专利名称：能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对高速回转主轴进行强度试验的装置，特别是涉及一种 能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷确定转轴寿命的强度试验 装置。
背景技术：
涡轮发动机、汽轮机等高速回转机械的回转主轴是这类机械最为重要的部 件，运行中承受很大的多种载荷，如附图3所示，要承受弯矩Mu、主扭矩Mk、 振动扭矩AMk、轴向力P等载荷，又由于其上分布有很多容易产生裂纹的台阶 和孔等应力集中的部位，运行中一旦发生裂纹就可能发生致命的断轴后果，造成 人身伤亡和财产重大损失的恶性事故。由于在发动机试车台架上不能模拟涡轮轴 运行中的陀螺力矩和机动弯矩，因此地面试车无法对涡轮主轴实际运行载荷进行 模拟，而采用实际运行进行寿命试验，不但成本巨大，而且危险极大。因此建造 能够全面模拟涡轮轴在实际运行状态下所承受的各种载荷的试验装置，成为解决 轴类故障的关键。在发动机涡轮轴运行过程中承受的弯矩Mu、主扭矩Mk、振 动扭矩AMk、轴向力P等载荷中，其中振动扭矩载荷AMk模拟比较困难，建造 能够模拟涡轮轴在实际运行状态下所承受的振动扭矩载荷AMk的试验装置，是 所属领域科技工作者共同面临的急待解决的重大课题。
英国R.R公司研究开发出了一种高速回转主轴强度试验装置，以求解决对高速回 转主轴所承受的振动扭矩载荷AMk进行模拟试验的问题。该试验装置的结构如 附图4和附图5所示。装置的模拟试验机构，其主扭矩和反扭矩系统均采用由电 磁液压伺服阀控制的液压作动筒机构组成一对力偶(液压作动筒机构即为由活塞 和活塞缸组成的缸塞机构)，振动扭矩则采用由电磁液压伺服阀控制的液压作动 筒机构产生的一个偏心扰动力所构成，装置的模拟试验机构设置在由底座、筒体 和顶盖构成的装置机壳内。但该装置并不能够很好地解决模拟高速回转主轴所承受的振动扭矩载荷AMk问题。这是由于，反扭矩系统采用由电磁液压伺服阀控 制的液压作动简机构组成一对力偶为反扭矩，在2个主扭液压作动筒机构对测试 回转主轴实施了主扭矩后，构成反扭矩系统的2个液压作动筒就成为了一个刚性 很强的系统，这时只能对测试回转主轴施加正的+AMk扭^g载荷，而不能施加 负的-AMk扭矩载荷，如果此时对回转主轴通过振扭作动筒施加振动扭矩载荷 △Mk就非常困难，主要是振动扭矩的振幅和振动频率不能达到高速回转主轴试 验需求，即不能很好有效地对测试回转主轴施加振动扭矩载荷厶Mk。如要实现 对测试回转主轴施加振动扭矩载荷AMk，则整个反扭矩系统需是一个弹性系统， 如果按常规设计，那么该装置的结构将十分复杂。因此，英国R.R公司研究开发 出的高速回转主轴强度试验装置，由于其反扭系统没有设计成为弹性系统，实际 上并没有很好有效地解决对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷的模 拟强度试验问题。
发明内容
本实用新型针对现有技术的高速回转主轴强度试验装置存在的不足而提供 的能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷的试验装置，旨在解决现 有技术的试验装置不能很好有效地对高速回转主轴实现主扭矩和振动扭矩复合 加载问题，不能很好有效地同时模拟高速回转主轴在运行过程中承受的主扭矩载 荷和振动扭矩载荷，其次解决现有技术的试验装置结构复杂、制造成本高、故障 率高等问题。
本实用新型旨在解决的技术问题，可通过具有以下技术方案的高速回转主轴
强度试验装置来实现
一种能够对髙速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，主要包括 装置机架，与安装在机架上的回转主轴固定联结的主扭臂和反扭臂，支承端固定 于装置机架上而运动端与扭臂为铰联接的作用力构成主扭力偶的至少一对主扭 作动筒机构、作用力构成振动扭力偶的至少一对振动作动筒机构和反作用力构成 反扭力偶的至少一对反扭作动机构，以及控制作动筒机构运动的液压伺服系统， 所说的反扭作动机构为弹性反扭作动机构。
在上述强度试验装置技术方案中，所说的弹性反扭作动机构可以是由气压弹性构件构成的弹性反扭作动机构，也可以是由反力弹簧构成的弹性反扭作动机 构。后一种结构的弹性反扭作动机构，其结构简单，容易实施，优先采用后一种 结构的弹性反扭作动机构。反力弹簧弹性反扭作动机构可以是由圆柱型反力弹簧 构成的弹性反扭作动机构，也可以是由其他结构的反力弹簧构成的弹性反扭作动 机构，优先采用圆柱型反力弹簧弹性反扭作动机构。
所说的圆柱型反力弹簧弹性反扭作动机构，其结构可设计成主要包括机构机 架、圆柱型反力弹簧和将反力弹簧安置在机构机架内的两弹簧座，两弹簧座中与 反扭臂作用联接一端的弹簧座可相对于机构机架轴向移动。所说的圆柱型反力弹 簧最好设计为两根， 一根为弹簧钢丝粗弹簧直径大的大弹簧， 一根为弹簧钢丝细 弹簧直径小的小弹簧，大弹簧套置在小弹簧外。所说的机构机架可设计为，包括 端部设计有螺纹的机架结构螺杆、座板和盖板，座板上设计有弹簧座和与机架结 构螺杆端部螺纹匹配的安装螺纹孔，盖板上设计有可动弹簧座轴颈可在其内轴向 滑动的安装孔和与机架结构螺杆匹配的安装孔，机架结构螺杆穿过盖板上的安装 孔与座板上的安装螺纹孔螺纹联结，组装形成机构机架。当然也可设计成其他结 构形式，如以筒体代替机架结构螺杆的筒状机架形式。构成机构机架的盖板，可 在其轴颈安装孔内设置一装配轴颈套，可动弹簧座轴颈通过装配轴颈套安装在盖 板安装孔内，且轴颈套上设计加工有润滑油槽。构成机构机架的座板，其与机架 结构螺杆端部螺纹匹配的安装螺纹孔最好为贯通孔，以便于对反力弹簧的反作用 力进行调整。
在上述所述试验装置的技术方案中，所说的主扭作动筒机构、振动作动筒机
构和反扭作动机构最好都为对称设置的2个，2个振动作动筒机构和2个反扭作 动机构分别与同一反扭臂铰联接。
在上述试验装置技术方案中，所说的装置机架为龙门式结构，由基座、两个 墙式立柱和横梁构成，主扭作动筒机构、振扭作动筒机构和反扭作动机构的支承 端固定安装在立柱上，被测回转轴竖向安装在基座上。
在上述试验装置技术方案中，所说的试验装置还设置有弯矩加载机构和轴向 力加载机构，弯矩加载机构通过弯矩加载轴与回转轴测试件联结，轴向力加载机 构直接与回转轴测试件联结。
本实用新型还采取了其他一些技术措施。
6本实用新型提供的能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷的 强度试验装置，其工作过程原理为对称安置在装置机架上的主扭作动筒机构， 在液压伺服系统控制下进行动作，产生一对力偶，此力偶通过固定于测试高速回 转主轴上的主扭臂和反扭臂作用到弹性反扭作动机构上，使构成反扭弹性机构的 弹性构件被压縮，从而使对称设置的弹性反扭机构产生一对反向力偶，进而通过 主扭臂和反扭臂向高速回转主轴测试件施加如图3中所示的主扭矩Mk。当对称
设置的振动扭矩作动筒在液压伺服系统控制下以一定的频率(一般不高于15Hz) 和振幅(即AMk)施加高频振动力偶时，由于反扭作动机构具有弹性，从而使 得反扭臂产生高频振动，将振动作动筒与反扭作动机构之间形成的高频振动扭矩 施加在高速回转主轴测试件上，即通过反扭臂对高速回转主轴测试件施加了高频 振动扭矩，也就是在对高速回转主轴测试件在施加了主扭矩的基础上又叠加实施 了高频振动扭矩。试验装置中的主扭作动筒和振动扭矩作动筒的运动动力都是由 液压站提供的压力油通过电磁液压伺服阀控制提供。
本实用新型将高速回转主轴试验装置的反扭系统设计为独特的弹性系统，突 破了现有技术的高速回转主轴试验装置的扭矩加载传统模式，成功地解决了对高 速回转主轴试件实施综合扭矩加载的技术难题，使得试验装置能够完全、真实地 模拟高速回转主轴运行过程承受的主扭矩载荷和高频振动扭矩载荷，且试验装置 扭矩载荷加载准确度高，完全能够满足高速回转主轴扭矩疲劳试验的要求，实现 高速回转主轴在试验装置上就可以进行确定寿命的试验目的，推进了高速回转轴 试验装置的技术进步。此外，在本实用新型提供的高速回转主轴试验装置的基础 上再增设弯矩加载机构和轴向力加载机构，试验装置就能够完全真实地模拟高速 回转主轴运行状态下所承受的各种载荷，对高速回转主轴运行状态下所承受的各 种载荷进行全面试验。
本实用新型提供的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的强度试验 装置，与现有技术的高速回转主轴试验装置相比，除了上面所说的本实用新型能 够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩，完全、真实地模拟高速回转主轴 运行过程承受的综合扭矩载荷外，概括起来还具有以下技术优势和积极效果-
1、制造成本低。本实用新型的弹性反扭作动机构的制造成本较之由电磁液 压伺服阀控制的反扭作动筒机构的制造成本大大降低，其制造成本一套只需数千元，远远少于后者制造成本的5—6万元。另外，本实用新型的装置机架，其结 构较之现有技术试验装置的机架，结构更为简单，制造也更为容易，制造成本也 更为低，即本实用新型的制造成本低。
2、 使用寿命长。构成本实用新型弹性反扭作动机构的反力弹簧采用优质钢 材制造，耐用性极强，而且在使用过程中几乎没有磨损，因此使用寿命长，设计 人在装置的试制过程中，对一个型号的数十根轴进行试验，未更换过弹簧构件。 而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统，其故障率很高，主要原因是作 动筒在高频往复运动过程中磨损严重，易损坏，另外由于原理性设计缺陷，使电 磁液压伺服阀处于不合理的工作状态，极易造成损坏， 一旦更换，则需要耗费数 万元。
3、 维修工作量小。本实用新型的弹性反扭作动机构在试验过程中几乎不需 要进行维修，可以保证疲劳强度试验的进度要求，而采用作动筒和电磁液压伺服 阀技术的反扭系统则经常需要停机维修，无法保证试验进度的要求，更难以对批 量轴进行大规模的疲劳强度试验。
4、 加载精度高。构成本实用新型的反扭作动机构弹性构件的反力弹簧采用 优质钢材制造，具有优良的力学重复性能，与精度为0.1%的拉压力传感器配合 使用，可使扭矩加载精度达到2%以上。而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的 反扭系统加载精度只能达到5% 。
5、 适应疲劳试验所需要的大载荷，多循环试验需求。对一根高速回转主轴
进行疲劳寿命试验， 一般需要进行104次低循环和107次高循环，如每天进行
12小时试验，在试验装置基本无故障的情况下，完成一根轴的试验约需要一个 月的时间。本实用新型因使用寿命长，设备维修的工作量小，故可以适应批量轴 疲劳试验的需求。而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统的试验装置， 由于故障率高，维修困难，进行一根轴的疲劳试验最少需要三个月以上的时间。 因此只能进行少量轴的研究性试验，不能满足批量轴的疲劳寿命试验需求。
6、 试验装置的利用率高。由于本实用新型具有上述多项优越性能，使得试 验装置的利用率很高，能够对高速回转主轴批量进行疲劳试验。设计人曾用本实 用新型的试验装置对几个型号的发动机涡轮轴进行过批量轴的疲劳强度试验，而 采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统的试验装置只进行过少量研究性
8试验，设备利用率极低。
图1是本实用新型的总体结构示意图。 图2是本实用新型的弹性反扭作动机构示意图。 图3是发动机涡轮轴疲劳强度试验载荷谱图。 图4是现有技术的试验装置的外形结构示意图。 图5是现有技术的试验装置的原理结构示意图。
在上述附图中，各图识标号的标识对象为l装置机架；2弯矩加载机构； 3弯矩加载轴；4主扭作动筒机构；6振动扭矩作动筒机构；6弹性反扭作动机构； 7主扭臂；8高速回转主轴试验件；9反扭臂；10轴向力加载机构；11座板； 12反力大弹簧；13反力小弹簧；14机架结构螺杆；15可动弹簧座；16盖板， 17润滑油槽。
具体实施方式
以下结合附图说明给出本实用新型的实施例，并通过实施例对本实用新型作 进一步的说明，以便于更加容易地理解本实用新型。但需要特别指出的是，本实 用新型的具体实施方式
不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在 不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式
，因此不 应将下面给出的具体实施方式
的实施例理解为本实用新型的保护范围，将本实用 新型的保护范围限制在所给出的实施例。
实施例l
本实施例提供的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其
结构如附图1中所示，由装置机架l，主扭臂7，反扭臂9，作用力构成主扭力 偶的2个主扭作动筒机构4,作用力构成振动扭力偶的2个振动作动筒机构5， 反作用力构成反扭力偶的2个弹簧反扭作动机构6，以及由4个电磁液压伺服阀 分别控制4个作动筒机构的液压伺服系统构成。2个主扭作动筒机构、2个振动 作动筒机构和2个弹簧反扭作动机构均为对称设置。装置机架l为龙门式结构，由基座、两个墙式立柱和横梁构成，主扭臂7和反扭臂9与垂直安装在装置机架 基座上的回转主轴8固定联结，2个主扭作动筒机构、2个振动作动筒机构和2 个弹簧反扭作动机构的支承端分别固定于装置机架1的两个墙式立柱上，2个 主扭作动筒机构的运动端与主扭臂铰联接，2个振动作动筒机构和2个弹簧反扭 作动机构的运动端都与反扭臂铰联接。所述弹簧反扭作动机构的结构如附图2 所示，由机构机架、圆柱型反力弹簧和将反力弹簧安置在机构机架内的两弹簧座 构成，两弹簧座中与反扭臂作用联接一端的弹簧座15可相对于机构机架轴向移 动，圆柱型反力弹簧有两根， 一根为弹簧钢丝粗弹簧直径大的大弹簧12， 一根 为弹簧钢丝细弹簧直径小的小弹簧13，大弹簧套置在小弹簧外。所说的机构机 架由4根端部设计有螺纹的机架结构螺杆14、座板11和盖板16构成，座板上 设计加工有安装大小两弹簧的两弹簧座，和4个与机架结构螺杆端部螺纹匹配的 安装贯通螺纹孔，盖板16中央设计有可动弹簧座轴颈安装孔，和与机架结构螺 杆匹配的4个安装孔，可动弹簧座轴颈通过轴颈套安装在盖板上的安装孔内，可 动弹簧座轴颈可在轴颈套内轴向滑动，盖板和轴颈套设计加工有相通的润滑油槽 17，机架结构螺杆穿过盖板上的安装孔与座板上贯通的安装螺纹孔螺纹联结，组 装形成机构机架。
实施例2
本实施例提供的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置， 结构如附图1和附图2所示，其构成与实施例1基本相同，所不同的是，在实 施例1的基础上试验装置增设了弯矩加载机构2和轴向力加载机构10,弯矩加 载机构通过弯矩加载轴3与回转轴测试件联结，轴向力加载机构直接作用于回转 轴测试件。其他结构与实施例1均相同。本实施例的试验装置，除了能够完全真 实地模拟髙速回转主轴运行状态下所承受的主扭矩载荷和高频振动载荷外，还可 模拟弯矩载荷和轴向载荷，可对高速回转主轴运行状态下所承受的各种载荷进行 全面试验。
权利要求1、一种能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，主要包括装置机架，与安装在机架上的回转主轴固定联结的主扭臂和反扭臂，支承端固定于装置机架上而运动端与扭臂为铰联接的作用力构成主扭力偶的至少一对主扭作动筒机构、作用力构成振动扭力偶的至少一对振动作动筒机构和反作用力构成反扭力偶的至少一对反扭作动机构，以及控制作动筒机构运动的液压伺服系统，其特征在于所说的反扭作动机构为弹性反扭作动机构。
2、 根据权利要求1所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的弹性反扭作动机构为由反力弹簧构成的弹性反扭作动机构。
3、 根据权利要求2所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装 置，其特征在于所说的弹性反扭作动机构为由圆柱型反力弹簧构成的弹性反扭作动 机构。
4、 根据权利要求3所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装 置，其特征在于所说的弹性反扭作动机构主要包括机构机架、圆柱型反力弹簧和将 反力弹簧安置在机构机架内的两弹簧座，两弹簧座中与反扭臂作用联接一端的弹簧 座可相对于机构机架轴向移动。
5、 根据权利要求4所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装 置，其特征在于所说的IH柱型反力弹簧有两根，弹簧钢丝粗弹簧直径大的大弹簧套 置在弹簧钢丝细弹簧直径小的小弹簧外。
6、 根据权利要求4所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装 置，其特征在于所说的机构机架包括端部设计有螺纹的机架结构螺杆、座板和盖板， 座板上设计有弹簧座和与螺杆端部螺纹匹配的机架组装螺纹孔，盖板上设计有可动 弹簧座轴颈可在其内轴向滑动的安装孔和机架组装孔，螺杆穿过盖板上的机架组装 孔与座板上的机架组装螺纹孔螺纹联结，组装成机构机架。
7、 根据权利要求6所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装 置，其特征在于可动弹簧座轴颈通过装配轴颈套安装在盖板装配孔内，轴颈套上设 计加工有润滑油槽。
8、 根据权利要求1所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于试验装置还设置有弯矩加载机构和轴向力加载机构，弯矩加载机构 通过弯矩加载轴与回转轴测试件联结，轴向力加载机构直接与回转轴测试件联结。
9、 根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的能够对高速回转主轴实施主扭 矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的主扭作动筒机构、振动作动筒机构和 反扭作动机构均为对称设置的2个，振动作动筒机构和反扭作动机构分别与同一反 扭臂铰联接。
10、 根据权利要求9所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验 装置，其特征在于所说的装置机架为龙门式结构，由基座、两个墙式立柱和横梁构 成，主扭作动筒机构、副作动筒机构和反扭作动机构支承端固定安装在立柱上，被 测回转轴竖向安装在基座上。
专利摘要本实用新型是一种能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩载荷的强度试验装置，其结构主要包括装置机架，与安装在机架上的回转主轴固定联结的主扭臂和反扭臂，支承端固定于装置机架上而运动端与扭臂为铰联接的作用力构成主扭力偶的至少一对主扭作动筒机构、作用力构成振动扭力偶的至少一对振动作动筒机构和反作用力构成反扭力偶的至少一对弹性反扭作动机构，以及控制作动筒机构运动的液压伺服系统。本实用新型突破了现有技术高速回转主轴试验装置扭矩加载模式，能够完全、真实地模拟高速回转主轴运行过程承受的主扭矩和振动扭矩载荷，解决了主扭矩和振动扭矩复合加载难的问题。本实用新型还具有加载精度高、制造成本低、维修工作量小和使用寿命长等优点。
文档编号G01M13/00GK201262593SQ20082014051
公开日2009年6月24日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者建 刘, 军 周, 王春笋, 苟华忠, 郑树桐 申请人:成都发动机(集团)有限公司