環(huán)形轉(zhuǎn)子部件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

王成林，孫偉琛，陳華婷，張思晨

（北京物資學(xué)院，北京 101149）

環(huán)形轉(zhuǎn)子部件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

王成林，孫偉琛，陳華婷，張思晨

（北京物資學(xué)院，北京 101149）

環(huán)形轉(zhuǎn)子部件是旋轉(zhuǎn)類(lèi)設(shè)備關(guān)鍵的核心結(jié)構(gòu)件，特別是在高加速度加載條件下使用條件下其性能尤為重要?；诨A(chǔ)激振—共振質(zhì)量法（簡(jiǎn)稱(chēng)BERM法），設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量環(huán)形轉(zhuǎn)子部件徑向和軸向剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)以及損耗因子等在內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)，并可以通過(guò)設(shè)定溫度測(cè)試工作溫度對(duì)該類(lèi)部件動(dòng)態(tài)特性的影響。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，以剛度值為代表，得出了具體數(shù)值；在結(jié)合材料微觀結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影響因素的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。

環(huán)形轉(zhuǎn)子部件；動(dòng)態(tài)特性；剛度系數(shù)

0　引言

轉(zhuǎn)子部件在高加速度工作狀態(tài)下需要配置良好的支撐結(jié)構(gòu)，要求該支撐結(jié)構(gòu)具有良好的剛性和阻尼特性，例如使用軸承作為支撐結(jié)構(gòu)件的需要相應(yīng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)件作為軸承基座等，考慮到系統(tǒng)減振等方面的綜合需要，一般都會(huì)選擇具有阻尼作用的金屬或者高分子材料制作，阻尼材料由于自身的材料組成和阻尼機(jī)理等千差萬(wàn)別，對(duì)使用環(huán)境很敏感，因此在使用時(shí)必須掌握其動(dòng)態(tài)特性，然后結(jié)合動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行減振裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)。阻尼機(jī)理往往涉及到材料的晶粒運(yùn)動(dòng)等微觀領(lǐng)域，只依靠理論分析往往不能獲得準(zhǔn)確的量化結(jié)果，需結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行分析研究，特備是具有典型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子部件[1～3]。

1　轉(zhuǎn)子部件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試原理分析

采用美國(guó)NASA-Lewis Research Center系列報(bào)告中提出的基礎(chǔ)激振—共振質(zhì)量法（簡(jiǎn)稱(chēng)BERM法），可以測(cè)出較寬頻帶范圍內(nèi)橡膠元件的動(dòng)態(tài)特征參數(shù)值，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1　動(dòng)態(tài)測(cè)試力學(xué)模型

圖中參振物質(zhì)量為m，其運(yùn)動(dòng)方程：

振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)形式為：

參振物響應(yīng)為：

聯(lián)立以上方程組得彈簧彈性系數(shù)為:

阻尼器阻尼系數(shù)為：

其中幅值比：

損耗因子:

若測(cè)出激勵(lì)振幅x0和參振質(zhì)量m的振幅y0。以及二者間的相位差φ，即可求出剛度k和阻尼系數(shù)c。

2　轉(zhuǎn)子部件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

阻尼材料動(dòng)態(tài)特性測(cè)試主要針對(duì)金屬材料和高分子材料兩大類(lèi)材料，其中金屬材料測(cè)試包括剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)和損耗因子與使用頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)測(cè)試硅膠、氟橡膠以及丁腈橡膠等高分子材料的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)以及損耗因子與工作頻率、預(yù)壓縮率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)測(cè)試原理分析，由于在測(cè)試過(guò)程中，不同測(cè)試材料的振幅可能變化很大，當(dāng)振幅過(guò)小時(shí)無(wú)法測(cè)量。而加速度值變化并不十分明顯，可以作為測(cè)試參數(shù)，因此選擇加速度傳感器作為振動(dòng)測(cè)試元件。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：

1）調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，保證輸入和輸出信號(hào)的穩(wěn)定；

2）在測(cè)試范圍內(nèi)確定測(cè)試點(diǎn)，相鄰測(cè)試點(diǎn)的間隔為100Hz；

3）在每一個(gè)選擇的測(cè)量點(diǎn)內(nèi)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)和參振物的加速度幅值以及各向振動(dòng)信號(hào)的相位差；

4）根據(jù)式(4)、式(5)、式(7)計(jì)算阻尼材料的特征參數(shù)值，并繪制實(shí)驗(yàn)對(duì)象的剛度、阻尼系數(shù)以及損耗因子曲線；

5）結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的影響因素分析。

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖，在振動(dòng)臺(tái)和參振物上安裝三向加速度傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集參振物和振動(dòng)臺(tái)的加速度信號(hào)。數(shù)據(jù)采集儀所采集到的數(shù)據(jù)傳輸至分析軟件中后，通過(guò)分析軟件可以讀取加速度信號(hào)的幅值與相位信息。從而進(jìn)行阻尼材料動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試儀器與振動(dòng)臺(tái)的具體型號(hào)、功能參數(shù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用儀器型號(hào)與性能參數(shù)

3　測(cè)試用裝卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

為了模擬實(shí)際工作環(huán)境將參振物和測(cè)試裝置采用軸、孔配合，前、后支撐端同心安裝孔，參振物能夠形成兩端支撐。

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程將測(cè)試多種材料的多組實(shí)驗(yàn)，因此要求裝卡系統(tǒng)對(duì)各種尺寸和類(lèi)型的材料具有很強(qiáng)的通用性，以減少部件數(shù)量。同時(shí)，為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，需要實(shí)現(xiàn)各種材料在實(shí)驗(yàn)完成后的快速更換。

由此確定如下本裝卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：

1）通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸待測(cè)材料零件對(duì)應(yīng)的配合件來(lái)完成不同尺寸材料零件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試；

2）通過(guò)設(shè)計(jì)單獨(dú)的待測(cè)材料承載模塊來(lái)完成不同待測(cè)材料測(cè)試幾種的快速更換；

3）通過(guò)設(shè)計(jì)保溫與加熱系統(tǒng)完成不同溫度條件下材料動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試。

本設(shè)計(jì)將實(shí)驗(yàn)卡具座分成上下兩個(gè)部分，可以通過(guò)螺釘連接構(gòu)成參振物安裝孔。將待測(cè)試材料安裝在軸套上，并將軸套套在測(cè)試軸上。通過(guò)改變軸套、測(cè)試材料的尺寸與測(cè)試材料的材質(zhì)即可在不更換測(cè)試軸的條件下實(shí)現(xiàn)不同阻尼部件的動(dòng)態(tài)測(cè)試。由于螺釘?shù)倪B接剛度大，結(jié)構(gòu)阻尼值比較小，可認(rèn)為連接是剛性的；為了保證多次裝卡精確定位，上、下卡具座配合面上利用圓錐銷(xiāo)釘定位。為了測(cè)試溫度對(duì)材料動(dòng)態(tài)特性的影響，在裝卡系統(tǒng)外部設(shè)計(jì)安裝了保溫罩，通過(guò)保溫罩內(nèi)設(shè)置的石英發(fā)熱管可對(duì)卡具進(jìn)行加熱保溫。

圖3　裝卡裝置裝配關(guān)系

通過(guò)使用不同的軸套可以對(duì)高分子材料和金屬材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。高分子材料軸套其結(jié)構(gòu)為中心有通孔的圓柱體，外圓柱面上有環(huán)狀凸起。外圓柱面的外徑比上基座和下基座組成的圓孔內(nèi)徑稍??；環(huán)狀凸起的外徑比基座和下基座組成的圓孔內(nèi)徑稍大。通過(guò)改變環(huán)裝凸起的尺寸即可對(duì)環(huán)裝高分子材料進(jìn)行不同壓縮量下的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。

圖4　高分子材料測(cè)試裝配示意圖

如圖4所示，測(cè)試時(shí)，將多個(gè)環(huán)狀高分子材料零件套在軸套的環(huán)狀凸起上；將軸套安裝在測(cè)試軸上，兩端用螺母將軸套固定在測(cè)試軸上；將測(cè)試軸放置在上下基座形成的孔內(nèi)，多個(gè)環(huán)狀高分子材料零件的位置與高分子材料零件定位槽的位置相對(duì)應(yīng)。此時(shí)環(huán)狀高分子材料零件被壓縮在環(huán)狀槽內(nèi)，壓縮量與環(huán)狀高分子材料零件的外徑有關(guān)。可以通過(guò)改變金屬材料厚度以及對(duì)應(yīng)的軸套的厚度來(lái)測(cè)試阻尼合金厚度對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，如圖5所示。

圖5　阻尼合金裝配關(guān)系圖

為了保證測(cè)試結(jié)果的有效性，需要對(duì)裝卡系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，防止在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中裝卡系統(tǒng)產(chǎn)生共振。本文通過(guò)建立裝卡系統(tǒng)的有限元模型，分析裝卡系統(tǒng)的固有頻率。通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行分析的裝卡系統(tǒng)固有頻率如表2所示。

表2　裝卡系統(tǒng)各階固有頻率

各階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型如圖6所示。

圖6　測(cè)試用裝卡系統(tǒng)的各階振型圖

可見(jiàn)，裝卡系統(tǒng)的各階固有頻率均遠(yuǎn)離振動(dòng)測(cè)試的激振頻率，不會(huì)在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4　測(cè)試結(jié)果分析

結(jié)合使用要求，本文選擇TA4工業(yè)純鈦、HT150灰鑄鐵、H59黃銅共3種材料作為測(cè)試對(duì)象，獲得的測(cè)試結(jié)果如表3～表5所示。

表3　TA4工業(yè)純鈦材質(zhì)徑向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表（外徑40mm；厚度2.7mm；長(zhǎng)度為32mm）

表4　HT150灰鑄鐵材質(zhì)徑向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表（外徑40mm；厚度3.5mm；長(zhǎng)度為32mm）

表5　H59黃銅材質(zhì)徑向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表（外徑40mm；厚度3.5mm；長(zhǎng)度為32mm）

在典型非金屬材料剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試中選擇氟橡膠圈、硅膠橡膠圈作為測(cè)試對(duì)象，其中氟橡膠圈內(nèi)徑為45.2mm；線寬為4mm；徑向壓縮量為15%，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6　氟橡膠圈徑向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

硅膠橡膠圈內(nèi)徑為45.2mm，線寬為4mm，徑向壓縮量為15%，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7　硅膠橡膠圈軸向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

相應(yīng)的環(huán)形轉(zhuǎn)子部件軸向測(cè)試剛度測(cè)試結(jié)果如表8～表12所示。

表8　TA4工業(yè)純鈦材質(zhì)軸向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

表9　HT150灰鑄鐵材質(zhì)軸向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

表10　H59黃銅材質(zhì)徑向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

表11　氟橡膠圈剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

表12　硅膠橡膠圈軸向剛度系數(shù)與頻率關(guān)系測(cè)試結(jié)果表

通過(guò)改變系統(tǒng)的工作溫度，可以測(cè)試溫度對(duì)環(huán)形轉(zhuǎn)子部件動(dòng)態(tài)特性的影響，以硅膠橡膠圈為例，測(cè)得結(jié)果如表13所示。

表13　硅膠橡圈的溫度對(duì)環(huán)形轉(zhuǎn)子部件動(dòng)態(tài)特征的影響

5　測(cè)試結(jié)果的影響因素分析

1）溫度影響因素分析。溫度影響主要包括兩種情況，第一種是溫度上升導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，這種情況下，溫度變化一般比較大，是材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)方面質(zhì)的改變。本文所涉及的測(cè)試最高溫度并沒(méi)有超過(guò)70度，從測(cè)試結(jié)果可知在30度的總體變溫測(cè)試范圍內(nèi)，性能整體變化趨勢(shì)不大，也就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)活躍程度隨溫度變化會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，基本組成粒子之間的作用力同時(shí)改變，將會(huì)影響支撐機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。

2）頻率因素影響因素分析。以聚合物為代表的材質(zhì)，在交變應(yīng)力作用下應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱(chēng)為滯后現(xiàn)象，外力作用的頻率與溫度對(duì)滯后現(xiàn)象有很大的影響。在高頻應(yīng)力作用下，這種現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

3）結(jié)構(gòu)滑動(dòng)阻尼影響。再考慮材料自身屬性的外，還需要考慮系統(tǒng)中軸向和徑向方向，提別是軸向中存在的滑動(dòng)阻尼影響，考慮機(jī)構(gòu)自身的特性，特別是軸套與基座、軸套與測(cè)試對(duì)象之間的滑動(dòng)，配合方式、材質(zhì)的差異等，導(dǎo)致了滑動(dòng)阻尼系數(shù)不同。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文基于BERM法設(shè)計(jì)了一種可以環(huán)形轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)剛度高，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，可以獲得包括剛度系數(shù)等在內(nèi)的特征參數(shù)值。同時(shí)本文測(cè)試了在一般的工作溫度下環(huán)形轉(zhuǎn)子部件的性能變化，得出了具體結(jié)論，并從材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征變化角度，針對(duì)具體測(cè)試結(jié)果，給出了相關(guān)的構(gòu)成機(jī)理解釋?zhuān)瑸楦呒铀俣葪l件下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的借鑒。

[1] 吳榮仁.透平膨脹機(jī)葉輪超速試驗(yàn)臺(tái)主軸系統(tǒng)的減振支承[J].低溫工程,1999(6):27-30.

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Research on dynamic characteristics testing of annular rotor component

WANG Cheng-lin, SUN Wei-chen, CHEN Hua-ting, ZHANG Si-chen

TH133.1

A

1009-0134(2016)02-0152-05

2015-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目（51205027）；北京市物流系統(tǒng)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目；北京市教育委員會(huì)大學(xué)科技園專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目

王成林（1979 -），男，黑龍江人，教授，博士，研究方向?yàn)楣こ萄b備設(shè)計(jì)。