CN104713708A - 主轴疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主轴疲劳试验装置，包括：基座块、电机和传动机构，还包括：立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构，立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构均设置在基座块上，立式试验件固定机构对立式的主轴试验件进行固定，旋转弯矩加载机构与主轴试验件的端部进行连接，电机通过传动机构向旋转弯矩加载机构传递动力，旋转弯矩加载机构在试验时通过偏心旋转的方式形成对主轴试验件的端部的旋转弯矩。本发明采用偏心旋转方式来产生离心载荷，可在主轴试验件的端部形成连续的旋转弯矩，更真实的模拟出主轴试验件在实际运行中所受的旋转弯矩情况，而且加载频率受限较少，可满足主轴疲劳试验下高加载频率的要求，缩短试验周期，降低试验失败的几率。

Description

主轴疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及发动机主轴疲劳试验技术，尤其涉及一种主轴疲劳试验装置。

背景技术

主轴是发动机的重要零件，它的主要功用是传递功率和联结各转动部件。在发动机工作过程中，主轴承受着较大的扭矩、弯矩、轴向力、陀螺力矩、离心力及振动等载荷，在高温区域主轴还承受着热载荷。由于结构的需要，主轴上往往具有台阶，孔，槽和花键等几何形状，在这些部位容易出现集中，产生很高的局部应力，从而可能导致疲劳裂纹的产生。主轴断裂一般都造成重大飞行事故。作为发动机的典型限寿件，根据CCAR33部关于航空涡轮发动机限寿件条款33.70的要求，主轴必须通过试验或使用经验确定其满足寿命要求。

一般的台架试车，很难再现飞行使用中由于机动飞行引起的陀螺力矩和弯矩，需要通过试验器来进行主轴疲劳寿命试验。现阶段主轴疲劳试验器设计中，通常采用成组的液压作动筒对静止试验状态的主轴进行多点弯矩加载，以便模拟实际工作过程中主轴处于高速旋转状态，陀螺力矩和弯矩对主轴沿周向上任一点的旋转弯矩作用。但受安装空间和控制系统的限制，成组作动筒的加载方式很难实现真实的旋转弯矩加载，从而影响对主轴疲劳寿命的预测。

同时，由于主轴试验载荷通常较大，作动筒采用液压方式施加力，包括加压和卸压的过程，而加压过程存在速率限制，因此作动筒的高载加载频率最高仅有几赫兹。而主轴疲劳试验循环数通常达几万至几十万次循环，如果加载频率只有几赫兹，则通常的主轴疲劳试验需要持续几个月，甚至半年，而在这么长的试验周期中，很容易出现设备异常、连接件磨损等问题引起的加载精度、测试精度的变化，最终导致主轴疲劳试验的失败。

发明内容

本发明的目的是提出一种主轴疲劳试验装置，能够更真实的模拟出主轴在实际工作中的旋转弯矩加载情况，进而实现对主轴疲劳寿命的更精准预测。

为实现上述目的，本发明提供了一种主轴疲劳试验装置，包括：基座块、电机和传动机构，其中还包括：立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构，所述立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构均设置在所述基座块上，所述立式试验件固定机构对立式的主轴试验件进行固定，所述旋转弯矩加载机构与所述主轴试验件的端部进行连接，所述电机通过所述传动机构向所述旋转弯矩加载机构传递动力，所述旋转弯矩加载机构在试验时通过偏心旋转的方式形成对所述主轴试验件的端部的旋转弯矩。

进一步的，所述旋转弯矩加载机构包括：加载轴和偏心转子结构，所述加载轴设置在所述主轴试验件的上方，并且与所述主轴试验件的端部进行螺栓连接，所述偏心转子结构通过轴承安装在所述加载轴上，所述偏心转子结构和所述电机均与所述传动机构连接，在试验时所述电机通过所述传动机构向所述偏心转子结构传递动力，使所述偏心转子结构相对于所述加载轴旋转。

进一步的，所述偏心转子结构包括：加载盘和至少两个配重块，所述至少两个配重块安装在所述加载盘上，形成偏心结构，并避免引入附加横向力的影响。

进一步的，所述偏心转子结构包括两个质量相等的配重块，分别在所述加载盘上对称且不同轴的安装，所述加载盘通过两个轴承安装在所述加载轴上，所述两个质量相等的配重块的安装高度分别与所述两个轴承的安装高度相对应。

进一步的，所述偏心转子结构还包括定位环，所述定位环套设在所述加载轴上，并设置在所述加载轴上的两个轴承的内圈之间。

进一步的，还包括设置在所述加载轴上方的液压作动筒，所述液压作动筒的一端与所述基座块相连，另一端连接所述加载轴，在试验时为所述旋转弯矩加载机构抵消重力影响。

进一步的，所述传动机构包括：主动齿轮、从动齿轮和带齿皮带，所述主动齿轮的转轴与所述电机的输出轴连接，所述从动齿轮设于所述加载盘的上方，并通过螺栓与所述加载盘进行连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮通过所述带齿皮带进行传动，在所述主动齿轮的带动下，所述从动齿轮带动所述加载盘和配重块围绕所述加载轴旋转。

进一步的，所述立式试验件固定机构包括：底座、第一支座组件和第二支座组件，所述底座固定在所述基座块上，对所述主轴试验件的下方进行固定，所述底座上设有阳套齿，与所述主轴试验件的阴套齿相配合，用以限制所述主轴试验件的转动；所述第一支座组件固定在所述基座块上，所述第二支座组件固定在所述第一支座组件上，所述第一支座组件和第二支座组件分别通过轴承在所述主轴试验件竖直方向上的两个边界条件支撑位置对所述主轴试验件进行支撑。

基于上述技术方案，本发明采用立式试验件固定机构对主轴试验件进行立式的固定，并通过旋转弯矩加载机构所提供的偏心旋转功能来形成对主轴试验件端部的旋转弯矩，相比于现有的旋转弯矩的试验装置，本发明采用立式结构可以避免试验件质量本身带来的横向力作用，而固定主轴试验件则可以保证在试验过程中试验件的静止，从而使试验装置的结构更为简化，采用偏心旋转方式来产生离心载荷，可以在主轴试验件的端部形成连续的旋转弯矩，更真实的模拟出主轴试验件在实际运行中所受的旋转弯矩情况，而且加载频率可由旋转角速度确定，不再受液压作动筒的较低的加载频率限制，可以满足主轴疲劳试验下高加载频率的要求，缩短试验周期，降低因试验装置本身出现问题而导致主轴疲劳试验失败的几率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明主轴疲劳试验装置的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明主轴疲劳试验装置的一实施例的结构示意图。在本实施例中，主轴疲劳试验装置包括：基座块16、立式试验件固定机构、旋转弯矩加载机构、电机6和传动机构，立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构均设置在基座块16上，立式试验件固定机构对立式的主轴试验件10进行固定，旋转弯矩加载机构与主轴试验件10的端部进行连接，电机6通过传动机构向旋转弯矩加载机构传递动力，旋转弯矩加载机构在试验时通过偏心旋转的方式形成对主轴试验件10的端部的旋转弯矩。

首先结合图1来看一下旋转弯矩加载机构的一种具体结构的实现。旋转弯矩加载机构可以包括：加载轴1和偏心转子结构，加载轴1设置在主轴试验件10的上方，并且与主轴试验件10的端部进行螺栓连接。

偏心转子结构通过轴承17、18安装在加载轴1上，偏心转子结构和电机6均与传动机构连接，在试验时电机6可以通过传动机构向偏心转子结构传递动力，加载轴1和主轴试验件10静止，偏心转子结构相对于加载轴1旋转。

偏心转子结构是一种可旋转的偏心结构，建议采用分体安装的结构，例如采用加载盘和可拆卸、可增减、可调位置的至少两个配重块结合的形式，试验员可以根据试验要求选择至少两个配重块安装在加载盘，以此形成偏心结构，并避免引入附加横向力的作用。由于主轴试验件采用立式放置的形式，因此偏心转子结构的旋转轴心也垂直于地面。

优选的，偏心转子结构可以包括两个质量相等的配重块，即图1中的配重块8和配重块9，这两个配重块质量相等，分别在加载盘7上进行相对于轴心对称，且处于不同轴（即不同高度）的安装，而安装时由于偏心转子结构需要围绕加载轴1旋转，因此加载盘8需要通过两个轴承17、18安装在加载轴1上。之所以选用这种双配重块的形式，主要在于两个相同质量的配重块可以实现一对力偶模拟弯矩，而且便于折算弯矩，当需要模拟不同弯矩试验值时可以很方便的进行配重块的更换，并且不存在单一配重块所引入的横向力附加影响的问题。

假设配重块8和配重块9的质量均为m，且配重块8和配重块9的重心到旋转轴线X-X的径向距离相同，均为r，而配重块8和配重块9的重心的轴向距离为L。那么当进行试验时，如果配重块和加载盘的旋转转速为ω，则配重块8和配重块9分别产生离心载荷mrω²,由于配重块8和配重块9不同轴，因此产生的弯矩为mrω²L。当旋转转速为ω时，该弯矩围绕轴线X-X旋转，旋转速度为ω。对于试验轴上各点的加载频率为ω/2π，其中ω的单位是弧度/秒。

从上面可以看到，旋转弯矩的大小与配重块的质量、转速以及配重块之间的径向距离和轴向距离均有关系，因此试验者可以根据试验要求选择适合质量的配重块，并且可以对配重块之间的轴向距离进行调整，改变L的大小，而L的改变可以通过不同尺寸的定位环19来实现，定位环19可以套设在加载轴1上，并设置在加载轴1上的两个轴承17、18的内圈之间，两个质量相等的配重块8、9的安装高度分别与两个轴承18、17的安装高度相对应，以确保配重块离心载荷在径向方向上的有效传递。通过调整定位环19的轴向长度，就可以满足不同的弯矩试验值的加载要求。

另外，从图上看加载盘7和加载轴1之间似乎是接触的状态，但实际上两者之间是要相对旋转的，因此不能直接接触，两者之间可采用间隙设计，用来防止两者之间所形成的腔内的润滑油发生泄漏，由于间隙较小，因此图上并不太直观，特此说明。

考虑到主轴弯矩载荷通常在10kN.m的量级，加载轴需要具有一定的刚度，以便实现旋转弯矩的传递，此外为了满足定位环和配重块的安装，加载轴也需要保证一定的长度，因此加载轴的重量一般有几十公斤，很难减重。而由于加载轴重力带来了附加轴向力，从而影响加载轴的寿命测试结果，而这种影响难以通过计算的方式进行消除。因此在优选实施例中，还可以在加载轴1上方设置液压作动筒5，液压作动筒5的一端与基座块16相连，另一端连接加载轴1，在试验时为旋转弯矩加载机构抵消重力影响。

由于偏心转子结构需要在试验时以特定的速度旋转，因此需要电机借助于传动机构来为偏心转子结构提供动力。动力传递可以采用各种现有常见的形式，例如皮带传动、齿轮传动等。图1所示的实施例中，传动机构包括：主动齿轮3、从动齿轮2和带齿皮带4，主动齿轮3的转轴与电机6的输出轴连接，从动齿轮2设于加载盘7的上方，并通过螺栓与加载盘7进行连接，依靠螺栓压紧面的摩擦力传递扭矩，带动加载盘7旋转。主动齿轮3与从动齿轮2通过带齿皮带4进行传动，在主动齿轮3的带动下，从动齿轮2带动加载盘7和配重块8、9围绕加载轴1旋转。这种传动结构实现简单可靠，适合于持续的主轴疲劳试验。

为了更好的模拟出主轴试验件10的实际工作状态下的安装边界状态，加载轴1的下部与主轴试验件10的端部进行螺栓连接，这是因为主轴试验件的端部往往是与风扇盘、风扇叶片以及增压级组件连接的，而在机动飞行时，由于风扇盘、风扇叶片以及增压级组件的转动惯量，导致其对主轴端部产生弯矩作用，因此弯矩载荷的作用面就在主轴端部，因此选择加载轴与主轴试验件的端部通过螺栓进行固定连接。

此外，还需要模拟出主轴试验件的安装边界，即通过立式试验件固定装置来实现，图1中，立式试验件固定机构包括：底座15、第一支座组件12和第二支座组件11，底座15固定在基座块16上，对主轴试验件10的下方进行固定，底座15上设有阳套齿，与主轴试验件10的阴套齿相配合，用以限制主轴试验件10的转动。第一支座组件12固定在基座块16上，第二支座组件11固定在第一支座组件12上，第一支座组件12和第二支座组件11分别通过轴承14、13在主轴试验件10竖直方向上的两个边界条件支撑位置对主轴试验件10进行支撑。

底座通过限制主轴试验件的转动来实现主轴试验件的静止状态，实现对主轴试验件与加载装置之间相对转速的控制，从而控制加载频率，准确地测量主轴寿命。而两个支座组件则可以模拟出主轴试验件的两个支点的支撑刚度，进而模拟出实际安装在航空发动机中工作状态下的边界条件，而边界条件的准确模拟也是实现对旋转弯矩作用下主轴变形的模拟，是主轴疲劳寿命中主要控制的参数之一。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种主轴疲劳试验装置，包括：基座块、电机和传动机构，其特征在于，还包括：立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构，所述立式试验件固定机构和旋转弯矩加载机构均设置在所述基座块上，所述立式试验件固定机构对立式的主轴试验件进行固定，所述旋转弯矩加载机构与所述主轴试验件的端部进行连接，所述电机通过所述传动机构向所述旋转弯矩加载机构传递动力，所述旋转弯矩加载机构在试验时通过偏心旋转的方式形成对所述主轴试验件的端部的旋转弯矩。

2.根据权利要求1所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，所述旋转弯矩加载机构包括：加载轴和偏心转子结构，所述加载轴设置在所述主轴试验件的上方，并且与所述主轴试验件的端部进行螺栓连接，所述偏心转子结构通过轴承安装在所述加载轴上，所述偏心转子结构和所述电机均与所述传动机构连接，在试验时所述电机通过所述传动机构向所述偏心转子结构传递动力，使所述偏心转子结构相对于所述加载轴旋转。

3.根据权利要求2所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，所述偏心转子结构包括：加载盘和至少两个配重块，所述至少两个配重块安装在所述加载盘上，形成偏心结构，并避免引入附加横向力的作用。

4.根据权利要求3所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，所述偏心转子结构包括两个质量相等的配重块，分别在所述加载盘上对称且不同轴的安装，所述加载盘通过两个轴承安装在所述加载轴上，所述两个质量相等的配重块的安装高度分别与所述两个轴承的安装高度相对应。

5.根据权利要求4所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，所述偏心转子结构还包括定位环，所述定位环套设在所述加载轴上，并设置在所述加载轴上的两个轴承的内圈之间。

6.根据权利要求3或4或5所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，还包括设置在所述加载轴上方的液压作动筒，所述液压作动筒的一端与所述基座块相连，另一端连接所述加载轴，在试验时为所述旋转弯矩加载机构抵消重力影响。

7.根据权利要求6所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，所述传动机构包括：主动齿轮、从动齿轮和带齿皮带，所述主动齿轮的转轴与所述电机的输出轴连接，所述从动齿轮设于所述加载盘的上方，并通过螺栓与所述加载盘进行连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮通过所述带齿皮带进行传动，在所述主动齿轮的带动下，所述从动齿轮带动所述加载盘和配重块围绕所述加载轴旋转。

8.根据权利要求1所述的主轴疲劳试验装置，其特征在于，所述立式试验件固定机构包括：底座、第一支座组件和第二支座组件，所述底座固定在所述基座块上，对所述主轴试验件的下方进行固定，所述底座上设有阳套齿，与所述主轴试验件的阴套齿相配合，用以限制所述主轴试验件的转动；所述第一支座组件固定在所述基座块上，所述第二支座组件固定在所述第一支座组件上，所述第一支座组件和第二支座组件分别通过轴承在所述主轴试验件竖直方向上的两个边界条件支撑位置对所述主轴试验件进行支撑。