碰摩故障模拟试验器设计

陈建云，李云辉，曹庆宇，徐升

（1.南京航空航天大学机电学院，南京 210016；
2.江苏省产业技术研究院，南京 211899；
3.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

航空发动机结构复杂、工况恶劣，整机振动超标现象非常普遍，直接影响飞机的飞行安全。由于无法准确识别振动原因和定位故障位置，发动机遇到振动问题经常是反复分解、装配，无法针对性地解决，导致整机振动超标经常危及发动机研制进度或造成严重事故[1-2]。

整机振动故障抑制技术是发动机耐久性和可靠性提升的关键技术之一[3]，而转静子碰摩故障是导致整机振动的重要因素之一，现代航空发动机由于追求高推重比、低耗油率以及高转速，而转子与静子的间隙越来越小，转静子间碰摩故障发生的概率随之增大[4-6]。转静子间碰摩一旦发生，将会使转静子间的间隙增大从而使其工作效率降低，严重时还会使叶片折断[7-9]。而封严结构与轴之间的碰摩会使封严结构损坏，并使轴局部发热引起热弯曲从而使振动加剧。同时，转静子碰摩将引起转子发生非协调进动，在转子内产生交变应力，促使转子疲劳破坏[10]。因此，国内外学者针对转静子碰摩故障开展了大量的研究工作[11-13]。Powrie等[14]采用静电监测技术开展了发动机碰摩故障监测试验，并提出了静电信号轴频分析的定义。要研究航空发动机转静子碰摩故障的机理和特性，开展整机振动故障诊断与抑制技术验证，需要依靠结构完整、性能优良的故障模拟试验器；
马辉等[7，15]搭建了叶片碰摩试验台，并建立了转子-盘片-机匣的有限元碰摩模型，通过将计算结果与试验测试结果进行对比，验证了模型的有效性；
张希等[16]设计了转子扭振与故障模拟多功能试验台，可用于转子动力学分析与转子多故障的模拟和振动测试分析；
陈果等[3，9]建立了滚动轴承支承下的转子系统的不平衡-碰摩-基础松动耦合故障试验器；
褚福磊建立了单转子盘轴结构转子试验台；
刘长利等也建立了单转子碰摩故障的试验装置。

在现有技术中，对碰摩故障的研究多集中于单叶片系统，针对盘片-机匣耦合系统仅能模拟径向的单点碰摩或局部碰摩故障，相应的碰摩装置只有径向自动进给功能。本文设计了一种能够实现径向及轴向碰摩的试验器来模拟小涵道比涡扇发动机的典型碰摩故障，并配置了数据采集和分析系统，可用于转子在碰摩故障条件下转子动力学测试与分析，为研究整机振动故障抑制技术提供支持。

碰摩故障模拟试验器能由驱动装置、试验器主体、防护系统和电气及测试分析系统组成，够全面模拟发动机的典型碰摩故障，试验器结构如图1所示。

图1 碰摩故障模拟试验器结构

1.1 驱动装置

驱动装置由电机、电机支承以及联轴器组成。电机为试验器提供动力，功率为30 kW，最高转速为8000 r/min，使用寿命不低于4000 h，具有在转速为1000～5000 r/min内，控制精度不低于±0.5%的能力。选用的膜片联轴器适用于转速高的工况，并且具有较好的平衡性能及挠性，适用于本试验器。

1.2 试验器主体

试验器主体由转子支承、转子、碰摩装置组成。转子安装在2个转子支承上，通过转子支承上的垫片保证试验器主体标高为600 mm；
自动进给碰摩装置安装于对开机匣上（可拆卸），可径向、轴向进给，并且对开机匣可整体自动横向移动，通过伺服电机来实现自动进给，保证进给量、横向位移、进给速率及进给精度。

1.3 防护系统

防护系统包括防护装置和限振幅装置。防护装置具有防转盘破裂冲击能力，起到安全防护的作用，由端面防护焊接件和防护罩组成，全面防护试验过程中出现的紧急情况。摄像设备放置在防护罩外，在端面防护板上开设圆孔，便于利用摄像设备观察防护罩内试验器转子转动情况。限振幅装置用于限制试验器的在运行过程中的振幅≤20 mm，并可沿轴向移动。限振幅装置主要由底座、限位环、滚轮组件构成。限位环由上下2个半环构成，共装有3个滚轮组件，可按要求调整所限振幅的大小。

1.4 电气控制及测试分析系统

电气控制系统以可编程控制器为主控制器，与变频驱动装置和上位计算机共同组成工业以太网控制网络，按工业以太网网络结构中各节点功能可分为用于操作监控的上位机和用于设备控制的下位机。

测试分析系统包含振动传感器、采集设备、计算机和测试分析软件。试验件的振动值经振动传感器测量、信号调理器调理变换后，由采集设备采集到计算机内，通过测试分析软件进行存储、分析，并具有FFT、自谱、互谱、自相关、互相关、瀑布图、图谱数据输出等功能。

2.1 转子支承设计

转子支承主要由轴承座、压块、连接板、立柱以及顶丝组成，通过径向顶丝调节轴承座径向位置，通过轴向顶丝调节轴承座轴向位置（利用导向键导向），通过连接板上的顶丝孔和垫片调节轴承座高度，通过压块将轴承座和连接板固定到支座上。转子支承结构如图2所示。轴承座设计为上下对开的形式，方便转子系统的更换。立柱采用铸造件，在支承上设置2个直径为30 mm的通孔，在试验过程中用于调节支承的固有频率，材质为QT400球墨铸铁，与基础钢平台通过螺栓刚性连接。

图2 转子支承结构

2.2 转子设计

转子由轴、带模拟叶片盘、带篦齿叶冠盘、带篦齿鼓筒盘、胀套和轴承等组成，其结构如图3所示。3种转盘与轴之间均通过胀套连接，轴承通过螺母轴向固定，并通过鼠笼式弹性支承与转接环安装到轴承座上，用端盖进行封堵，防止杂质进入。为满足转速要求并保证试验时试验器安全可靠地运行，靠近电机的轴承采用深沟球轴承，以适应高转速的工况并作为固定点；
尾端轴承采用圆柱滚子轴承，以保证试验时转子的挠度引起的轴向转动。采用鼠笼式弹性支撑，以调整转子的临界转速。与驱动装置连接的轴头采用花键形式，可传递较大的扭矩。轴和盘的材料均为45钢，叶片及篦齿的材料为20钢，叶尖及篦齿进行渗碳处理。

图3 转子结构

2.3 碰摩装置设计

碰摩装置由对开机匣、机匣支承立柱、径向进给模块、轴向进给模块及横向位移模块组成，其结构如图4所示。机匣设计为上下对开机匣，铸造成型。机匣圆周上有4个径向进给装置，机匣端面有1个轴向进给装置，在机匣支承上有1个横向位移装置，并设有锁死结构。径向、轴向进给量及机匣横向位移均为20 mm，伺服电机采用旋转变压器，保证进给速率不大于0.2 mm/s，进给精度不超过5%。机匣支承立柱采用铸件，与基础平台间有导向键，以保证整个碰摩装置可沿轴向移动。径向和轴向碰摩块都由固定件和可拆卸件组成。可拆卸部分有扇形碰模块和锥体碰模块2种结构，分别选用不同材料（钢、铜、铝、石墨），以模拟不同硬度材料之间的碰摩故障，扇形碰模块用于模拟叶片与机匣之间的碰摩，锥体碰模块用于模拟转子与封严篦齿之间的碰摩。固定件和可拆卸件通过螺纹连接，方便更换、拆卸。

图4 碰摩装置结构

2.4 模态分析

对转子进行简化，由于转子支承刚度较大，视其为刚性，因此只考虑轴承的影响。轴承采用ANSYS的虚拟轴承模型，左端为深沟球轴承，右端为圆柱滚子轴承，其动力系数见表1。通过UG建立计算模型，采用SOLID187单元进行网格划分，并用Workbench模块对转子系统进行计算分析。约束轴两端面的轴向位移自由度，其它方向自由。试验器工作转速设置为0～5000 r/min。经过计算得出转子的1阶临界转速为1825.5 r/min，所选用的驱动装置能够使转子快速地越过临界转速，避免引起系统强烈振动。其振型如图5所示。

表1 轴承动力系数

图5 转子振型

2.5 试验过程

在试验时，由驱动装置驱动转子达到试验转速值，由碰摩装置通过伺服电机控制径向碰摩块与其中1个转盘发生径向碰摩，另外2个转盘移至轴的一端锁紧，用于模拟径向单点碰摩、多点碰摩以及机匣与不同结构形式转子之间的径向碰摩故障。通过伺服电机控制轴向碰摩块与带篦齿叶冠盘的端面碰摩，用于模拟转静子之间的轴向碰摩故障。随着进给量的增加（0～20 mm），转子的振动情况也随之变化。另外，利用固定在机匣支撑上的伺服电机带动直线滑动平台可实现机匣的整体横向移动，用于模拟转静子的偏心碰摩故障。还可以通过更换碰摩块材料，模拟不同硬度材料之间的转静子碰摩，整个试验过程均由防护系统进行安全防护。

通过非接触式位移传感器测试不同转速以及不同碰摩工况下转轴的振动相应信号，并利用测试分析系统采集、分析转子的振动数据，研究碰摩进给量、碰摩结构、碰摩材料、碰摩位置与振动特性的关系。

3.1 轴强度校核

转轴强度主要考虑在转盘重力作用下的弯曲应力。由材料力学知识可知，2根转轴可简化为简支梁进行计算。其弯矩如图6所示。

图6 转轴弯矩

从图中可见，转轴危险截面为篦齿鼓筒盘悬挂处，其最大弯矩为143 N·m，其最大弯曲应力σmax=Mmax/W=23 MPa，而轴材料为45钢，其屈服极限为355 MPa，因此有足够的静强度储备系数。

3.2 盘强度校核

盘的静强度主要考虑高速旋转情况下引起的离心力，采用有限元方法进行强度分析。转盘采用Workbench前处理软件划分网格，并用静力学模块进行转盘强度分析。对转盘中心孔表面施加圆柱面约束，约束轴向及切向位移，试验器最大工作转速为5000 r/min，对模型施加转速载荷，并对盘中心孔施加胀套的胀紧力89 MPa。盘材料参数见表2。

表2 盘材料参数

通过计算分析得到3个转盘的最大应力分别为189、211、245 MPa，都分布在中心孔表面，应力如图7所示（带模拟叶片盘取包含1个叶片的扇形段，带篦齿叶冠盘、带篦齿鼓筒盘取整个盘的1/4）。与表2中材料参数对比表明，盘的强度满足要求，有一定的安全系数。

图7 3个转盘的应力

3.3 对开机匣强度校核

对径向和轴向碰摩状态分别建立UG模型，并应用ANSYS进行了强度计算分析，如图8所示。得到径向、轴向碰摩状态的最大应力分别为36、88 MPa，均满足机匣材料（铸钢）的强度要求。

图8 机匣强度计算加载模型

（1）本文设计的试验器具有模拟发动机转静子碰摩故障的功能，能够模拟不同形式、不同长度、不同材料的转子与静子的碰摩故障，并且径向碰摩、轴向碰摩可自动进给。

（2）试验器还具有监视转子运动情况的能力，能够检测并分析转轴振动响应信号，归纳出碰摩故障典型特征和识别方法，为“发动机整机振动抑制技术”研究提供验证手段。

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