一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统及其研究方法

摘要

一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统，包括R1转子、R2转子、M1圆盘、M2圆盘、圆环、位移传感器、转速传感器；驱动电机通过弹簧联轴器依次连接R1转子与R2转子，R1转子与R2转子呈竖直姿态，R1转子上设有竖直的键相标记，转速传感器设在与键相标记相对的位置；M1圆盘通过自锁结构锁定在R1转子上，并且M1圆盘在R1转子上位置可调；M2圆盘固定在R2转子最下端；圆环通过可调节方式固定在M2圆盘上方，圆环呈水平姿态，R2转子穿过圆环中心点；位移传感器设在圆环外侧，本发明通过搭建实验平台模拟转子运动情况，采用位移传感器直接测量转子的横向位移数据得到转子轴心轨迹，并结合仿真机仿真结果，理论结合实践，探究转子产生内共振现象时的运动特性。

说明书

技术领域

本发明属于旋转机械碰撞检测技术领域，具体涉及一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统及其研究方法。

背景技术

发动机工作时，在转子与静子上作用有各种负荷。这些负荷中，有的在零件本身或相邻的零部件中抵消或部分抵消，其总的剩余负荷如推力、剩余扭矩、重力、机动过载等经过发动机安装节传给飞机。有一些构件不仅承受着本身的或本组合件的负荷，而且还要传递相邻部件的负荷。承受和传递这些负荷的机厘(壳体)和构件组成了发动机的静子承力系统。

对于柔性转子系统，接触导致的有效刚度突然增加也使全局响应非线性。在旋转机械异常操作期间，可能会发生转子到静子接触摩擦。摩擦涉及几种物理现象，大多数显著的撞击、摩擦和保持接触时刚度的增加，因此系统属性变得高度非线性。

目前国内普遍采用加速度传感器来测量数据并计算轴心轨迹，误差较大，而国外领先公司则采用高速摄像机等方式来测量，误差小，而航空发动机一旦出现内共振现象，将带来巨大灾难，所以本项目将致力于解决此技术难题。

发明内容

本发明的目的在于：通过搭建实验平台模拟转子运动情况，借助位移传感器描绘转子运动轨迹，进而探究转子碰摩产生内共振现象时的运动特性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统，包括R1转子、R2转子、M1圆盘、M2圆盘、圆环、位移传感器、转速传感器；所述电机通过弹簧联轴器与R1转子一端连接，R1转子另一端通过弹簧联轴器连接R2转子一端，R1转子与R2转子呈竖直姿态，R1转子上设置有竖直的键相标记，键相标记平行于R1转子的轴中心线；转速传感器设置在与键相标记相对的位置，用于获得R1转子转动时产生的键相信号；M1圆盘通过自锁结构锁定在R1转子上，并且M1圆盘可调节其在R1转子上的位置；M2圆盘固定在R2转子最下端；M1圆盘与M2圆盘用于模拟真实转子负重系统，使R1转子与R2转子稳定转动；圆环通过可调节固定方式固定在M2圆盘上方，圆环呈水平姿态，R2转子穿过圆环中心点，圆环用于限制R2转子转动时的位移；位移传感器设置在圆环外侧，用于获得R2转子转动时的位移数据。

进一步地，前述的研究系统还包含装置框架，用于支撑外置驱动电机，装置框架由顶板、底板、以及至少4根支撑柱构成，各支撑柱分别竖直支撑在顶板与底板之间，顶板与底板呈相对姿态；所述系统各装置放置在顶板与底板之间；顶板开设洞口，用于顶板上方的电机与顶板下的R

进一步地，前述的装置框架还包含中间板，中间板设置在M

进一步地，基于前述转子碰摩诱导内共振特性研究系统的研究方法包括以下步骤：

S1：启动电机，电机带动R

S2：由临界转速计算出仿真机应设定的刚度和阻尼，并以计算出的刚度和阻尼设置仿真机初始参数，仿真机开始仿真；

S3：利用所述内共振特性研究系统从转速为0开始模拟实验，有序增大转速至预设最大转速，在各转速下分别重复如下操作：在R

S4：利用S3获得的各转速及各转速下R

S5：在内共振转速区间内有序选取预设数量的转速，分别在所选各转速下再次进行模拟实验，位移传感器分别记录各转速下R

S6：基于S5获得的R

S7：先分别对各转速下的时域曲线图做傅立叶变换，得到各时域曲线图的频谱图，然后由各频谱图分别得到各转速下的正向涡动频率与反向涡动频率，并计算正反向涡动频率比，再分别将各转速下的正反向涡动频率比与仿真机仿真的正反向涡动频率比进行对比，探究转子内共振时正反向涡动频率比的特性。

本发明所述一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统及其研究方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过搭建实验平台模拟转子运动情况，并结合仿真机仿真结果，理论结合实践，获得转子运动轨迹，并探究转子产生内共振现象时的运动特性；

2、本发明中采用位移传感器直接测量转子的横向位移数据，从而得到轴心轨迹。相较于传统的通过加速度传感器间接测量轴心轨迹位移的方法，本发明的实验方法过程简易，计算量少，测量误差小，对转子内共振运动情况的模拟更为精确。

附图说明

图1是本发明中转子碰摩诱导内共振特性研究系统效果图；

图2是本发明中转子碰摩诱导内共振特性研究系统正视图；

图3是本发明中转子碰摩诱导内共振特性研究系统左视图；

图4是本实施例中根据真实实验数据绘制的分岔图；

图5是本实施例中根据真实实验所得转子内共振时轴心轨迹图；

图6是本实施例中R2转子的位移时域曲线图；

图7是本实施例中傅立叶变换得到的频谱图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

在本实施例中，如图1所示，一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统，包括装置框架1、细立柱3、中间板11、R1转子7、R2转子8、M1圆盘5、M2圆盘6、圆环4、位移传感器9、转速传感器10；装置框架1由顶板、底板、中间板11以及4根支撑柱构成，各支撑柱分别竖直支撑在顶板与底板之间，中间板11设置在顶板与底板之间，顶板、中间板11、底板三者呈相对姿态；顶板开设洞口，顶板上放置的电机与顶板下的R1转子7连接； R1转子7另一端通过弹簧联轴器连接R2转子8一端，R1转子7与R2转子8呈竖直姿态；中间板11上开设洞口，用于R

基于本实施例中的碰摩诱导研究系统，通过下列方法实现转子内共振特性研究：

步骤一：检测出转子的临界转速

启动电机，电机带动R1转子7与R2转子8转动，转速由0转/分钟开始逐步增大，由转速传感器10获得R1转子7的键相信号，由位移传感器9获得R2转子8的位移信号，直至位移信号出现峰值，且位移信号和键相信号相位差为180°时，将当前转速记为临界转速。

步骤二：由实验下的临界转速测算并设置仿真机初始参数

由临界转速计算出仿真机应设定的刚度和阻尼，并以计算出的刚度和阻尼设置仿真机初始参数，仿真机开始仿真；用此方法调整仿真机参数目的是让真实实验与仿真实验的实验情况尽可能接近，实验结果达到相互验证的关系，以此更好确定转子内共振特性机理。

步骤三：模拟真实实验，记录各转速稳态下的位移峰值

利用所述内共振特性研究系统从转速为0开始模拟真实实验，有序增大转速至预设最大转速，在各转速下分别重复如下操作：在R2转子8初次进入稳态后，横向给R2转子8施加瞬时扰动，待R2转子8再次进入稳态后通过位移传感器9获得该稳态下R2转子8的位移峰值；若R2转子8与圆环4发生碰撞，则将圆环4的半径记为R2转子8的位移峰值。

步骤四：根据记录的数据绘制分岔图，获得内共振转速区间

利用S3获得的各转速及各转速下R2转子8的位移峰值，绘制分岔图，如图4所示，通过分岔图得出内共振转速区间；图示密集区域即为共振转速区间。其中，分岔图横轴为转速，纵轴为位移峰值。

步骤五：绘制各内共振转速下的轴心轨迹图，探究轴心轨迹图的特性；

在内共振转速区间内有序选取50组转速，分别在所选各转速下再次进行模拟实验，位移传感器9分别记录各转速下R2转子8的实时位移数据，并分别生成各转速下的轴心轨迹图；，将各轴心轨迹图的形状与仿真机仿真的轴心轨迹图进行对比。如图5所示，在误差允许的范围内，转子内共振时轴心轨迹图呈不可交替花瓣形。

步骤六：由轴心轨迹图生成位移时域曲线图

基于步骤五获得的R2转子8在各转速下的轴心轨迹图，选定方向，分别生成各转速下R2转子8的位移时域曲线图，如图6所示，位移时域曲线图的横轴为时间，纵轴为选定方向上的位移。

步骤七：由位移时域曲线图变换生成频谱图，探究正向与反向涡动频率的关系

先分别对各转速下的时域曲线图做傅立叶变换，得到各时域曲线图的频谱图，由各频谱图分别得到各转速下的正向涡动频率与反向涡动频率，如图7所示，计算正反向涡动频率比，再分别将各转速下的正反向涡动频率比与仿真机仿真的正反向涡动频率比进行对比，真实实验结果和仿真实验结果显示，在误差允许的范围内，转子内共振时反向涡动频率是正向涡动频率的2~3倍。

通过本发明所提出的一种转子碰摩诱导内共振特性研究系统模拟真实的转子系统，并按本发明所提出的研究方法探究出转子发生内共振时的运动特性，与仿真机仿真实验所得特性对比，实验结果在误差允许的范围内基本一致，验证了本发明所提出的研究系统具有有效性，能够准确的模拟转子内共振的运动情况。

虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。