葉片振動激振器支架固有特性分析與實驗研究*

韓 聿,王永亮,鐘兢軍,居振州

(大連海事大學輪機工程學院,遼寧大連 116026)

葉片振動激振器支架固有特性分析與實驗研究*

韓 聿,王永亮*,鐘兢軍,居振州

(大連海事大學輪機工程學院,遼寧大連 116026)

設計了葉片受迫振動實驗中懸掛激振器的支架,該支架拆裝方便,能夠快速調整位置。采用有限元法對支架的固有頻率和模態振型進行了數值仿真,并進行了固有特性實驗識別。數值仿真結果與實驗結果對比表明,支架的低階固有頻率和數值分析結果基本吻合。研究結果可用于指導葉片受迫振動實驗時,保證在實驗過程中能夠避開支架固有頻率,以準確判斷葉片固有特性。

支架;固有頻率;有限元法;實驗

0 引 言

葉片是航空發動機、汽輪機等旋轉機械實現功能轉化的關鍵部件,葉片在實際工作中會受到離心力、氣流力等激勵,如果葉片振動特性設計不當,可能導致轉子葉片出現大振幅振動,直接影響到設備的安全運行[1-3]。因此在葉片氣動設計完成后,需通過數值或實驗手段獲取其固有頻率和振型,以確定其動態特性,并據此判斷振動特性是否滿足要求[4-5]。李淑靜[6]從理論分析和實驗研究兩方面著手進行了對內燃機整機振動激振力的實驗探究。當采用實驗方法識別葉片固有特性時,可通過葉片自由振動或受迫振動進行實驗。受迫振動實驗時,利用激振器模擬其激勵情況,得到不同激振頻率下葉片響應特性,進而獲得其固有特性。

然而受迫振動實驗中,懸掛激振器的支架與葉片支撐座之間存在剛性連接,或難以完全隔振,如果激振器激勵頻率接近支架固有頻率,將引起支架大幅振動,進而導致葉片支撐座振動,有可能引起葉片在該頻率下大幅振動(非葉片固有頻率),或引起葉片測振傳感器大幅振動,導致葉片固有特性識別失準。因此,須對激振器支架固有特性進行識別,以保證在葉片受迫振動實驗時,調整激振頻率以避開激振器支架各階固有頻率,確保葉片固有特性識別的準確性。

筆者針對某葉片振動實驗臺,設計了一套便捷拆裝、能快速調整激振器位置的支架,采用有限元法提取其固有頻率和模態振型,并通過錘擊法對激振器支架的固有頻率進行實驗識別。

1 激振器支架簡介

圖1為葉片振動實驗臺實物圖,激振器支架底座通過螺栓固定在鑄鐵平臺上,鑄鐵平臺底部用木質結構隔振,坐落在實驗室地面上。

圖1 鑄鐵平臺及激振器支架

根據以往的實驗經驗,激振器在實驗過程中由于自身體積較大且空間受限會導致安裝不便,本文設計的激振器支架方便拆裝,可快速調整位置高度,安裝時可以通過滑軌機構上下調節其鋼鉤高度,從而改變激振器的高度,激振器下方頂桿和葉片之間會留出部分間隙,再通過調節滑軌機構來降低鋼鉤高度,使激振器高度下降,從而達到頂桿與葉片表面的接觸。

該激振器支架各部分通過螺栓連接,拆卸便捷。激振器通過頂桿與葉片相連,并通過可升降鋼鉤懸掛到支架上。激振器支架底座為280 mm×100 mm×19 mm的長方體,距兩側29 mm處鉆孔,孔內徑為22 mm,通過螺栓螺母緊固在鑄鐵平臺上。豎直方向為兩根空心圓管,左側圓管外徑為50.8 mm,孔徑為39.4 mm,右側圓管外徑為48 mm,孔徑為40.1 mm,高度均為630 mm。圓管上方3 mm處安置厚度為4 mm的角鋼,角鋼通過螺栓穿過孔與圓管連接。實驗臺尺寸標注如圖2所示,數據如表1所示。

圖2 激振器支架結構圖

表1 激振器支架尺寸數據 /mm

2 有限元數值仿真與分析

應用Ansys軟件對激振器支架進行有限元建模和分析,獲取其各階模態振型。激振器支架的材料為鋼材,彈性模量為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3。整個模型全部采用六面體網格,網格單元數為299 710,其模型如圖3所示。

圖3 激振器支架有限元模型

激振器自身重力施加到激振器支架的鋼鉤處,大小為173 N,方向豎直向下。因此在數值仿真過程中對激振器支架進行預應力下模態數值仿真。由于在葉片受迫振動實驗中,只驗證激振力頻率在0～500 Hz范圍內的葉片振型,因此,本文只分析支架在500 Hz以內的固有特性。

在有限元分析過程中需要定義支架底座的固定約束,因為實驗過程中兩個底座用螺栓固定在平臺上,平臺與激振器支架底座的接觸應定義為面接觸。因為即使只有螺栓連接,底部其余部分面也在螺栓預應力作用下與鑄鐵平臺緊密貼合。約束條件及預應力設定如圖4所示。數值模態分析結果如表2所列,如圖5所示。

圖4 邊界條件設定

對于數值計算結果,用X,Y,Z三維坐標系組構成模型的空間自由度。如一階模態計算結果為Y方向一階彎曲,即激振器支架底部不動,隨Y軸方向前后搖擺,如圖5(a)所示。

表2 數值模態分析結果

圖5 前六階數值模態分析結果

3 實驗及結果分析

本文采用的實驗設備包括力錘,速度傳感器,位移傳感器和數據采集處理設備。其中速度傳感器型號為CD-21T,使用方向為垂直方向,靈敏度為200 mV/cm·s-1,尺寸為 Φ33×70。數據采集儀為INV1618實驗儀,采樣通道為2通道,采樣頻率為1 024～4 096 Hz。

實驗過程中使用速度傳感器和位移傳感器對激振器支架進行多點識別測量,用力錘敲擊不同激振點,采集儀進行采樣分析,采集儀設置的采樣頻率均為2 048 Hz。記錄不同激振點所得到的支架固有頻率值,比較激勵不同點所得到的不同固有頻率值,并且分析其產生的原因。

以數值模態分析結果為依據進行實驗模態分析。由數值模態分析結果可知,第1階振型為Y方向一階彎曲,第2階振型為X方向一階彎曲,第4階振型為Y方向一階扭轉,第5階振型為Z方向伸長。將傳感器布置在X和Y兩個方向。位移傳感器測量柱體X和Y方向響應,速度傳感器測量角鋼X,Y,Z三個方向的響應信號及柱體Y,X兩個方向的響應信號。

由于第一階模態振型為Y方向一階彎曲,因此將速度傳感器和位移傳感器布置在Y方向,測點布置方式如圖6所示。用力錘敲擊激振器支架,敲擊方向為Y方向,采集到頻率值為51.9 Hz和83.9 Hz。第二階數值模態結果為X向一階彎曲,如圖7方式布置傳感器。力錘敲擊X方向,采集到的頻率值為63.9 Hz。

因為第三階為局部彎曲,難以通過實驗方式測量出來。第五階數值模態結果為Z向伸長,傳感器布置方式如圖8所示。力錘敲擊Z向。對比實驗模態結果和數值模態結果,如表3所示。

圖6 敲擊Y方向傳感器布置方式

圖7 敲擊X方向傳感器布置方式

圖8 敲擊Z方向布置傳感器方式

表3 測量和預測頻率

通過實驗結果分析得出,第一階數值模態和實驗模態誤差為2.8%,數值結果與測量數據基本相符,第四階模態結果為Y方向一階扭轉,誤差為12.7%,第五階模態結果為Z方向伸長,誤差為10.9%。

第二階模態實驗和數值計算結果偏差較大,數值結果中支架為X方向一階彎曲,因為在建模時將圓管和上方角鋼連接處定義為焊接,而真實模型為螺栓螺母緊固連接,實際振型受摩擦力影響,剛度自然小于焊接,因此產生較大偏差。

分析誤差產生的原因,主要有以下幾點:①建模時對實體模型結構簡化,例如螺栓,螺母的質量沒有考慮;②支架材料和數值模擬的材料設定值在密度,泊松比等方面存在偏差;③傳感器安裝位置及傳感器附加質量。但是傳感器附加質量可以忽略不計,因為用位移傳感器采集X和Y方向的固有頻率時和采用速度傳感器采集時得到的值相同。

4 結 論

(1)設計了葉片受迫振動實驗中懸掛激振器的支架,該支架具有便捷拆裝、能快速調整激振器位置的優點。

(2)對激振器支架進行數值模態計算和固有頻率測量,應用數值計算結果為固有頻率測量提供依據。按照數值計算結果的響應方向布置傳感器,將實驗測得的固有頻率值與數值計算結果比較,分析誤差。

(3)在固有頻率點或者固有頻率范圍內會產生較大幅值的位移,因此在實驗過程中要盡量避開激振器支架的固有頻率范圍。如第一階固有頻率53.371 Hz的一定范圍。

[1]JKubiak,G Urquiza,JGarcia,F Sierra.Failure analysis of steam turbine last stage blade tenon and shroud[J].Engineering Failure Analysis,2007,14:1476-1487.

[2]LWitek.Crack propagation analysis ofmechanically damaged compressor blades subjected to high cycle fatigue[J].Engineering Failure Analysis,2011,18(4):1223-1232.

[3]LWitek.Crack growth simulation in the compressor blade subjected to vibration using boundary element method[J].Key Engineering Materials,2014(598):261-268.

[4]袁海峰.葉輪葉片振動模態分析與實驗研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[5]A Rama Rao,B K Dutta.Vibration analysis for detecting failure of compressor blade[J].Engineering Failure Analysis,2012(25):211 -218.

[6]李淑靜.內燃機整機振動激振力實驗識別技術研究[D].成都:西南交通大學,2013.

Natural Characteristic Analysis and Experimental Study on the Bracket of Blade Vibration Exciter

HAN Yu,WANG Yong-liang,Zhong Jing-jun,JU Zhen-zhou
(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning 116026,China)

The bracketsuspended exciter,which is convenient for dismounting and adjusting,is designed based on experiment of blade forced vibration in this paper.Numerical simulation of natural frequency and modal shape of bracket is conducted through finite elementmethod,and experimental identification of natural characteristics is also conducted.The comparison between results of numerical simulation and experiment shows that the results of low order natural frequency almost tally with numerical analysis of bracket.The result can be used for guiding the experiment of blade forced vibration and avoiding the natural frequency of bracket in the experiment of blade forced vibration in order to accurately judge the natural characteristics of blade.

bracket;natural frequency;finite elementmethod;experiment

TH113.1

A

1007-4414(2015)06-0017-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.007

2015-09-12

中央高校基本科研業務費專項資金資助(編號:3132015026)

韓 聿(1991-),男,吉林長春人,碩士,主要從事機械強度振動方向的研究。

王永亮(1983-),甘肅慶陽人,博士,主要從事轉子動力學與結構強度分析工作。