一种转子系统钢环式弹支结构强度设计及在线监测方法

摘要

本发明属于转子系统弹支结构强度设计及测试实验技术领域，提出一种转子系统钢环式弹支结构强度设计及在线监测方法，步骤一：根据两种强度设计方法以及钢环材料本身特性，得到三种条件下的钢环应变量；步骤二：利用不同条件下的钢环应变量结合有限元计算结果对钢环进行强度校核；步骤三：制定钢环的强度监测方案；步骤四：利用ANSYS Workbench仿真计算在实际工况下钢环的最大变形发生处；步骤五：根据有限元仿真结果布置应变片同时进行桥路连接，最后对钢环进行强度监测。本发明可为弹支结构强度设计与在线监测提供可靠的指导意见，整体操作过流程简单，提高了钢环式弹支转子系统的安全性，增加了钢环结构设计的可靠度，具有很强的工程实践可行性和指导性。

说明书

技术领域

本发明属于转子系统弹支结构强度设计及测试实验技术领域，特别是涉及一种转子系统钢环式弹支结构强度设计及在线监测方法。

背景技术

为调节转子系统的临界转速，大多数航空发动机的转子系统在轴承支点处都会设有弹性支承。现有的弹性支承通常分为两种:鼠笼式弹支和钢环式弹支。对于小型航空发动机来说，由于其尺寸小，转速高，负载大，工作转速范围大，在发动机总体结构尺寸严格受限的情况下，采用鼠笼式弹支的方法难以实现，通常有效可行的方法是采用具有结构简单、重量轻、占用空间小等特点的钢环式弹支。

利用钢环式弹支的转子系统进行动平衡、力偶、故障诊断等试验中必须要保证钢环满足强度设计要求，因此需要得到钢环工作状态下的应力分布以及强度设计的应力考核点以此来对钢环进行在线强度监测，若钢环的强度达到应力考核点则应立即预警停机，保护发动机部件。因钢环沿周向为周期对称结构，当转子系统做稳态转动时，钢环内、外凸台受到的应力也呈周期性变化，利用有限元法可以计算出该变化的范围及发生最大应力的位置，从而进行钢环的强度校核，但钢环的强度设计仅靠理论上的解析与数值仿真不能彻底解决问题，必须结合物理实验研究。然而，在工程实际中，由于钢环内外凸台配合尺寸过小，变形不明显，导致应变片的布置与测量存在一定的难度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种转子系统钢环式弹支结构强度设计及在线监测方法，本发明主要用于转子系统弹支结构钢环的强度设计及转子系统的监测保护。在结合名义应力法和局部应力应变法对钢环式弹支结构进行强度设计后，通过有限元方法仿真计算确定应变片布置方案及桥路连接方式，对钢环进行测试，利用测试结果中钢环的应变状况对钢环进行强度监测，实验更具可操作性，提高了转子支承系统的安全性。监测结果可作为钢环强度设计的参考依据，提高了钢环设计的可靠度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种转子系统钢环式弹支结构强度设计及在线监测方法，包括步骤如下：

步骤一：根据两种强度设计方法以及钢环材料本身特性，得到三种条件下的钢环应变量：利用名义应力法对钢环进行强度设计，得到无限寿命条件下钢环在疲劳极限时的应变量；利用局部应力应变法对钢环进行强度设计，得到有限寿命条件下钢环在疲劳极限时的应变量；根据钢环材料的弹性模量、屈服极限得到最大应变量；

步骤二：利用步骤一中不同条件下的钢环应变量结合有限元计算结果对钢环进行强度校核；

步骤三：制定钢环的强度监测方案；

当测得的实时应变超过无限寿命条件下钢环在疲劳极限时的应变量时，认为钢环不满足无限寿命设计，若强度设计标准为无限寿命，此时应对外预警；当测得的实时应变超过有限寿命条件下钢环在疲劳极限时的应变量时，认为钢环寿命达不到强度设计标准，此时应对外预警；当实时应变大于等于最大应变量时，此时钢环即将发生断裂，此时对外进行预警并立即停机，保护系统安全；

步骤四：利用ANSYS Workbench仿真计算在实际工况下钢环的最大变形发生处；

步骤五：根据有限元仿真结果布置应变片同时进行桥路连接，最后对钢环进行强度监测；所述强度监测数据采集部分包括应变片、PXle4330采集卡、PXle1073机箱；

步骤A:制定应变片粘贴方案

根据实际应变片的尺寸与所设计的钢环具体尺寸，确定应变片数量并在钢环最大变形发生处布置应变片；

步骤B:改变桥路连接方式

手动改变数据采集卡内部连接方式，将PXle4330采集卡的桥路连接方式设置为半桥连接；

步骤C:连接数据采集部分

将应变片的引线连接到PXle4330采集卡的通道上，其中，PXle4330采集卡最多提供8组通道同时进行数据采集；PXle4330采集卡插在PXle1073机箱上。

上述步骤二中结合有限元计算结果对钢环进行强度校核过程包括：

a)模拟钢环的真实边界条件，根据钢环的结构特点，假定轴承座及轴承外圈为刚性件，对轴承座施加固定约束，同时约束钢环的轴向位移；

b)进行有限元网格划分；

c)求得最大循环力F_max，为已知转子质量M，假设两个钢环平均分摊质量载荷,转子实验转速为ω，且产生的不平衡量为mr，同时考虑重力作用，重力加速度为g，时间t，则钢环所受的循环力F为：

在轴承内表面施加垂直向下的最大循环力F_max；

d)对钢环变形量进行求解并进行校核。

上述步骤四中利用ANSYS Workbench仿真计算在实际工况下钢环的最大变形发生处的过程包括：

a)模拟钢环的真实边界条件，根据钢环的结构特点，假定轴承座及轴承外圈为刚性件，对轴承座施加固定约束，同时约束钢环的轴向位移；

b)模拟钢环的真实工况，在轴承内表面施加转子系统的1/2重力，为轴承外圈设置一个转速，设置不平衡量用以考虑转子系统的不平衡力；

c)进行有限元网格划分；

d)求解，得到钢环的整体应变云图，以此寻找钢环最大变形发生位置。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，本钢环式转子系统弹支结构设计及强度监测方法的显著的优点是针对性强，测试精度高，可靠性高。本测试系统选用PXle1073机箱和PXle4330采集卡，应变片桥路连接采用半桥连接方式，所以测量精度、灵敏度极高。在结合强度理论后，对转子系统钢环处的变形情况进行测试，可以准确的测量钢环在实际工况情况下发生的最大变形，然后进行钢环的强度在线监测，提高了转子支承系统的安全性，增加了钢环结构设计的可靠度。

附图说明

图1为本发明的一种弹性支承在线监测测试系统示意图；

图2为本发明的钢环式弹支结构示意图；

图3为本发明的应变片粘贴方式示意图；

图4为本发明采用的PXle4330采集卡半桥连接电路示意图；

图5为本发明采用的PXle4330采集卡接口设置示意图；

图6为本发明的一种转子系统钢环式弹支结构强度设计及在线监测方法流程图。

图中，1钢环；2轴承；3轴承座；4应变片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

步骤一：利用名义应力法对钢环进行强度设计

名义应力法是以材料的疲劳应力与疲劳寿命曲线即S-N曲线为依据，以零构件的名义应力为设计参数，计入了有效应力系数K_σ、零件的尺寸系数ε、表面系数β和平均应力影响系数ψ_σ等因素，得到零件的S-N曲线，以此进行疲劳设计。

无限寿命设计要求零构件没有初始裂纹，应用标准试样得到的疲劳极限、S-N曲线等。无限寿命设计要求零构件在无限长的使用期间内不发生疲劳破坏，因此，要将零构件的工作应力限制在它的疲劳极限之下，就可以得到零构件的寿命是无限的。所述钢环的材料选择GCr15钢，强度设计一般在承受10⁷次的应力循环以内进行有限疲劳寿命设计，在超过10⁷次的应力循环以后的超长寿命区看作为无限寿命区，并以应力循环次数10⁷作为无限寿命设计的考核点。

表1GCr15钢在旋转弯曲下均值S-N曲线的取点

通过GCr15钢的S-N曲线可以得知，钢环在无限寿命原则下的应力σ为981Mpa。

在钢环处于弹性阶段疲劳极限σ₁时，钢环受到的应力σ₁与应变ε₁满足以下关系：

其中，钢环的弹性模量E＝2.19*10¹¹，由此算得钢环在疲劳极限下的应变量为ε₁＝4.479×10^-3。

步骤二：利用局部应力应变法对钢环进行强度设计。

以零构件的应变集中处的局部应力、应变为基本设计参数的一种疲劳强度设计方法。其基本思路是：零构件的破坏都是从应变集中部位的最大应变集中处开始。应变集中处的塑性变形是疲劳裂纹产生形成和扩展的先决条件，因此应变集中处的局部最大应变决定了零件的疲劳强度和寿命。对于同一种材料，只要其局部最大应力、应变相同、疲劳寿命就相同。

假设要求钢环的疲劳寿命分别为N₂＝5.5×10⁶,N₃＝4.8×10⁵，则根据GCr15钢的S-N曲线可以得知钢环此时允许的最大应力分别为σ₂＝1169Mpa、σ₃＝1319Mpa。由可以求得此时钢环允许发生的应变量为ε₂＝5.337e-3、ε₃＝6.022e-3。

步骤三：利用步骤一和步骤二的结果结合有限元计算结果对钢环进行强度校核。

其中，利用ANSYSWorkbench进行有限元仿真的过程包括：

a)为模拟钢环的真实边界条件，根据钢环的结构特点，假定轴承座及轴承外圈为刚性件，对轴承座施加固定约束，同时约束钢环的轴向位移。

b)进行有限元网格划分。

c)求得最大循环力F_max，为1315.95N已知转子质量为116.99kg，假设两个钢环平均分摊质量载荷,转子实验转速为ω＝6000rpm，且产生的不平衡量为mr＝2000gmm，同时考虑重力作用，则钢环所受的循环力F为：

在轴承内表面施加垂直向下的最大循环力F_max。

d)对钢环变形量进行求解并进行校核。经求解结果可知：钢环正下方应变为5.48e-4,远低于无限寿命设的疲劳极限下的应变量ε₁，因此强度设计符合要求。

步骤四：制定钢环强度监测方案。

上述有限元仿真过程完成了钢环的强度校核，但还需制定一个实验方案针对钢环的应变状况进行监测。

据上述强度设计过程可知的3个应变值ε₁、ε₂、ε₃，ε₁代表无限寿命设计，ε₂、ε₃代表有限寿命设计分别对应的应变量。当测得的实时应变超过ε₁时，认为钢环不满足无限寿命设计，若强度设计标准为无限寿命，此时应对外预警；当测得的实时应变超过ε₂时，认为钢环寿命达不到N₂＝5.5×10⁶次，若强度设计标准为N₂＝5.5×10⁶次，此时应对外预警；当测得的实时应变超过ε₃时，认为钢环寿命达不到N₃＝4.8×10⁵次，若强度设计标准为N₃＝4.8×10⁵次，此时应对外预警；E为钢环材料的弹性模量，σ_max为Gcr15的屈服极限，当实时应变ε≥ε_max时，此时钢环即将发生断裂，此时对外进行预警并立即停机，保护系统安全。

步骤五：利用ANSYSWorkbench仿真计算在实际工况下钢环的最大变形发生处；

其中，利用ANSYSWorkbench进行有限元仿真的过程包括：

a)为模拟钢环的真实边界条件，根据钢环的结构特点，假定轴承座及轴承外圈为刚性件，对轴承座施加固定约束，同时约束钢环的轴向位移。

b)模拟钢环的真实工况，在轴承内表面施加转子系统的1/2重力，为轴承外圈设置一个转速，设置不平衡量用以考虑转子系统的不平衡力。

c)进行有限元网格划分

d)求解，得到钢环的整体应变云图，以此寻找钢环最大变形发生位置，根据本仿真结果最大应变发生位置为内凸台根部。

步骤六：根据步骤五中有限元仿真结果在钢环上布置应变片同时进行桥路连接；

步骤A:制定应变片粘贴方案

应变片选择BFH120-3AA-D100型应变片，应变片的参数如表2。

表2应变片类型

根据应变片的实际尺寸与所设计的钢环具体尺寸，合理布置应变片，确定应变片数量及安装位置。如图3在该位置纵向与横向布置两个应变片，其中纵向应变片测量钢环的应变，横向应变片用来抵消应变片的横向变形对测试结果的影响。应变片粘贴完毕后将引线连接到PXle4330采集卡与PXle1073机箱上，通过Express Card将PXle1073机箱与笔记本连接构成全部测试系统。

步骤B:改变桥路连接方式

手动改变数据采集卡内部连接方式，将PXle4330的桥路连接方式设置为半桥连接，如图4为PXle4330采集卡在半桥连接下的桥路连接电路图。图5为PXle4330的接口设置示意图，其中R₃、R₄是应变片电阻，R₁、R₂是平衡电阻，ΔV_CH是输出电压，V_EX是输入电压，PXle4330采集卡共有8个通道(CH1～CH8)，每通道有6个接线端Rs-、Ex-、AI-、AI+、Ex+、Rs+用于组成电桥；Ex+和Ex-为电桥激励电源正负极；AI+、AI-为电桥两端电压V_CH的正负极；Rs+、Rs-为远程传感接线端，其中含有高阻抗，当线路较长时，可将其接入电桥，以正确读取电桥的激励电压，避免线路电阻对试验结果的影响。

步骤C:连接数据采集部分

如图1所示将应变片的引线连接到采集卡的通道上。

步骤七：根据步骤四的监测方案对钢环进行不同工况下的强度监测；

一般，应变片的电阻变化较小，因此使用惠斯通电桥精确测量电阻，惠斯通电桥中电压V_CH的计算公式如下：

由式可知，当桥路中电阻变化时，电压V_CH的改变量如下：

根据桥路原理，应变片的形变量为：

式中：G_F为应变片的精度系数；R_g为常态下的应变片电阻；v是应变片的泊松比；v_r是电压变化量。

a)不同转速下钢环的强度监测

在进行强度检测之前，确保应变片按照要求紧密粘贴在钢环上，并将应变信号输出引线与PXle4330采集卡连接好，保证轴旋转时不会缠线，此时钢环强度监测前的准备工作完毕；

开始进行钢环的强度监测，首先操作电气控制柜启动电机，为转子系统设定一个转速，使电动机转速由零逐渐提高到设定的转速，通过电机带动转子系统的转轴转动，在转轴转动过程中，应变片不断地采集钢环的实时信号并将采集的信号传输给数据采集卡PXle4330和机箱PXle1073进行数据处理，得到钢环的实时应变。待应变信号稳定后，调节电气控制柜改变转速，记录钢环在不同转速下的应变量，当实时应变ε≥ε_max时，立即停止实验。

b)同一转速不同位置钢环的强度检测

在进行强度检测之前，确保应变片按照要求紧密粘贴在钢环上，并将应变信号输出引线与PXle4330采集卡连接好，保证轴旋转时不会缠线，此时钢环强度检测前的准备工作完毕；

开始进行钢环的强度检测，首先操作电气控制柜启动电机，为转子系统设定一个转速，使电动机转速由零逐渐提高到设定的转速，通过电机带动转子系统的转轴转动，在转轴转动过程中，应变片不断地采集钢环的实时信号并将采集的信号传输给数据采集卡PXle4330和机箱PXle1073进行数据处理，得到钢环的实时应变。待应变信号稳定后，调节电气控制柜使电机停转，此时取下应变片，改变应变片在钢环上的粘贴位置，使应变片粘贴在不同凸台两侧的根部。重新启动电机将转速升至之前设置的转速，记录钢环在同一转速下不同位置上的应变量。根据在钢环处于弹性阶段时，钢环材料的许用应力σ_许与许用应变ε_许的关系：E为钢环材料的弹性模量，当实时应变ε≥ε_max时，立即停止实验。