螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台

摘要

本发明涉及机械技术领域，公开一种螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台，包括盘鼓薄壁构件装置、动态螺栓松动装置、直线启停装置、激光圆周扫描装置。本发明设计动态螺栓松动装置用于模拟螺栓的松动，并将反光镜连接电机，一同固定在纤维增强复合盘鼓薄壁构件的空心轴内呈45°倾角安装，通过电机的开闭，实现激光光路和盘鼓鼓筒差速转动或同步转动，结合反光镜实现光路的改变，检测纤维增强复合盘鼓薄壁构件内侧某一圆周截面或某个测点的振动的频率、幅值和相位，通过上述振动情况研究盘鼓件振动特性的改变与螺栓松动程度的关系及规律，有针对性地对螺栓连接结构、连接方式、分布设计的改良上提供更多依据。

说明书

技术领域

本发明属于激光测振技术领域，具体涉及一种螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台。

背景技术

在航空发动机中,静子机匣一般由若干段组成,各段之间用螺栓联接的安装边联接在一起,这样各段之间就形成机械接触面。这些接触面的存在必然使接触区域的接触刚度和接触阻尼产生变化,并致使整个系统的刚度和阻尼发生改变,从而影响整个联接系统的振动特性，造成的危害与损失也是难以估计。螺栓松动的现象在机械产品和装配体中屡见不鲜，尤其在航空航天领域，以高转速和高精密度为特点的装配组合中，螺栓松动现象会对核心构件的正常运转造成不良影响，严重还会引发事故。现代的航空发动机追求高性能和高推重比，机构日趋复杂，工作条件越发苛刻，导致整机振动逐步增大的因素逐渐增多。整机振动是影响航空发动机寿命和飞行安全的决定性因素。发动机转子异常振动很大因素是由螺栓松动引起的转子不对中导致的。

本发明针对这一不容忽视的现象，设计一种试验台，可以模仿航空航天发动机叶片盘与盘鼓实际的工作情况，并通过设计，在安全范围内选择性的对个别对称分布的连接螺栓进行松动，再通过多普勒激光传感器，测量出螺栓松动引起的叶片盘与盘鼓内壁的振动情况。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台，本发明设计了动态螺栓松动装置，用于模拟螺栓的松动。将反光镜连接电机，一同固定在纤维增强复合盘鼓薄壁构件的空心轴内呈45°倾角安装，通过电机的开闭，实现激光光路和盘鼓鼓筒差速转动或同步转动，结合反光镜实现光路的改变，实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件内侧某一圆周截面或某个测点的振动情况，研究盘鼓件振动特性的改变与螺栓松动程度的关系及规律，有针对性地对螺栓连接结构、连接方式、分布设计的改良上提供更多依据。

具体技术方案如下：

螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台，其特征在于，包括盘鼓薄壁构件装置、动态螺栓松动装置、直线启停装置、激光圆周扫描装置、轮盘—轴一体构件；所述直线启停装置包含左滑块导盘和右滑块导盘，所述动态螺栓松动装置包含异步转动盘，所述盘鼓薄壁构件装置和动态螺栓松动装置安装在轮盘—轴一体构件上，两端分别与轴承座相连，所述直线启停装置的左滑块导盘和右滑块导盘分别与动态螺栓松动装置通过两端的异步转动盘连接，带动其进行工作；所述激光圆周扫描装置用于测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件相应测点或者圆周截面的的振动情况。

所述动态螺栓松动装置包含内啮合齿轮筒、主动齿轮和伸缩轴，所述主动齿轮和内啮合齿轮筒通过键连接固定在轮盘—轴一体构件上，伸缩轴左端通过过盈配合与小齿轮连接，右侧筒套可以伸缩，且右侧通过正六边形螺栓筒套与盘鼓薄壁构件的螺栓连接；右侧结构与左侧关于叶片盘呈轴对称。

所述盘鼓薄壁构件装置包含叶片盘和纤维增强复合盘鼓薄壁构件，所述叶片盘分为叶片左盘和叶片右盘，叶片盘左侧，叶片左盘依次连接纤维增强复合盘鼓薄壁构件和动态螺栓松动装置连接，并一同固定在轮盘—轴一体构件上，通过轴承固定在轴承座上；叶片盘右侧结构与左侧结构关于叶片盘呈轴对称；所述轮盘—轴一体构件的轴通过联轴器与电机相连。

所述直线启停装置包含导轨丝杠、左左滑块导盘、右滑块导盘、异步转动盘和伺服电机，启动伺服电机时，所述左滑块导盘与右滑块导盘相对或相离运动，通过异步转动盘使主动齿轮完成进给啮合与退出分离，由直线启停输出装置控制动态松动螺栓进程。

所述的激光圆周扫描装置包含多普勒激光测振仪、反光镜、滚珠丝杠、电机，所述多普勒激光测振仪的激光发射口与反光镜中心对正，光路经由反光镜由X轴方向转为Y轴方向，射到盘鼓薄壁构件内表面上；反光镜连接在滚珠丝杠顶端，并与电机连接，一同固定在纤维增强复合盘鼓薄壁构件的空心轴内呈45°倾角安装；旋转滚珠丝杠后端旋钮，可使反光镜实现Z轴方向的进给，改变盘鼓鼓筒被测横截面的位置；电机关闭，激光光路和盘鼓鼓筒同步转动，可测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件某个测点的振动情况，电机启动，激光光路和盘鼓鼓筒差速运动，可测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件内侧某一圆周截面的的振动情况。

螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台的使用方法，包括如下步骤：

(1)安装螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台，确保可靠实现所需功能；

(2)确定要对纤维增强复合盘鼓薄壁构件的部分或全部螺丝实现松动，则相应地调节伸缩轴；

(3)进行预实验，启动电机，进行纤维增强复合盘鼓薄壁构件空转实验30分钟左右，以消除电机热误差对实验的影响；

(4)通过直线启停装置，将动态螺栓松动装置送入待松动螺栓所在位置，同时手动调整伸缩轴，使其与螺栓可靠贴合；

(5)启动动态螺栓松动装置，实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件部分或全部螺栓松动的模拟；

(6)调整多普勒激光测振仪，使发射光束位于纤维增强复合盘鼓薄壁构件鼓筒的中心线，并将激光圆周扫描装置调整进入纤维增强复合盘鼓薄壁构件鼓筒空心轴相应位置，并利用多普勒激光测振仪，实现对关注的纤维增强复合盘鼓薄壁构件鼓筒构件的某个测点的振动测量；

(7)启动反光镜低速旋转电机，实现差速旋转，并利用多普勒激光测振仪，实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件鼓筒某一圆周截面上全部测点的振动测量；

(8)启动激光圆周扫描装置电机，改变反光镜的位置，重复步骤(6)与(7)，从而实现对于纤维增强复合盘鼓薄壁构件鼓筒任一圆周截面上全部测点的振动测量；

(9)调整多普勒激光测振仪的径向位置，使其发出的激光束投射到纤维增强复合盘鼓薄壁构件外侧的某一关注测点位置，则也可以在旋转状态下实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件外侧的某一测点的振动测量。

本方法的优点是：

1、本发明利用纤维增强复合材料实现对于实际航空发动机的薄壁盘鼓鼓筒的模拟；

2、本发明直线启停装置主动齿轮处于进给状态，完成啮合时，左滑块导盘与右滑块导盘相对运动；而主动齿轮处于分离状态，退出啮合时，左滑块导盘与右滑块导盘做相离运动。因此丝杆的设计不能使螺旋线保持一个旋向，而是以丝杆的中间为分界线，两侧采用不同旋向的设计。当启动伺服电机时，左滑块导盘与右滑块导盘分别相对或相离运动，通过异步转动盘使主动齿轮完成进给啮合与退出分离，从而通过了直线启停输出装置控制试验台动态松动螺栓的开始进程；

3、本发明设计了动态螺栓松动装置，用于模拟螺栓的松动，反光镜连接电机，一同固定在纤维增强复合盘鼓薄壁构件的空心轴内呈45°倾角安装，整个反光镜装置相对于纤维增强复合盘鼓薄壁构件的鼓筒是静止的，电机关闭，激光光路和盘鼓鼓筒同步转动，可以测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件某个测点的振动情况，电机启动，激光光路和盘鼓鼓筒差速运动，可以测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件内侧某一圆周截面的振动情况。利用反光镜实现光路的改变，差速旋转实现圆周界面全部测点的激光测振。本发明通过电机的开闭，实现激光光路和盘鼓鼓筒差速转动或同步转动，结合反光镜实现光路的改变，检测纤维增强复合盘鼓薄壁构件内侧某一圆周截面或某个测点的振动的频率、幅值和相位，通过上述振动情况研究盘鼓件振动特性的改变与螺栓松动程度的关系及规律，有针对性地对螺栓连接结构、连接方式、分布设计的改良上提供更多依据。

4、本发明使用的多普勒激光测振仪为运用多普勒效应实现光对振动信息记录的功能，可对表面进行非接触振动测试，通过振动情况研究盘鼓件振动特性的改变与螺栓松动程度的关系及规律，有针对性地对螺栓连接结构、连接方式、分布设计的改良上提供更多依据。

附图说明

图1为螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台结构图；

图2为动态螺栓松动装置图；

图3为激光圆周扫描核心装置图。

图中，1-多普勒激光测振仪；2-导轨丝杠；3-纤维增强复合盘鼓薄壁构件；4-左滑块导盘；5-伺服电机；6-轮盘—轴一体构件；7-叶片盘；8-轴承座；9-异步转动盘；10-主动齿轮；11-小齿轮；12-内啮合齿轮筒；13-伸缩轴；14-左轮盘；15-滚珠丝杠；16-反光镜；17-旋钮；18-右轮盘；19-右滑块导盘；20-叶片左盘；21-叶片右盘；22-套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图所限。

图1为螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台结构图；螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台，包括盘鼓薄壁构件装置、动态螺栓松动装置、直线启停装置、激光圆周扫描装置、轮盘—轴一体构件6；所述直线启停装置包含左滑块导盘4和右滑块导盘19，所述动态螺栓松动装置包含异步转动盘9，所述盘鼓薄壁构件装置和动态螺栓松动装置安装在轮盘—轴一体构件6上，两端分别与轴承座8相连，所述直线启停装置的左滑块导盘4和右滑块导盘19分别与动态螺栓松动装置通过两端的异步转动盘9连接，带动其进行工作；所述激光圆周扫描装置用于测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件3相应测点或者圆周截面的的振动情况。

图2为动态螺栓松动装置图，所述动态螺栓松动装置包含内啮合齿轮筒12、主动齿轮10和伸缩轴13，所述主动齿轮10和内啮合齿轮筒12通过键连接固定在轮盘—轴一体构件6上，伸缩轴13左端通过过盈配合与小齿轮11连接，右侧筒套22可以伸缩，且右侧通过正六边形螺栓筒套与纤维增强复合盘鼓薄壁构件3的螺栓连接；右侧结构与左侧关于叶片盘7呈轴对称；

所述盘鼓薄壁构件装置包含叶片盘7和纤维增强复合盘鼓薄壁构件3，所述叶片盘7分为叶片左盘20和叶片右盘21，叶片盘左侧，叶片左盘20依次连接纤维增强复合盘鼓薄壁构件3和动态螺栓松动装置连接，并一同固定在轮盘—轴一体构件6上，通过轴承固定在轴承座8上；叶片盘右侧结构与左侧结构关于叶片盘7呈轴对称；所述轮盘—轴一体构件6的轴通过联轴器与电机相连；

所述直线启停装置包含导轨丝杠2、左滑块导盘4、右滑块导盘19、异步转动盘9和伺服电机5，所述直线启停装置的左滑块导盘4和右滑块导盘19分别与动态螺栓松动装置通过两端的异步转动盘9连接，带动其进行工作，启动伺服电机5时，所述左滑块导盘4与右滑块导盘19相对或相离运动，通过异步转动盘9使主动齿轮10完成进给啮合与退出分离，由直线启停输出装置控制动态松动螺栓进程；

图3为激光圆周扫描核心装置图，所述的激光圆周扫描装置包含多普勒激光测振仪1、反光镜16、滚珠丝杠15、电机，所述多普勒激光测振仪1的激光发射口与反光镜16中心对正，光路经由反光镜16由X轴方向转为Y轴方向，射到纤维增强复合盘鼓薄壁构件5内表面上；反光镜16连接在滚珠丝杠15顶端，并与电机连接，一同固定在纤维增强复合盘鼓薄壁构件3的空心轴内呈45°倾角安装；旋转滚珠丝杠15后端旋钮17，可使反光镜16实现Z轴方向的进给，改变盘鼓鼓筒被测横截面的位置；电机关闭，激光光路和盘鼓鼓筒同步转动，可以测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件3某个测点的振动情况，电机启动，激光光路和盘鼓鼓筒差速运动，可以测量纤维增强复合盘鼓薄壁构件3内侧某一圆周截面的振动情况。

螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件旋转振动试验台的使用方法，包括如下步骤：

(1)安装螺栓松动下纤维增强复合盘鼓薄壁构件3旋转振动试验台，确保可靠实现所需功能；

(2)确定要对纤维增强复合盘鼓薄壁构件3的部分或全部螺丝实现松动，则相应地调节伸缩轴；

(3)进行预实验，启动电机，进行纤维增强复合盘鼓薄壁构件3空转实验30分钟左右，以消除电机热误差对实验的影响；

(4)通过直线启停装置，将动态螺栓松动装置送入待松动螺栓所在位置，同时手动调整伸缩轴13，使其与螺栓可靠贴合；

(5)启动动态螺栓松动装置，实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件3部分或全部螺栓松动的模拟；

(6)调整多普勒激光测振仪1，使发射光束位于纤维增强复合盘鼓薄壁构件3鼓筒的中心线，并将激光圆周扫描装置调整进入纤维增强复合盘鼓薄壁构件3鼓筒空心轴相应位置，并利用多普勒激光测振仪1，实现对关注的纤维增强复合盘鼓薄壁构件3鼓筒构件的某个测点的振动测量；

(7)启动反光镜低速旋转电机，实现差速旋转，并利用多普勒激光测振仪1，实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件3鼓筒某一圆周截面上全部测点的振动测量；

(8)启动激光圆周扫描装置电机，改变反光镜16的位置，重复步骤(6)与(7)，从而实现对于纤维增强复合盘鼓薄壁构件3鼓筒任一圆周截面上全部测点的振动测量；

(9)调整多普勒激光测振仪1的径向位置，使其发出的激光束投射到纤维增强复合盘鼓薄壁构件3外侧的某一关注测点位置，则也可以在旋转状态下实现纤维增强复合盘鼓薄壁构件3外侧的某一测点的振动测量。