環形轉子部件動態特性測試實驗研究

王成林，孫偉琛，陳華婷，張思晨

（北京物資學院，北京 101149）

環形轉子部件動態特性測試實驗研究

王成林，孫偉琛，陳華婷，張思晨

（北京物資學院，北京 101149）

環形轉子部件是旋轉類設備關鍵的核心結構件，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。基于基礎激振—共振質量法（簡稱BERM法），設計了一種可以測量環形轉子部件徑向和軸向剛度系數、阻尼系數以及損耗因子等在內的測試系統，并可以通過設定溫度測試工作溫度對該類部件動態特性的影響。通過實際測試，以剛度值為代表，得出了具體數值；在結合材料微觀結構特征分析的基礎上，對影響因素的作用機理進行了分析。

環形轉子部件；動態特性；剛度系數

0　引言

轉子部件在高加速度工作狀態下需要配置良好的支撐結構，要求該支撐結構具有良好的剛性和阻尼特性，例如使用軸承作為支撐結構件的需要相應的環形結構件作為軸承基座等，考慮到系統減振等方面的綜合需要，一般都會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理等千差萬別，對使用環境很敏感，因此在使用時必須掌握其動態特性，然后結合動力學的計算結果進行減振裝置優化設計。阻尼機理往往涉及到材料的晶粒運動等微觀領域，只依靠理論分析往往不能獲得準確的量化結果，需結合實驗測試的方法進行分析研究，特備是具有典型結構的轉子部件[1～3]。

1　轉子部件動態特性測試原理分析

采用美國NASA-Lewis Research Center系列報告中提出的基礎激振—共振質量法（簡稱BERM法），可以測出較寬頻帶范圍內橡膠元件的動態特征參數值，實驗原理如圖1所示。

圖1　動態測試力學模型

圖中參振物質量為m，其運動方程：

振動臺激勵形式為：

參振物響應為：

聯立以上方程組得彈簧彈性系數為:

阻尼器阻尼系數為：

其中幅值比：

損耗因子:

若測出激勵振幅x0和參振質量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c。

2　轉子部件動態特性測試系統設計分析

阻尼材料動態特性測試主要針對金屬材料和高分子材料兩大類材料，其中金屬材料測試包括剛度系數、阻尼系數和損耗因子與使用頻率之間的對應關系；同時測試硅膠、氟橡膠以及丁腈橡膠等高分子材料的剛度系數、阻尼系數以及損耗因子與工作頻率、預壓縮率之間的對應關系。

根據測試原理分析，由于在測試過程中，不同測試材料的振幅可能變化很大，當振幅過小時無法測量。而加速度值變化并不十分明顯，可以作為測試參數，因此選擇加速度傳感器作為振動測試元件。

測試實驗的主要步驟如下：

1）調整實驗裝置，保證輸入和輸出信號的穩定；

2）在測試范圍內確定測試點，相鄰測試點的間隔為100Hz；

3）在每一個選擇的測量點內測量振動臺和參振物的加速度幅值以及各向振動信號的相位差；

4）根據式(4)、式(5)、式(7)計算阻尼材料的特征參數值，并繪制實驗對象的剛度、阻尼系數以及損耗因子曲線；

5）結合實驗結果進行動態特性的影響因素分析。

圖2　實驗測試系統示意圖

圖2是實驗測試系統示意圖，在振動臺和參振物上安裝三向加速度傳感器，通過數據采集儀采集參振物和振動臺的加速度信號。數據采集儀所采集到的數據傳輸至分析軟件中后，通過分析軟件可以讀取加速度信號的幅值與相位信息。從而進行阻尼材料動態特性參數的計算。實驗所用測試儀器與振動臺的具體型號、功能參數如表1所示。

表1　實驗測試所用儀器型號與性能參數

3　測試用裝卡系統設計分析

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

由于整個實驗過程將測試多種材料的多組實驗，因此要求裝卡系統對各種尺寸和類型的材料具有很強的通用性，以減少部件數量。同時，為了節省實驗時間，需要實現各種材料在實驗完成后的快速更換。

由此確定如下本裝卡系統的設計原則：

1）通過設計不同尺寸待測材料零件對應的配合件來完成不同尺寸材料零件的動態特性測試；

2）通過設計單獨的待測材料承載模塊來完成不同待測材料測試幾種的快速更換；

3）通過設計保溫與加熱系統完成不同溫度條件下材料動態特性的測試。

本設計將實驗卡具座分成上下兩個部分，可以通過螺釘連接構成參振物安裝孔。將待測試材料安裝在軸套上，并將軸套套在測試軸上。通過改變軸套、測試材料的尺寸與測試材料的材質即可在不更換測試軸的條件下實現不同阻尼部件的動態測試。由于螺釘的連接剛度大，結構阻尼值比較小，可認為連接是剛性的；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釘定位。為了測試溫度對材料動態特性的影響，在裝卡系統外部設計安裝了保溫罩，通過保溫罩內設置的石英發熱管可對卡具進行加熱保溫。

圖3　裝卡裝置裝配關系

通過使用不同的軸套可以對高分子材料和金屬材料進行動態特性測試。高分子材料軸套其結構為中心有通孔的圓柱體，外圓柱面上有環狀凸起。外圓柱面的外徑比上基座和下基座組成的圓孔內徑稍小；環狀凸起的外徑比基座和下基座組成的圓孔內徑稍大。通過改變環裝凸起的尺寸即可對環裝高分子材料進行不同壓縮量下的動態特性測試。

圖4　高分子材料測試裝配示意圖

如圖4所示，測試時，將多個環狀高分子材料零件套在軸套的環狀凸起上；將軸套安裝在測試軸上，兩端用螺母將軸套固定在測試軸上；將測試軸放置在上下基座形成的孔內，多個環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應。此時環狀高分子材料零件被壓縮在環狀槽內，壓縮量與環狀高分子材料零件的外徑有關。可以通過改變金屬材料厚度以及對應的軸套的厚度來測試阻尼合金厚度對動態特性的影響，如圖5所示。

圖5　阻尼合金裝配關系圖

為了保證測試結果的有效性，需要對裝卡系統進行動態特性分析，防止在振動實驗中裝卡系統產生共振。本文通過建立裝卡系統的有限元模型，分析裝卡系統的固有頻率。通過ANSYS軟件進行分析的裝卡系統固有頻率如表2所示。

表2　裝卡系統各階固有頻率

各階固有頻率對應的振型如圖6所示。

圖6　測試用裝卡系統的各階振型圖

可見，裝卡系統的各階固有頻率均遠離振動測試的激振頻率，不會在測試過程中產生共振現象。

4　測試結果分析

結合使用要求，本文選擇TA4工業純鈦、HT150灰鑄鐵、H59黃銅共3種材料作為測試對象，獲得的測試結果如表3～表5所示。

表3　TA4工業純鈦材質徑向剛度系數與頻率關系測試結果表（外徑40mm；厚度2.7mm；長度為32mm）

表4　HT150灰鑄鐵材質徑向剛度系數與頻率關系測試結果表（外徑40mm；厚度3.5mm；長度為32mm）

表5　H59黃銅材質徑向剛度系數與頻率關系測試結果表（外徑40mm；厚度3.5mm；長度為32mm）

在典型非金屬材料剛度系數與頻率關系測試中選擇氟橡膠圈、硅膠橡膠圈作為測試對象，其中氟橡膠圈內徑為45.2mm；線寬為4mm；徑向壓縮量為15%，測試結果如表6所示。

表6　氟橡膠圈徑向剛度系數與頻率關系測試結果表

硅膠橡膠圈內徑為45.2mm，線寬為4mm，徑向壓縮量為15%，測試結果如表7所示。

表7　硅膠橡膠圈軸向剛度系數與頻率關系測試結果表

相應的環形轉子部件軸向測試剛度測試結果如表8～表12所示。

表8　TA4工業純鈦材質軸向剛度系數與頻率關系測試結果表

表9　HT150灰鑄鐵材質軸向剛度系數與頻率關系測試結果表

表10　H59黃銅材質徑向剛度系數與頻率關系測試結果表

表11　氟橡膠圈剛度系數與頻率關系測試結果表

表12　硅膠橡膠圈軸向剛度系數與頻率關系測試結果表

通過改變系統的工作溫度，可以測試溫度對環形轉子部件動態特性的影響，以硅膠橡膠圈為例，測得結果如表13所示。

表13　硅膠橡圈的溫度對環形轉子部件動態特征的影響

5　測試結果的影響因素分析

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致材料內部結構改變，這種情況下，溫度變化一般比較大，是材料內部組織結構方面質的改變。本文所涉及的測試最高溫度并沒有超過70度，從測試結果可知在30度的總體變溫測試范圍內，性能整體變化趨勢不大，也就是內部結構之間的運動活躍程度隨溫度變化會發生轉變，基本組成粒子之間的作用力同時改變，將會影響支撐機構的強度。

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

3）結構滑動阻尼影響。再考慮材料自身屬性的外，還需要考慮系統中軸向和徑向方向，提別是軸向中存在的滑動阻尼影響，考慮機構自身的特性，特別是軸套與基座、軸套與測試對象之間的滑動，配合方式、材質的差異等，導致了滑動阻尼系數不同。

6　結束語

本文基于BERM法設計了一種可以環形轉子部件的動態測試系統，該系統剛度高，測試過程簡單，可以獲得包括剛度系數等在內的特征參數值。同時本文測試了在一般的工作溫度下環形轉子部件的性能變化，得出了具體結論，并從材料內部結構特征變化角度，針對具體測試結果，給出了相關的構成機理解釋，為高加速度條件下的系統設計提供了良好的借鑒。

[1] 吳榮仁.透平膨脹機葉輪超速試驗臺主軸系統的減振支承[J].低溫工程,1999(6):27-30.

[2] 劉旺玉,田玉福,方敬豐,劉佳,蘇洪波.一種新型阻尼減振片性能實驗及應用仿真研究[J].科學技術與工程,2013(13)6:1700-1703.

[3] 李大勇,李勝波,林海鵬,王宏.金屬橡膠技術在轉子支承系統中的阻尼減振應用研究[J].價值工程,2013(17):59-60.

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

國家自然科學基金委員會資助項目（51205027）；北京市物流系統與技術重點實驗室資助項目；北京市教育委員會大學科技園專項資助項目

王成林（1979 -），男，黑龍江人，教授，博士，研究方向為工程裝備設計。