转子轴向力测试装置和测试方法与流程

本发明涉及一种转子轴向力测试装置和测试方法。

背景技术：

航空发动机等旋转机械的转子系统，工作时会产生轴向力。为了使轴承在设计寿命期内安全可靠的工作，轴向力必须保持在合适的范围之内。过大的轴向力、过小的轴向力都可能造成轴承失效。同时，转子不平衡振动响应也是转子安全可靠工作的重要指标之一。因此，需要对转子轴向力和径向振动响应进行监测，以确保转子工作在安全可靠的条件下。

现有的转子轴向力测量方法，主要有间接测量法和测力环式测量法。间接测量法主要是通过测试发动机、流道气压、腔压等参数，通过推导测试参数与轴向力的关系，计算转子轴向力。这种方法的缺点是，所需参数不易取得，由于腔压分布不均匀导致测量值误差较大。另外，这种方法还需要其它可靠方法进行验证。

而，测力环式测量法主要是通过在轴承两边外环端部和外壳支承的凸边之间安装测力环，测力环上贴有应变计桥路并预先标定好，轴承两端测力环分别测量向前和向后作用的轴向力。这种方法的缺点是，需要改装发动机结构，会造成轴承与轴承座的配合性质发生改变，影响发动机的转子动力学特性，增加了使用风险。由于该方法通过预先标定确定应变与轴向力的关系，不能适应复杂载荷条件下轴向力的测试。而且，以上两种方法均只能测试转子轴向力，不能同时测试转子不平衡振动引起的径向响应。

因此，现有技术中的转子轴向力测试，需要对结构进行改装，对转子不平衡振动引起的径向响应难以测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种转子轴向力测试装置和测试方法，以解决现有技术中的转子轴向力测试需要对结构进行改装，对转子不平衡振动引起的径向响应难以测量的问题。

为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种转子轴向力测试装置，设置于鼠笼弹性支承上，所述鼠笼弹性支承包括轴承外圈安装端、支承安装端和若干弹性条，若干所述弹性条绕所述鼠笼弹性支承的周向设置，所述弹性条连接所述轴承外圈安装端、支承安装端；所述转子轴向力测试装置包括若干测量模块，每个所述测量模块包括外应变片和内应变片，所述外应变片、内应变片分别设置于同一弹性条的外表面、内表面，所述外应变片、内应变片以所述弹性条的中性层对称分布，所述外应变片、内应变片沿所述鼠笼弹性支承的轴向设置，所述外应变片、内应变片连接成半桥测量电路。

在本技术方案中，按照指定位置布置应变片，并根据推导出的测点应变与轴向力的公式，即可得到复杂载荷条件下的转子轴向力；不需要对转子支承系统进行结构改造，不改变转子支撑系统的动态特性，测到的载荷真实性高，测量成本和风险低。

优选地，若干所述测量模块的其中两个所在的弹性条绕所述鼠笼弹性支承的周向的夹角为90度。

在本技术方案中，当需要计算转子不平衡振动引起的径向力时，利用上述轴向力计算结果和应变测量值，即可根据推导出的测量应变与径向力的公式，得到复杂载荷条件下的转子不平衡振动引起的径向力。

优选地，所述测量模块的数量为四个，四个所述测量模块绕所述鼠笼弹性支承的周向均匀分布。

在本技术方案中，设置四个绕周向均匀分布的测量模块，根据推导出的测点应变与轴向力、径向力的公式，即可得到复杂载荷条件下的转子的轴向力和转子不平衡振动引起的径向力；这种设置方式，应变片的位置容易确定，且能同时计算出转子的轴向力和径向力。

本发明还提供一种转子轴向力测试方法，所述测试方法使用上述转子轴向力测试装置，所述测试方法包括以下步骤：

计算第n个测量模块所在的弹性条的轴向应变εn1为第n个测量模块的外应变片的应变，εn2为第n个测量模块的内应变片的应变；

计算轴向力n为弹性条的数量，a为单个弹性条的横截面积，e为弹性条的弹性模量，n为测量模块的数量。

在本技术方案中，通过以上步骤，可以得出复杂载荷条件下的转子的轴向力。

优选地，所述测试方法还包括以下步骤：

将所述鼠笼弹性支承的轴线设置为x轴，将所述鼠笼弹性支承的径向平面设置为yz平面，x轴与yz平面的交叉点为o点；所述测量模块的数量为四个，四个所述测量模块分别设置于位于y轴、z轴的四个所述弹性条上，所述外应变片、内应变片设置于所述弹性条沿x轴方向的中间，位于y轴正向上的测量模块所测得的应变为εy，位于z轴正向上的测量模块所测得的应变为εz；

计算径向力在y向上的分力r为所述弹性条的yz平面的截面形心至o点的距离，ym为第m根弹性条的y坐标值，l2为弹性条沿x轴方向的长度，l1为加载位置到弹性条与轴承外圈安装端连接的端部的长度；

计算径向力在z向上的分力zm为第m根弹性条的z坐标值。

在本技术方案中，通过以上步骤，可以得出复杂载荷条件下的转子不平衡振动引起的径向力在y向上的分力和在z向上的分力。

进一步地优选，所述测试方法还包括以下步骤：

计算径向力

在本技术方案中，通过以上步骤，可以得出复杂载荷条件下的转子不平衡振动引起的径向力。

进一步地优选，所述测试方法还包括以下步骤：

计算径向力fr与z轴的夹角

在本技术方案中，通过以上步骤，可以得出复杂载荷条件下的转子的径向力与z轴的夹角。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

该转子轴向力测试装置和测试方法，按照指定位置布置应变片，并根据推导出的测点应变与轴向力的公式，即可得到复杂载荷条件下的转子轴向力；不需要对转子支承系统进行结构改造，不改变转子支撑系统的动态特性，测到的载荷真实性高，测量成本和风险低。

附图说明

图1为转子支承系统的鼠笼弹性支承的结构示意图。

图2为本发明转子轴向力测试装置安装在转子支承系统上的结构示意图。

图3为图2所示的第一外应变片、第一内应变片安装在弹性条的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为图2所示的第一外应变片、第一内应变片连接成的半桥测量电路。

图6为本发明转子轴向力测试装置的应变片的分布示意图。

图7为本发明转子轴向力测试方法的l、l1、l2的示意图。

图8为本发明转子轴向力测试方法的径向力fr的示意图。

图9为本发明转子轴向力测试方法的ym、zm的示意图。

附图标记说明

鼠笼弹性支承100，轴承外圈安装端101，支承安装端102，弹性条103，外表面104，内表面105，中性层106；轴承200，轴承外圈201，轴承内圈202；转子300；

第一外应变片11，第一内应变片12；第二外应变片21，第二内应变片22；第三外应变片31，第三内应变片32；第四外应变片41，第四内应变片42。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

现代航空发动机的转子支承系统常采用鼠笼弹性支承作为连接部件，鼠笼弹性支承的结构如图1所示。鼠笼弹性支承100包括轴承外圈安装端101、支承安装端102和若干弹性条103，若干弹性条103绕鼠笼弹性支承100的周向设置，弹性条103连接轴承外圈安装端101、支承安装端102。如图2所示，转子支承系统的转子300通过轴承200安装在鼠笼弹性支承100上，轴承外圈201与轴承外圈安装端101的内周面相配合，轴承内圈202与转子300的外周面相配合。

本发明转子轴向力测试装置包括四个测量模块，每个测量模块的结构相同。图2至图5以其中一个测量模块为例，包括第一外应变片11和第一内应变片12，第一外应变片11、第一内应变片12分别设置于同一弹性条103的外表面104、内表面105，第一外应变片11、第一内应变片12以弹性条102的中性层106对称分布，第一外应变片11、第一内应变片12沿鼠笼弹性支承100的轴向设置，第一外应变片11、第一内应变片12设置于弹性条103沿轴向的中间。第一外应变片11、第一内应变片12连接成如图5所示的半桥测量电路。

图6为四个测量模块的应变片的布置示意图。四个测量模块的八个应变片分别为第一外应变片11、第一内应变片12、第二外应变片21、第二内应变片22、第三外应变片31、第三内应变片32、第四外应变片41、第四内应变片42。其中，第一外应变片11、第一内应变片12属于第一个测量模块，第二外应变片21、第二内应变片22属于第二个测量模块，第三外应变片31、第三内应变片32属于第三个测量模块，第四外应变片41、第四内应变片42属于第四个测量模块。四对应变片绕鼠笼弹性支承100的周向均匀设置，分别设置在四个弹性条103上。

如图2所示，将鼠笼弹性支承100的轴线设置为x轴。如图8所示，将鼠笼弹性支承100的径向平面设置为yz平面，x轴与yz平面的交叉点为o点；四个设有应变片的弹性条103分别设置在y轴、z轴上。

如图7至图8所示，四个弹性条103上的x轴向应变分别为ε1、ε2、ε3、ε4，八个应变片应变分别为ε11、ε12、ε21、ε22、ε31、ε32、ε41、ε42。则

计算轴向力其中，n为弹性条的数量，a为单个弹性条的横截面积，e为弹性条的弹性模量。

计算径向力fr和径向力fr与z轴的夹角θ的方法如下：

计算径向力在y向上的分力

计算径向力在z向上的分力

计算径向力

计算径向力fr与z轴的夹角

其中，r为所述弹性条的yz平面的截面形心至o点的距离；l2为弹性条沿x轴方向的长度，l1为加载位置到弹性条与轴承外圈安装端连接的端部的长度，如图7所示；ym为第m根弹性条的y坐标值，zm为第m根弹性条的z坐标值，如图9所示。

在只需计算轴向力fx时，可以不限定测量模块的数量，当测量模块的数量为n时，轴向力fx计算如下：

计算第n个测量模块所在的弹性条的轴向应变εn1为第n个测量模块的外应变片的应变，εn2为第n个测量模块的内应变片的应变；

计算轴向力n为弹性条的数量，a为单个弹性条的横截面积，e为弹性条的弹性模量，n为测量模块的数量。

当还需要计算径向力fr和径向力fr与z轴的夹角θ时，需测得位于y轴正向上的弹性条的应变为εy，如本实施例中的ε1；位于z轴正向上的测量模块所测得的应变为εz，如本实施例中的ε2。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。