碰摩故障模擬試驗器設計

陳建云，李云輝，曹慶宇，徐升

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；2.江蘇省產業技術研究院，南京 211899；3.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發動機結構復雜、工況惡劣，整機振動超標現象非常普遍，直接影響飛機的飛行安全。由于無法準確識別振動原因和定位故障位置，發動機遇到振動問題經常是反復分解、裝配，無法針對性地解決，導致整機振動超標經常危及發動機研制進度或造成嚴重事故[1-2]。

整機振動故障抑制技術是發動機耐久性和可靠性提升的關鍵技術之一[3]，而轉靜子碰摩故障是導致整機振動的重要因素之一，現代航空發動機由于追求高推重比、低耗油率以及高轉速，而轉子與靜子的間隙越來越小，轉靜子間碰摩故障發生的概率隨之增大[4-6]。轉靜子間碰摩一旦發生，將會使轉靜子間的間隙增大從而使其工作效率降低，嚴重時還會使葉片折斷[7-9]。而封嚴結構與軸之間的碰摩會使封嚴結構損壞，并使軸局部發熱引起熱彎曲從而使振動加劇。同時，轉靜子碰摩將引起轉子發生非協調進動，在轉子內產生交變應力，促使轉子疲勞破壞[10]。因此，國內外學者針對轉靜子碰摩故障開展了大量的研究工作[11-13]。Powrie等[14]采用靜電監測技術開展了發動機碰摩故障監測試驗，并提出了靜電信號軸頻分析的定義。要研究航空發動機轉靜子碰摩故障的機理和特性，開展整機振動故障診斷與抑制技術驗證，需要依靠結構完整、性能優良的故障模擬試驗器；馬輝等[7，15]搭建了葉片碰摩試驗臺，并建立了轉子-盤片-機匣的有限元碰摩模型，通過將計算結果與試驗測試結果進行對比，驗證了模型的有效性；張希等[16]設計了轉子扭振與故障模擬多功能試驗臺，可用于轉子動力學分析與轉子多故障的模擬和振動測試分析；陳果等[3，9]建立了滾動軸承支承下的轉子系統的不平衡-碰摩-基礎松動耦合故障試驗器；褚福磊建立了單轉子盤軸結構轉子試驗臺；劉長利等也建立了單轉子碰摩故障的試驗裝置。

在現有技術中，對碰摩故障的研究多集中于單葉片系統，針對盤片-機匣耦合系統僅能模擬徑向的單點碰摩或局部碰摩故障，相應的碰摩裝置只有徑向自動進給功能。本文設計了一種能夠實現徑向及軸向碰摩的試驗器來模擬小涵道比渦扇發動機的典型碰摩故障，并配置了數據采集和分析系統，可用于轉子在碰摩故障條件下轉子動力學測試與分析，為研究整機振動故障抑制技術提供支持。

1 試驗器的結構組成

碰摩故障模擬試驗器能由驅動裝置、試驗器主體、防護系統和電氣及測試分析系統組成，夠全面模擬發動機的典型碰摩故障，試驗器結構如圖1所示。

圖1 碰摩故障模擬試驗器結構

1.1 驅動裝置

驅動裝置由電機、電機支承以及聯軸器組成。電機為試驗器提供動力，功率為30 kW，最高轉速為8000 r/min，使用壽命不低于4000 h，具有在轉速為1000～5000 r/min內，控制精度不低于±0.5%的能力。選用的膜片聯軸器適用于轉速高的工況，并且具有較好的平衡性能及撓性，適用于本試驗器。

1.2 試驗器主體

試驗器主體由轉子支承、轉子、碰摩裝置組成。轉子安裝在2個轉子支承上，通過轉子支承上的墊片保證試驗器主體標高為600 mm；自動進給碰摩裝置安裝于對開機匣上（可拆卸），可徑向、軸向進給，并且對開機匣可整體自動橫向移動，通過伺服電機來實現自動進給，保證進給量、橫向位移、進給速率及進給精度。

1.3 防護系統

防護系統包括防護裝置和限振幅裝置。防護裝置具有防轉盤破裂沖擊能力，起到安全防護的作用，由端面防護焊接件和防護罩組成，全面防護試驗過程中出現的緊急情況。攝像設備放置在防護罩外，在端面防護板上開設圓孔，便于利用攝像設備觀察防護罩內試驗器轉子轉動情況。限振幅裝置用于限制試驗器的在運行過程中的振幅≤20 mm，并可沿軸向移動。限振幅裝置主要由底座、限位環、滾輪組件構成。限位環由上下2個半環構成，共裝有3個滾輪組件，可按要求調整所限振幅的大小。

1.4 電氣控制及測試分析系統

電氣控制系統以可編程控制器為主控制器，與變頻驅動裝置和上位計算機共同組成工業以太網控制網絡，按工業以太網網絡結構中各節點功能可分為用于操作監控的上位機和用于設備控制的下位機。

測試分析系統包含振動傳感器、采集設備、計算機和測試分析軟件。試驗件的振動值經振動傳感器測量、信號調理器調理變換后，由采集設備采集到計算機內，通過測試分析軟件進行存儲、分析，并具有FFT、自譜、互譜、自相關、互相關、瀑布圖、圖譜數據輸出等功能。

2 試驗器主體設計

2.1 轉子支承設計

轉子支承主要由軸承座、壓塊、連接板、立柱以及頂絲組成，通過徑向頂絲調節軸承座徑向位置，通過軸向頂絲調節軸承座軸向位置（利用導向鍵導向），通過連接板上的頂絲孔和墊片調節軸承座高度，通過壓塊將軸承座和連接板固定到支座上。轉子支承結構如圖2所示。軸承座設計為上下對開的形式，方便轉子系統的更換。立柱采用鑄造件，在支承上設置2個直徑為30 mm的通孔，在試驗過程中用于調節支承的固有頻率，材質為QT400球墨鑄鐵，與基礎鋼平臺通過螺栓剛性連接。

圖2 轉子支承結構

2.2 轉子設計

轉子由軸、帶模擬葉片盤、帶篦齒葉冠盤、帶篦齒鼓筒盤、脹套和軸承等組成，其結構如圖3所示。3種轉盤與軸之間均通過脹套連接，軸承通過螺母軸向固定，并通過鼠籠式彈性支承與轉接環安裝到軸承座上，用端蓋進行封堵，防止雜質進入。為滿足轉速要求并保證試驗時試驗器安全可靠地運行，靠近電機的軸承采用深溝球軸承，以適應高轉速的工況并作為固定點；尾端軸承采用圓柱滾子軸承，以保證試驗時轉子的撓度引起的軸向轉動。采用鼠籠式彈性支撐，以調整轉子的臨界轉速。與驅動裝置連接的軸頭采用花鍵形式，可傳遞較大的扭矩。軸和盤的材料均為45鋼，葉片及篦齒的材料為20鋼，葉尖及篦齒進行滲碳處理。

圖3 轉子結構

2.3 碰摩裝置設計

碰摩裝置由對開機匣、機匣支承立柱、徑向進給模塊、軸向進給模塊及橫向位移模塊組成，其結構如圖4所示。機匣設計為上下對開機匣，鑄造成型。機匣圓周上有4個徑向進給裝置，機匣端面有1個軸向進給裝置，在機匣支承上有1個橫向位移裝置，并設有鎖死結構。徑向、軸向進給量及機匣橫向位移均為20 mm，伺服電機采用旋轉變壓器，保證進給速率不大于0.2 mm/s，進給精度不超過5%。機匣支承立柱采用鑄件，與基礎平臺間有導向鍵，以保證整個碰摩裝置可沿軸向移動。徑向和軸向碰摩塊都由固定件和可拆卸件組成。可拆卸部分有扇形碰模塊和錐體碰模塊2種結構，分別選用不同材料（鋼、銅、鋁、石墨），以模擬不同硬度材料之間的碰摩故障，扇形碰模塊用于模擬葉片與機匣之間的碰摩，錐體碰模塊用于模擬轉子與封嚴篦齒之間的碰摩。固定件和可拆卸件通過螺紋連接，方便更換、拆卸。

圖4 碰摩裝置結構

2.4 模態分析

對轉子進行簡化，由于轉子支承剛度較大，視其為剛性，因此只考慮軸承的影響。軸承采用ANSYS的虛擬軸承模型，左端為深溝球軸承，右端為圓柱滾子軸承，其動力系數見表1。通過UG建立計算模型，采用SOLID187單元進行網格劃分，并用Workbench模塊對轉子系統進行計算分析。約束軸兩端面的軸向位移自由度，其它方向自由。試驗器工作轉速設置為0～5000 r/min。經過計算得出轉子的1階臨界轉速為1825.5 r/min，所選用的驅動裝置能夠使轉子快速地越過臨界轉速，避免引起系統強烈振動。其振型如圖5所示。

表1 軸承動力系數

圖5 轉子振型

2.5 試驗過程

在試驗時，由驅動裝置驅動轉子達到試驗轉速值，由碰摩裝置通過伺服電機控制徑向碰摩塊與其中1個轉盤發生徑向碰摩，另外2個轉盤移至軸的一端鎖緊，用于模擬徑向單點碰摩、多點碰摩以及機匣與不同結構形式轉子之間的徑向碰摩故障。通過伺服電機控制軸向碰摩塊與帶篦齒葉冠盤的端面碰摩，用于模擬轉靜子之間的軸向碰摩故障。隨著進給量的增加（0～20 mm），轉子的振動情況也隨之變化。另外，利用固定在機匣支撐上的伺服電機帶動直線滑動平臺可實現機匣的整體橫向移動，用于模擬轉靜子的偏心碰摩故障。還可以通過更換碰摩塊材料，模擬不同硬度材料之間的轉靜子碰摩，整個試驗過程均由防護系統進行安全防護。

通過非接觸式位移傳感器測試不同轉速以及不同碰摩工況下轉軸的振動相應信號，并利用測試分析系統采集、分析轉子的振動數據，研究碰摩進給量、碰摩結構、碰摩材料、碰摩位置與振動特性的關系。

3 強度校核

3.1 軸強度校核

轉軸強度主要考慮在轉盤重力作用下的彎曲應力。由材料力學知識可知，2根轉軸可簡化為簡支梁進行計算。其彎矩如圖6所示。

圖6 轉軸彎矩

從圖中可見，轉軸危險截面為篦齒鼓筒盤懸掛處，其最大彎矩為143 N·m，其最大彎曲應力σmax=Mmax/W=23 MPa，而軸材料為45鋼，其屈服極限為355 MPa，因此有足夠的靜強度儲備系數。

3.2 盤強度校核

盤的靜強度主要考慮高速旋轉情況下引起的離心力，采用有限元方法進行強度分析。轉盤采用Workbench前處理軟件劃分網格，并用靜力學模塊進行轉盤強度分析。對轉盤中心孔表面施加圓柱面約束，約束軸向及切向位移，試驗器最大工作轉速為5000 r/min，對模型施加轉速載荷，并對盤中心孔施加脹套的脹緊力89 MPa。盤材料參數見表2。

表2 盤材料參數

通過計算分析得到3個轉盤的最大應力分別為189、211、245 MPa，都分布在中心孔表面，應力如圖7所示（帶模擬葉片盤取包含1個葉片的扇形段，帶篦齒葉冠盤、帶篦齒鼓筒盤取整個盤的1/4）。與表2中材料參數對比表明，盤的強度滿足要求，有一定的安全系數。

圖7 3個轉盤的應力

3.3 對開機匣強度校核

對徑向和軸向碰摩狀態分別建立UG模型，并應用ANSYS進行了強度計算分析，如圖8所示。得到徑向、軸向碰摩狀態的最大應力分別為36、88 MPa，均滿足機匣材料（鑄鋼）的強度要求。

圖8 機匣強度計算加載模型

4 結論

（1）本文設計的試驗器具有模擬發動機轉靜子碰摩故障的功能，能夠模擬不同形式、不同長度、不同材料的轉子與靜子的碰摩故障，并且徑向碰摩、軸向碰摩可自動進給。

（2）試驗器還具有監視轉子運動情況的能力，能夠檢測并分析轉軸振動響應信號，歸納出碰摩故障典型特征和識別方法，為“發動機整機振動抑制技術”研究提供驗證手段。