封严涂层高温高速磨耗试验技术研究

摘要

为研究航空涡轮发动机封严涂层的可磨耗性能，进行模拟气路密封配副高温高速工况的磨耗试验方法和试验器的研究。采用叶片-封严材料刮削式碰磨，研究此种试验条件下磨耗力的测量方法以及碰摩力作用下高速转子-柔性主轴系统的设计方法，搭建一套完整的试验装置，通过实样测试，验证封严涂层可磨耗性的测试方法。
　　项目利用压电石英晶体测力仪组建高速脉冲碰磨力的振动测力系统，经理论计算与试验分析，探讨该方法的可行性。在高速脉冲碰磨力的作用下，柔性主轴将产生相应的振动响应。为求解此响应，在考虑径向碰摩力而忽略切向碰摩力作用的情况下，分析计算不同碰摩力作用对单次碰磨刮擦深度的影响，研究如何通过合理的主轴系统设计减轻碰摩力作用引起的主轴振动对碰磨刮擦过程的影响。
　　搭建一套封严涂层高温高速可磨性试验设备，该设备采用直流电机为动力源，经高速平带增速后驱动模拟轮盘及叶片高速旋转;封严材料试样安装在精密滚珠丝杆进给平台上，利用伺服电机配合减速器驱动丝杆实现平台的进给运动;采用压电式石英晶体测力仪测量径向和切向刮削力;使用高速高温火焰加热封严材料试样。测试结果证明，该试验机能够完成最高叶尖切线速度□m/s、涂层进给速率□μm/s、试样加热温度□℃状态下的封严涂层可磨耗试验，试验过程中采集获得刮擦力、试样表面温度等重要数据，试验机运行稳定，整体性能达到设计指标，试验数据准确可靠。
　　本文结合理论计算、试验器搭建及实测性能验证，最终解决了封严涂层高温高速可磨耗性测试方法及相应的试验设备研制过程中涉及到的一系列关键问题，并提出进一步研究的建议。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 封严配副材料

1．2 封严涂层可磨耗性能要求

1．3 封严涂层磨耗性能研究方法与试验技术

1．4 封严涂层模拟工况的试验技术及设备

1．4．1 连续接触磨损形式

1．4．2 断续刮擦磨损形式

1．5 本文研究目标

1．5．1 科学目标

1．5．2 应用目标

1．6 研究意义

1．7 本文内容安排

第二章 刮擦磨耗试验碰磨力测量方法研究

2．1 碰磨力测量技术综述

2．2 磨耗试验碰磨力

2．2．1 碰磨力的特点

2．2．2 简化模型

2．3 基于压电式传感器的碰磨力测量系统

2．3．1 传感器的选择

2．3．2 测力系统数学模型

2．3．3 测力系统构建与参数标定

2．3．4 磨耗力测量试验及分析

2．4 本章小节

第三章 磨耗试验机碰磨转子动力学设计计算方法研究

3．1 碰摩转子动力学概述

3．2 转子模型的选取

3．3 碰摩力的简化模型

3．3．1 常用的碰磨力计算模型

3．3．2 碰磨形式及等效刚度简化模型

3．4 基于Ansys磨耗试验机碰摩转子动力学计算与分析

3．4．1 转子系统模型

3．4．2 转子系统自由振动分析

3．4．3 转子系统不平衡的分析

3．4．4 磨耗试验转子系统单点碰摩特点

3．4．5 磨耗刚度系数Kr对转子碰摩响应的影响分析

3．4．6 磨耗作用时间ε对转子碰摩响应的影响分析

3．4．7 阻尼支承刚度系数K对转子碰摩响应的影响分析

3．4．8 阻尼支承阻尼系数C对转子碰摩响应的影响分析

3．4．9 转速n对转子碰摩响应的影响分析

3．4．10 试验与分析

3．5 本章小结

第四章 封严涂层磨耗试验技术工程设计

4．1 模拟叶片结构强度设计与分析

4．1．1 模拟叶片的安装方式选择

4．1．2 叶片及轮盘结构强度计算与设计

4．2 试验机驱动功率计算

4．2．1 计算方法的提出

4．2．2 试验及分析

4．3 高速驱动及主轴系统设计

4．3．1 驱动源及增速方式的选择

4．3．2 主轴系统设计特点

4．3．3 阻尼器选型及设计

4．4 进给系统

4．4．1 磨耗试验进给速率的确定方法

4．4．2 进给速率的实现

4．5 加热系统

4．5．1 加热方式选择

4．5．2 加热方案

4．5．3 传热模型及计算

4．5．4 高速高温磨耗试验验证

4．6 控制系统

4．6．1 控制系统硬件架构

4．6．2 关键参数测量与记录

4．6．3 关键参数测量与记录

4．6．4 叶尖线速度的控制

4．6．5 进给速率的控制

4．7 整机调试与运行

4．8 本章小结

第五章 总结及展望

5．1 总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简历

攻读硕士学位期间成果