊片調(diào)節(jié)軸承座高度，通過壓塊將軸承座和連接板固定到支座上。轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)如圖2所示。軸承座設(shè)計為上下對開的形式，方便轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的更換。立柱采用鑄造件，在支承上設(shè)置2個直徑為30 mm的通孔，在試驗過程中用于調(diào)節(jié)支承的固有頻率，材質(zhì)為QT400球墨鑄鐵，與基礎(chǔ)鋼平臺通過螺栓剛性連接。

圖2 轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計

轉(zhuǎn)子由軸、帶模擬葉片盤、帶篦齒葉冠盤、帶篦齒鼓筒盤、脹套和軸承等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。3種轉(zhuǎn)盤與軸之間均通過脹套連接，軸承通過螺母軸向固定，并通過鼠籠式彈性支承與轉(zhuǎn)接環(huán)安裝到軸承座上，用端蓋進(jìn)行封堵，防止雜質(zhì)進(jìn)入。為滿足轉(zhuǎn)速要求并保證試驗時試驗器安全可靠地運行，靠近電機(jī)的軸承采用深溝球軸承，以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的工況并作為固定點；尾端軸承采用圓柱滾子軸承，以保證試驗時轉(zhuǎn)子的撓度引起的軸向轉(zhuǎn)動。采用鼠籠式彈性支撐，以調(diào)整轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。與驅(qū)動裝置連接的軸頭采用花鍵形式，可傳遞較大的扭矩。軸和盤的材料均為45鋼，葉片及篦齒的材料為20鋼，葉尖及篦齒進(jìn)行滲碳處理。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.3 碰摩裝置設(shè)計

碰摩裝置由對開機(jī)匣、機(jī)匣支承立柱、徑向進(jìn)給模塊、軸向進(jìn)給模塊及橫向位移模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。機(jī)匣設(shè)計為上下對開機(jī)匣，鑄造成型。機(jī)匣圓周上有4個徑向進(jìn)給裝置，機(jī)匣端面有1個軸向進(jìn)給裝置，在機(jī)匣支承上有1個橫向位移裝置，并設(shè)有鎖死結(jié)構(gòu)。徑向、軸向進(jìn)給量及機(jī)匣橫向位移均為20 mm，伺服電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器，保證進(jìn)給速率不大于0.2 mm/s，進(jìn)給精度不超過5%。機(jī)匣支承立柱采用鑄件，與基礎(chǔ)平臺間有導(dǎo)向鍵，以保證整個碰摩裝置可沿軸向移動。徑向和軸向碰摩塊都由固定件和可拆卸件組成?？刹鹦恫糠钟猩刃闻瞿K和錐體碰模塊2種結(jié)構(gòu)，分別選用不同材料（鋼、銅、鋁、石墨），以模擬不同硬度材料之間的碰摩故障，扇形碰模塊用于模擬葉片與機(jī)匣之間的碰摩，錐體碰模塊用于模擬轉(zhuǎn)子與封嚴(yán)篦齒之間的碰摩。固定件和可拆卸件通過螺紋連接，方便更換、拆卸。

圖4 碰摩裝置結(jié)構(gòu)

2.4 模態(tài)分析

對轉(zhuǎn)子進(jìn)行簡化，由于轉(zhuǎn)子支承剛度較大，視其為剛性，因此只考慮軸承的影響。軸承采用ANSYS的虛擬軸承模型，左端為深溝球軸承，右端為圓柱滾子軸承，其動力系數(shù)見表1。通過UG建立計算模型，采用SOLID187單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并用Workbench模塊對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行計算分析。約束軸兩端面的軸向位移自由度，其它方向自由。試驗器工作轉(zhuǎn)速設(shè)置為0～5000 r/min。經(jīng)過計算得出轉(zhuǎn)子的1階臨界轉(zhuǎn)速為1825.5 r/min，所選用的驅(qū)動裝置能夠使轉(zhuǎn)子快速地越過臨界轉(zhuǎn)速，避免引起系統(tǒng)強(qiáng)烈振動。其振型如圖5所示。

表1 軸承動力系數(shù)

圖5 轉(zhuǎn)子振型

2.5 試驗過程

在試驗時，由驅(qū)動裝置驅(qū)動轉(zhuǎn)子達(dá)到試驗轉(zhuǎn)速值，由碰摩裝置通過伺服電機(jī)控制徑向碰摩塊與其中1個轉(zhuǎn)盤發(fā)生徑向碰摩，另外2個轉(zhuǎn)盤移至軸的一端鎖緊，用于模擬徑向單點碰摩、多點碰摩以及機(jī)匣與不同結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)子之間的徑向碰摩故障。通過伺服電機(jī)控制軸向碰摩塊與帶篦齒葉冠盤的端面碰摩，用于模擬轉(zhuǎn)靜子之間的軸向碰摩故障。隨著進(jìn)給量的增加（0～20 mm），轉(zhuǎn)子的振動情況也隨之變化。另外，利用固定在機(jī)匣支撐上的伺服電機(jī)帶動直線滑動平臺可實現(xiàn)機(jī)匣的整體橫向移動，用于模擬轉(zhuǎn)靜子的偏心碰摩故障。還可以通過更換碰摩塊材料，模擬不同硬度材料之間的轉(zhuǎn)靜子碰摩，整個試驗過程均由防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)。

通過非接觸式位移傳感器測試不同轉(zhuǎn)速以及不同碰摩工況下轉(zhuǎn)軸的振動相應(yīng)信號，并利用測試分析系統(tǒng)采集、分析轉(zhuǎn)子的振動數(shù)據(jù)，研究碰摩進(jìn)給量、碰摩結(jié)構(gòu)、碰摩材料、碰摩位置與振動特性的關(guān)系。

3 強(qiáng)度校核

3.1 軸強(qiáng)度校核

轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度主要考慮在轉(zhuǎn)盤重力作用下的彎曲應(yīng)力。由材料力學(xué)知識可知，2根轉(zhuǎn)軸可簡化為簡支梁進(jìn)行計算。其彎矩如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)軸彎矩

從圖中可見，轉(zhuǎn)軸危險截面為篦齒鼓筒盤懸掛處，其最大彎矩為143 N·m，其最大彎曲應(yīng)力σmax=Mmax/W=23 MPa，而軸材料為45鋼，其屈服極限為355 MPa，因此有足夠的靜強(qiáng)度儲備系數(shù)。

3.2 盤強(qiáng)度校核

盤的靜強(qiáng)度主要考慮高速旋轉(zhuǎn)情況下引起的離心力，采用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度分析。轉(zhuǎn)盤采用Workbench前處理軟件劃分網(wǎng)格，并用靜力學(xué)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)盤強(qiáng)度分析。對轉(zhuǎn)盤中心孔表面施加圓柱面約束，約束軸向及切向位移，試驗器最大工作轉(zhuǎn)速為5000 r/min，對模型施加轉(zhuǎn)速載荷，并對盤中心孔施加脹套的脹緊力89 MPa。盤材料參數(shù)見表2。

表2 盤材料參數(shù)

通過計算分析得到3個轉(zhuǎn)盤的最大應(yīng)力分別為189、211、245 MPa，都分布在中心孔表面，應(yīng)力如圖7所示（帶模擬葉片盤取包含1個葉片的扇形段，帶篦齒葉冠盤、帶篦齒鼓筒盤取整個盤的1/4）。與表2中材料參數(shù)對比表明，盤的強(qiáng)度滿足要求，有一定的安全系數(shù)。

圖7 3個轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力

3.3 對開機(jī)匣強(qiáng)度校核

對徑向和軸向碰摩狀態(tài)分別建立UG模型，并應(yīng)用ANSYS進(jìn)行了強(qiáng)度計算分析，如圖8所示。得到徑向、軸向碰摩狀態(tài)的最大應(yīng)力分別為36、88 MPa，均滿足機(jī)匣材料（鑄鋼）的強(qiáng)度要求。

圖8 機(jī)匣強(qiáng)度計算加載模型

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計的試驗器具有模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障的功能，能夠模擬不同形式、不同長度、不同材料的轉(zhuǎn)子與靜子的碰摩故障，并且徑向碰摩、軸向碰摩可自動進(jìn)給。

（2）試驗器還具有監(jiān)視轉(zhuǎn)子運動情況的能力，能夠檢測并分析轉(zhuǎn)軸振動響應(yīng)信號，歸納出碰摩故障典型特征和識別方法，為“發(fā)動機(jī)整機(jī)振動抑制技術(shù)”研究提供驗證手段。