一种双级扭矩加载主轴强度试验方法和装置与流程

1.本技术属于航空发动机试验领域，特别涉及一种双级扭矩加载主轴强度试验方法和装置。


背景技术：

2.主轴，包括低压涡轮轴、高压涡轮轴等，是航空发动机的核心传动部件，必须对其进行强度考核。航空发动机主轴承受的载荷包括扭矩(振动扭矩)、轴向力和弯矩载荷。某型航空发动机低压涡轮转子系统结构复杂，在低压涡轮轴上装有两级转子共四个涡轮盘，使试验的载荷数量和装置结构的复杂程度成倍增加，设计合理的试验方法和装置结构为难点所在。
3.目前尚无针对此种装有双转子结构主轴的强度试验方法和装置。已有的技术是针对单转子结构的主轴强度试验，扭矩载荷加载通过套齿端施加扭矩，通过力乘力臂方式或通过扭矩机，另一端通过反扭弹簧或作动器作用在转子安装边上承载扭矩；轴向力通过外部作动筒施加，一端作用于轴端螺母上，另一端作用于转子安装边上；弯矩通过侧向力乘力臂方式或偏心凸轮方式施加于轴端，也有通过力偶对方式加载于转子安装边和轴端，现有的技术方案是针对安装单转子结构的主轴强度试验，无法满足该型发动机低压涡轮轴双转子结构强度试验需求。扭矩方面，单端加扭和承扭可以在轴上施加等值的扭矩，但无法加载双级扭矩；弯矩方面，侧向力乘力臂的方式对于考核点距离支点较近的情况较为合适，若考核点与支点跨度较大，按此方式加载将导致支点附近弯矩载荷过大，导致载荷形式不合理；偏心凸轮方式类似于侧向力乘力臂方式，除大跨距不适用外，因为是电机驱动，还会带来疲劳试验中与伺服控制的扭矩和轴向力难于全程同步的问题；而采用力偶对方式加载弯矩，会使加载范围内弯矩等值，同样可能导致非考核部位超载。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本技术提供了一种双级扭矩加载主轴强度试验方法和装置,其对低压涡轮轴进行扭矩、弯矩与轴向力的载荷试验，包括：
5.分别对低压涡轮轴后端与前端起固定支撑作用的后端支点组件与前端支点组件；
6.对低压涡轮轴施加第一扭矩的第一扭矩加载装置与施加第二扭矩的第二扭矩加载装置；
7.其中，后端支点组件总体呈盘状，其包括外环与内环，所述外环与内环之间由轴承连接，所述内环中心与低压涡轮轴固定连接，内环具有周向排列的通孔，所述外环与试验台固定连接；
8.所述第一扭矩加载装置呈筒状，其一端固定在试验台上，另一端通过支点转接筒穿过内环的所述通孔固定在低压涡轮轴上，支点转接筒的壁面呈栅格状；
9.所述第二扭矩加载
10.装置包括相互平行且不在同一直线的一对扭矩加载单元、套设在低压涡轮轴外侧
弯矩考核截面a；174-转子安装边；175-后端花键；176-后端外螺纹； 187-转接工装；208-下承载板；209-上承载板；2010-螺栓安装孔位；2011-u 型槽。
具体实施方式
29.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
30.某型航空发动机低压涡轮轴结构简图如图1所示，为空心轴结构。
31.低压涡轮轴前端外侧通过前端花键与低压压气机轴连接，将涡轮转子产生的扭矩传递至压气机端，内侧通过内螺纹与衬套连接，用于传递轴向力。前端低压涡轮转子通过销轴安装于低压涡轮轴的转子安装边上、后端低压涡轮转子通过销轴安装于短轴的转子安装边上，短轴通过花键与低压涡轮轴连接，涡轮转子产生扭矩、弯矩和轴向力载荷。前端支点和后端支点均由圆柱滚子轴承和轴承座组成，用于对低压涡轮轴的径向约束与支撑。
32.试验原始载荷：
33.a)扭矩载荷：气动力作用于两级低压涡轮转子，各产生扭矩载荷 m
扭1
、m
扭2
，方向沿轴线同向，分别作用于低压涡轮轴和短轴的转子安装边上；
34.b)轴向力载荷：同样由气动力产生轴向力载荷f1、f2，作用位置同上，对轴体产生拉载荷；
35.c)弯矩载荷：主要由两级低压涡轮转子的陀螺力矩产生弯矩载荷 m
弯1
、m
弯2
，方向垂直于轴向，考核位置为图1中a截面；
36.本技术进行上述低压涡轮轴的试验装置如图3所示，低压涡轮轴试验件17通过前端支点组件19和后端支点组件10、后端支点承载板2固定于承载立柱1上。前端支点组件19由圆柱滚子轴承、轴承座和相应的固定工装组成；后端支点组件10由深沟球轴承、轴承座和相应的支撑工装组成。
37.前端扭矩加载装置由扭矩加载单元15、加扭臂16、扭矩传感器14 和模拟转子组件13等结构组成，安装于低压涡轮轴试验件17的涡轮转子安装边上，用于施加前端的扭矩载荷；后端扭矩加载装置包括扭矩加载单元4、加扭臂5、扭矩传感器6、轴扭转接板7、轴扭转接筒8和支点转接筒11，通过模拟短轴12连接于低压涡轮轴试验件17的后端花键上，用于施加后端的扭矩载荷。扭矩承载装置由扭矩承载单元3、承扭盘 23和模拟低压压气机轴21组成，与低压涡轮轴试验件17的前端花键连接，固定于承载立柱1上。
38.轴向力加载单元9用于施加轴向力载荷，由伺服作动器、力传感器和加载杆等工装组成，一端安装于轴扭转接板7上，另一端通过模拟衬套22连接于低压涡轮轴试验件17的前端螺纹上，在施加轴向力载荷时实现内力平衡。
39.分布式布置的弯矩加载单元18用于施加单力偶形式的弯矩载荷，一端安装于模拟转子组件13上，另一端通过弯矩承载组件20固定于承载立柱1上。
40.试验中多路载荷协调加载，由伺服作动器、传感器(力和扭矩)，和控制器实现载荷的闭环控制。
41.试验装置中具有的大孔径双法兰扭矩传感器为适配试验器结构，全新设计了大孔径双法兰扭矩传感器，结构如图4所示，其结构要点：中孔可套于低压涡轮轴外，且留有变形空间；轴向尺寸尽量短，在双侧法兰边满足强度要求的基础上，图4中g尺寸设计为可两侧装入螺栓的极限尺寸；由于靠螺栓承载扭矩，需按载荷设计螺栓尺寸、数量和强度等级；两侧设计定位用止口。按以上原则设计的5万牛米扭矩传感器关键尺寸：350；290；200；h：25；f：150；i：5；单位： mm。连接螺栓规格和数量：m20，12.9级，16个均布。
42.b)可旋转式支点组件
43.为避免扭转变形时支点转接筒与后端支点组件干涉，本项目设计了可旋转式支点组件，结构如图5和图6所示，其结构要点：采用外置轴承方式，将转动面外移。模拟内圈109固定于轴试验件107上，支点转接筒108套于轴试验件107外侧，轴向均布开口四处，安装上连接板104 和下连接板106，轴承103内侧通过轴承内安装座105与上连接板104、下连接板106连接，外侧通过轴承外安装座102安装于后端支点承载板 101上。上连接板104、下连接板106与模拟内圈109连接处采用拉钩式结构，用于提高弯矩承载能力。
44.c)单力偶弯矩加载装置
45.为更合理的施加弯矩载荷，本项目设计了单力偶弯矩加载装置，结构如图7所示，弯矩加载单元由伺服作动器184、力传感器186和转接工装187组成，由外部控制器控制，本项目中的加载单元均为此形式。弯矩加载单元前、后端分别通过连接单耳连接于上承载板209和模拟转子组件13上，模拟转子组件13连接于轴试验件的转子安装边上，两块上承载板209通过螺栓与两块下承载板208连接，组成中空的弯矩承载结构，如图7所示，固定于立柱183上。试验时由两侧两个作动器施加相反方向的载荷形成力偶，实现对轴试验件施加弯矩载荷。弯矩承载结构中上承载板209的u型槽2011用于调整加载作动器位置，模拟转子组件 13上也设计了相同结构，便于在需要施加旋转弯曲载荷时，多路作动器的布置；为保证试验结果真实有效，试验边界条件应尽量模拟发动机真实状态。前、后支点位置需按发动机尺寸设计。在发动机上，低压涡轮轴轴向可由前后组件定位，而试验条件下缺少相应组件，故将后端支点改为深沟球轴承，用以轴向定位和承载装置自重。
46.各试验载荷加载方案设计：
47.扭矩载荷：扭矩是轴强度试验中最重要的载荷，为得到真实的考核结果，必须按其结构特点，设计双级扭矩加载装置以分别加载m
扭1
、m 扭2
；传力路径：在两级低压涡轮转子处分别施加扭矩载荷，承载端参照发动机结构设计模拟低压压气机轴，通过花键传递扭矩。
48.双级扭矩加载存在两个突出的设计难点：
49.a)在试验件中段施加扭矩。小变形情况下，可采用力与力臂的加载形式，直接施加力载荷加载，但由于本试验扭转变形较大，会导致力臂改变，无法施加准确的扭矩载荷。故本项目中采用扭矩传感器直接测扭，这就需要扭矩传感器装配于轴体之外。由于轴体外径尺寸较大，市面上无合适的扭矩传感器可供选择，故本项目全新设计了扭矩传感器，结构详见图4；
50.b)支点的扭转干涉问题。由于尺寸空间限制，后端低压涡轮转子的扭矩载荷只能
布置于轴后端加载，通过转接筒体等工装施加于试验件上。由于轴向上经过后端支点，转接筒体需要在侧面开口用于支点组件穿过。若按常规结构设计支点组件，即轴承装于轴上，轴承座采用固定支撑，当加载扭矩后，由于试验件扭转变形带动转接筒体周向旋转，将与支点组件碰触，导致无法加载。为此本项目创新设计了可旋转式支点组件；
51.轴向力和弯矩载荷的简化：理想状态下轴向力和弯矩载荷也应分段施加，但由于空间限制，三种载荷都进行双级设计会使装置结构过于庞大复杂而难于实现，不利于试验稳定性和控制成本。故本方案中将轴向力合力(f
合
＝f1+f2)施加于后端涡轮转子，合弯矩(m
弯合
＝m
弯1
+m
弯2
) 施加于前端涡轮转子，经计算按此方案分配载荷后仍满足试验考核要求。
52.轴向力加载方案：由于是中空结构，轴向力加载装置可设计为一端通过加载单元固定于后端涡轮转子上，另一端可用内部顶杆结构作用于模拟的衬套上，以实现对整个试验件的轴向力加载；
53.弯矩载荷加载方案：弯矩考核位置为图1中a截面，以往的弯矩加载方式有两种：图9所示为侧向力方式加载，加载点为轴最前端花键处，加载方式简单，但由于跨距大，加载位置距离弯矩考核截面较远，由弯矩图可知此方式会造成a截面前段弯矩载荷过大；图10所示为力偶对方式加载，优点是加载装置两端可分别放置于涡轮转子端和承扭装置端，实现轴向力的内力平衡从而简化结构，但由弯矩图可知此方式使得涡轮转子前弯矩为定值，后端弯矩为零，由于实际发动机弯矩来源于涡轮转子，可知此弯矩形式仍与实际差别较大；图11所示为本方案采用的单力偶加载方式，由弯矩图可知此方案最贴近发动机实际载荷。
54.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。