基于光幕測試某旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子動態(tài)變形的技術研究

韓 軒 易建華

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，離心力使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向的變形，轉(zhuǎn)子變粗變短，這種現(xiàn)象被稱為回轉(zhuǎn)效應或泊松效應，當轉(zhuǎn)速降低時，離心力的作用減小，轉(zhuǎn)子又變細變長，徑長又回到原來的狀態(tài)。

某旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子是空心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子在升降速過程中，在離心力的作用下會由于泊松效應產(chǎn)生較大變形，其工作狀態(tài)下的變形情況（即動態(tài)變形）是其應力大小的直接體現(xiàn)。為全面了解轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)，對轉(zhuǎn)子的徑向及軸向變化進行測試是十分必要的。目前的設計中，轉(zhuǎn)子的應力和變形都是通過有限元分析得到的，其分析結(jié)果并沒有進行充分的試驗驗證。由于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子的材料參數(shù)和幾何尺寸與有限元分析采用的參數(shù)是存在區(qū)別的，而且在分析中存在大量非線性因素的影響，如幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等，其計算精度與采用的非線性解法密切相關。所以，對于轉(zhuǎn)子的有限元分析結(jié)果必須進行試驗驗證，而轉(zhuǎn)子動態(tài)變形的測量就是對有限元分析進行試驗驗證的理想手段。

轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的過程中，存在著隨轉(zhuǎn)速變化的偏心和振動，會對變形測量結(jié)果產(chǎn)生嚴重影響。所以，同靜態(tài)測量相比，在運行過程中測量轉(zhuǎn)子的動態(tài)變形是比較困難的。通過比較多種位移傳感器，選擇了基于光幕投影原理的幕簾千分尺作為測量工具，消除了轉(zhuǎn)子偏心和振動的影響，能較為準確地測量到轉(zhuǎn)子的動態(tài)變形。

本文分析了某旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子在升速、工作轉(zhuǎn)速同步及降速下的徑向及軸向變形數(shù)據(jù)，并與理論計算結(jié)果進行對比，對理論計算模型及計算結(jié)果的準確性進行了評估。

1 測試原理及裝置

1.1 幕簾千分尺的測量方法

光幕式幕簾千分尺是一種非接觸幾何量測量儀器，可對直徑、邊緣、厚度和間隙等進行測量，廣泛應用于高速運轉(zhuǎn)的自動化生產(chǎn)線中，對產(chǎn)品進行質(zhì)量檢驗、控制和分揀。

光幕投影原理如圖1 所示。左側(cè)的發(fā)射器發(fā)出紅色的LED 光，形成連續(xù)的平行光幕，右側(cè)的接收器由高精度的CCD 組成。傳感器信號由智能控制器處理后，可以數(shù)值或圖形顯示，根據(jù)需要可顯示直徑和間距等多種幾何量，信號可模擬輸出和數(shù)字輸出。

圖1 光幕投影原理圖

用幕簾千分尺取代渦流傳感器應用于轉(zhuǎn)子動態(tài)變形測量，可解決上面提到的轉(zhuǎn)子偏心對測量結(jié)果有影響的問題。根據(jù)光幕式投影原理，無論轉(zhuǎn)子的偏心有多大，只要轉(zhuǎn)子的變形在光幕的范圍內(nèi)，幕簾千分尺總是能夠捕捉到轉(zhuǎn)子的邊緣，每次測量的都是轉(zhuǎn)子直徑的位置。

實際上，如果有足夠大的光幕傳感器，也就是說，光幕的寬度可以容納整個被測件，那么就可以直接得到被測件的變形，但是，目前最大寬度的光幕是60 mm寬，無法容納整個被測件，所以只好使用2 個傳感器進行測量。

幕簾千分尺具有同步功能，可控制多個傳感器同步測量，同步時間差為1.2×10s，對應的工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過0.67°，同步誤差較小。

1.2 測量裝置

因為使用幕簾千分尺的測量方法在理論上可以完全消除偏心的影響，準確得到轉(zhuǎn)子的動態(tài)變形，所以選用幕簾千分尺作為轉(zhuǎn)子動態(tài)變形測量裝置的測量儀器。測量用傳感器采用的是光幕式幕簾千分尺，如圖2 所示。這是一種非接觸幾何量測量儀器，可對直徑、邊緣、厚度和間隙等進行測量。

圖2 光幕式幕簾千分尺

幕簾千分尺由傳感器單元和一個控制器單元組成。傳感器單元又由一個發(fā)射器和一個帶有高精度CCD 的接收器組成。產(chǎn)品具有以下特性：無旋轉(zhuǎn)分光鏡，因而無磨損；高頻響、高精度、高分辨率；發(fā)射器和接收器間距可調(diào)；控制器可設置多種測量程序；可單件或連續(xù)測量。左側(cè)的發(fā)射器發(fā)出紅色的LED 光，形成連續(xù)的平行光幕，右側(cè)的接收器由高精度的CCD組成。傳感器信號由智能控制器處理后，可以數(shù)值或圖形顯示，根據(jù)需要可顯示直徑和間距等多種幾何量，信號可模擬和數(shù)字輸出。此外，控制器具有同步功能，可以使多臺設備同步工作；具有多種接口，可以模擬和數(shù)字輸出。傳感器技術參數(shù)見表1。

表1 傳感器技術參數(shù)

基于光幕測量原理，根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計了專用動態(tài)變形試驗臺，試驗臺在轉(zhuǎn)子徑向上、中、下對應位置開窗，安裝透明玻璃供光幕傳感器測量并保證系統(tǒng)密封，試驗臺可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向和徑向變形的動態(tài)測量。測量位置如圖3 所示。

圖3 光幕傳感器安裝位置示意圖

1.3 測量不確定度

測量不確定度定義為表征合理地賦予被測量之值的分散性，是與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，可以是標準差或其倍數(shù)。

動態(tài)變形測量裝置建立時，曾經(jīng)系統(tǒng)地對該方法的測量不確定度進行過評定。從轉(zhuǎn)子動態(tài)變形測量裝置的系統(tǒng)組成來看，其不確定度來源主要有：幕簾千分尺、采集卡、觸發(fā)采集算法和轉(zhuǎn)子軸向變化引起的不確定度。

經(jīng)過評定，幕簾千分尺的測量不確定度為0.013 mm，觸發(fā)采集算法引入的測量不確定度為0.02 mm，轉(zhuǎn)子軸向變化引起的測量不確定度為0.007 mm。從而得到轉(zhuǎn)子動態(tài)變形測量裝置的測量不確定度：（0.0132+0.002 2+0.007 2）1/2＝0.015 mm。

旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子測量過程中，直接使用傳感器的控制器進行讀數(shù)，這樣在無觸發(fā)無平均的情況下，按照前期機型當時的評定，由于轉(zhuǎn)子圓度和表面粗糙度引起的最大偏差最大可達到0.039 mm。這樣，此次轉(zhuǎn)子動態(tài)變形測量裝置的測量不確定度為：（0.013 2+0.039 2+0.007 2）1/2＝0.042 mm，此測量不確定度較小，說明測量裝置的測量結(jié)果比較準確。

2 光幕傳感器誤差確認

為了提高測量準確性，對光幕傳感器進行了誤差測量。光幕傳感器的校準是利用螺旋千分尺的比對實現(xiàn)的，通過螺旋千分尺移動的位移量與光幕傳感器測量數(shù)值的對比，給出光幕傳感器的測量誤差，過程數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 光幕傳感器校準數(shù)據(jù)（單位：mm）

表2 中千分尺位移為0.2 mm，光幕位移與螺旋千分尺位移差值為光幕傳感器的絕對誤差，光幕傳感器的最大絕對誤差為-0.003 mm，最大相對誤差為-1.5%，符合技術參數(shù)。

3 測試結(jié)果分析

3.1 徑向變形測試結(jié)果分析

3.1.1 轉(zhuǎn)子徑向變形趨勢

試驗臺上、中、下三個測點位置分別對應轉(zhuǎn)子的上部、轉(zhuǎn)子中部和轉(zhuǎn)子下部位置。表3 中是四臺轉(zhuǎn)子不同位置的徑向變形測試結(jié)果。轉(zhuǎn)子記錄了降速過程中轉(zhuǎn)速13 之前的數(shù)據(jù)，以便對比升降速過程中轉(zhuǎn)子的變形趨勢。

表3 轉(zhuǎn)子徑向變形測量結(jié)果

使用動態(tài)變形試驗臺成功測得轉(zhuǎn)子升速及工作轉(zhuǎn)速時上、中、下部位的徑向變形量，工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子上、中、下測點的變形量分別為47.795 mm、49.228 mm和47.029 mm，轉(zhuǎn)子上、下部分徑向變形量相當，略小于筒體中部的變形量。

升、 降速過程中轉(zhuǎn)子徑向變形趨勢如圖4 所示。從圖中可以看出轉(zhuǎn)速13 之前曲線基本對稱，試驗后測量轉(zhuǎn)子尺寸，與啟動前吻合較好，說明轉(zhuǎn)子徑向變形可恢復，基本無殘余變形。

圖4 轉(zhuǎn)子徑向變形趨勢圖

3.1.2 轉(zhuǎn)子升速過程中徑向變形趨勢

升速過程中，轉(zhuǎn)子徑向變形單調(diào)增加，且直徑變形量與轉(zhuǎn)速呈二次方關系，相關系數(shù)達0.999，升速過程中不同位置的直徑變形趨勢以及擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子升速過程徑向變形趨勢圖

轉(zhuǎn)子下部在升速初期（轉(zhuǎn)速3 之前） 出現(xiàn)徑向收縮，分析原因是這個過程轉(zhuǎn)子軸向伸長，導致轉(zhuǎn)子測量位置發(fā)生變化。因此轉(zhuǎn)子上下加強層的測量結(jié)果受轉(zhuǎn)子軸向變形影響，不如轉(zhuǎn)子中部測量結(jié)果準確。

3.2 軸向變形數(shù)據(jù)分析

試驗中光幕傳感器是通過測試轉(zhuǎn)子上下兩端的位置變化來測試轉(zhuǎn)子軸向變形，反映了轉(zhuǎn)子總長的真實變化。軸向變形測試數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 轉(zhuǎn)子軸向變形測量結(jié)果

轉(zhuǎn)子升速過程中長度變化總體趨勢為先伸長后縮短，轉(zhuǎn)子最大伸長發(fā)生在轉(zhuǎn)速4 左右，最大伸長量接近11.5 mm。轉(zhuǎn)子在接近轉(zhuǎn)速10 時恢復到原始長度，相對原始長度轉(zhuǎn)子由伸長轉(zhuǎn)為縮短。同步期間，轉(zhuǎn)子軸向變形基本維持穩(wěn)定。

將表4 的數(shù)據(jù)繪制散點，如圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)子升速及同步過程軸向變形趨勢圖

3.3 測試結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比

3.3.1 徑向變形對比

利用ANSYS 有限元分析軟件對轉(zhuǎn)子升速過程中筒體中部徑向動態(tài)變形情況進行了數(shù)值計算，現(xiàn)將轉(zhuǎn)速5、轉(zhuǎn)速7、工作轉(zhuǎn)速三個轉(zhuǎn)速點的測試結(jié)果（均值）和計算結(jié)果進行對比，如表5 所示。

表5 徑向變形測試結(jié)果與計算結(jié)果對比

從上表中可以看出，測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果比較接近，尤其工作狀態(tài)下數(shù)據(jù)吻合較好，測試結(jié)果與計算結(jié)果的相對差值僅為-0.3%。

3.3.2 軸向變形對比

數(shù)值計算和測試得到的轉(zhuǎn)子在升速過程中縮短量的變化曲線分別如圖7、圖8 所示。

圖7 轉(zhuǎn)子升速過程中軸向縮短量計算結(jié)果

圖8 轉(zhuǎn)子升速過程中軸向縮短量測試結(jié)果

對比圖5 和圖6 可以看出：

（1）轉(zhuǎn)子升速過程中長度變化總體趨勢為先伸長后縮短，但是由于試驗升速時采用了階梯升速方法，受階梯跳變帶來的短時溫度效應的影響，曲線多了兩個拐點，且轉(zhuǎn)子最大伸長發(fā)生在轉(zhuǎn)速4 左右，最大伸長量接近11.5 mm； 而計算結(jié)果最大伸長發(fā)生在轉(zhuǎn)速7 左右，伸長量小于7 mm。（2）計算結(jié)果和測試結(jié)果，轉(zhuǎn)子均在接近轉(zhuǎn)速10 時恢復到原始長度，相對原始長度轉(zhuǎn)子由伸長轉(zhuǎn)為縮短。（3）工作轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子縮短量的測試結(jié)果為35.93 mm，計算結(jié)果在36.7 mm 左右，二者基本一致，理論模型準確可靠。

4 結(jié)語

本項研究在動態(tài)變形試驗臺上對旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子開展了動態(tài)變形測試，得到如下測試結(jié)果和結(jié)論：

（1）利用光幕傳感器測量旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子升速及同步過程中徑向及軸向的變形量，成功得到轉(zhuǎn)子動態(tài)變形數(shù)據(jù)；升速過程中，轉(zhuǎn)子徑向變形單調(diào)增加，且轉(zhuǎn)子徑向變形可回復，基本無殘余變形。

（2） 將轉(zhuǎn)子動態(tài)變形的測試結(jié)果和ANSYS 有限元分析結(jié)果進行了對比，工作轉(zhuǎn)速下無論徑向變形還是軸向變形，測試結(jié)果和計算結(jié)果基本一致，理論模型及計算結(jié)果準確可靠。