基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置

本发明涉及一种装配夹紧力测量方法及装置，具体涉及一种航空发动机转子装配夹紧力激光超声测量方法及装置，属于超声测量技术领域。

背景技术：

航空发动机核心机系统由多级转子装配而成，各级转子之间的装配质量对航空发动机的性能具有非常大的影响。螺栓组的预紧力若存在不均匀性将导致转子的螺栓连接表面产生不规则形变，易使装配后的转子同轴度超标，不平衡量超过要求值。在发动机长时间工作后，螺栓预紧力的蠕变现象会使螺栓初始预紧力下降，将螺栓预紧力的不均匀性放大，使转子的刚度均匀性变差，在受轴向负载时对转子的工作性能有较大影响，减少了转子的工作寿命，降低了发动机的安全性。所以，迫切要求精密测量发动机转子的装配夹紧力，只有测量精密，才能装配的精准。

目前常用的螺栓装配夹紧力测量方法有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、光折射法等。扭矩扳手法是通过扭矩间接控制螺栓预紧力的，因而这个测量值将有较大的误差；电阻应变片电测法通过测量螺栓表面应变获得螺栓轴向应力，但螺栓在拧紧时表面会产生一定剪切形变，导致测量结果与实际轴向应力有偏差；光折射法仅局限于实验室条件下，并不能广泛应用于工程上的在线测量。上述测试方法由于受到测量精度、安装条件及现场环境等各方面的限制，目前在工程中实现在线测量还存在一定的困难。

超声波螺栓装配夹紧力测量方法通过对螺栓中超声波波速的变化的测量而获取螺栓轴向应力，进而得出螺栓装配夹紧力，具有对被测物无损伤、测量速度快、测量精度高等特点，因而国内外学者对超声测量方法开展了广泛研究。传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，超声波在穿越耦合剂时需要一定的渡越时间，并且会产生干扰谐波，给测量带来不稳定的因素，并且耦合剂的使用会对增加额外的工作量，导致测量效率低，更严重的是会对工件表面造成一定的腐蚀和伤害，因而在实际应用中传统的超声波法受到了一定的限制。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术的航空发动机转子装配夹紧力难以直接测量、传统的超声波法测量效率低且会对转子表面造成腐蚀等问题，提出一种基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置及方法，实现航空发动机转子装配夹紧力的直接、高效率和高精度测量。

本发明提出一种基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置包括激光器、分光镜、衰减片、聚焦透镜、第一光电探测仪、数据采集卡、螺栓、第二光电探测仪、转子装配体、夹具、精密回转台、转台底座、工控机；所述转台底座上安装有精密回转台，所述转子装配体通过夹具安装在精密回转台上，所述转子装配体外部的法兰上安装有若干螺栓，所述转台底座与工控机连接，所述工控机控制精密回转台转动的角度与频率，所述工控机还与激光器连接，所述工控机还控制激光器发射脉冲激光，所述工控机与数据采集卡连接，所述数据采集卡分别与第一光电探测仪和第二光电探测仪连接，所述第二光电探测仪位于被测螺栓的上方，所述激光器发射光路前方设置有分光镜，所述激光器发出的脉冲激光被分光镜分成两束，其中一束光沿直线透过分光镜照射到最左侧螺栓上端面的中心，由于热弹效应螺栓上端面产生超声波，超声波产生之后沿着螺栓轴线方向向下传播，直至传播到螺栓下端面后反射，之后沿着螺栓轴线方向向上传播至螺栓上端面，传播到螺栓上端面的超声波信号被第二光电探测仪接收并转换为电信号传送至数据采集卡，另一束光的光路方向上依次设置衰减片、聚焦透镜和第一光电探测仪，另一束光被反弹穿过衰减片之后经聚焦透镜被第一光电探测仪接收并转换为电信号传入数据采集卡作为超声信号的采集触发，所述数据采集卡将采集到的信号传至工控机进行处理。

优选地，所述工控机控制激光器发出激光的时间、脉冲能量和重复频率，所述激光器以45°的入射角照射到分光镜上，所述分光镜分出的其中一束光同样以45°的入射角照射到螺栓上端面。

本发明所述的基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置的有益效果为：

1、本发明所述的基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置的采用激光器和光电探测仪分别实现超声法的激励和接收，能够避免使用传统超声波方法中所必需的液体耦合剂，因此消除了耦合剂对螺栓表面的腐蚀和污染，同时激光超声的激发和接收均在瞬间完成，能够实现快速、实时测量，具有较强的抗干扰能力。

2、本发明所述的基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置采用精密回转台带动转子装配体转动实现所有螺栓的测量，自动化程度高，有利于提高测量效率。

附图说明

图1是本发明所述的基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置的结构示意图；

图中：1-激光器；2-分光镜；3-衰减片；4-聚焦透镜；5-第一光电探测仪；6-数据采集卡；7-螺栓；8-第二光电探测仪；9-转子装配体；10-夹具；11-精密回转台；12-转台底座；13-工控机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置包括激光器1、分光镜2、衰减片3、聚焦透镜4、第一光电探测仪5、数据采集卡6、若干螺栓7、第二光电探测仪8、转子装配体9、夹具10、精密回转台11、转台底座12、工控机13；

所述转台底座12上安装有精密回转台11，所述转子装配体9通过夹具10安装在精密回转台11上，所述转子装配体9外部的法兰上安装有若干螺栓7，所述转台底座12与工控机13连接，所述工控机13控制精密回转台11转动的角度与频率，所述工控机13还与激光器1连接，所述工控机13控制激光器1发射脉冲激光，所述工控机13与数据采集卡6连接，所述数据采集卡6分别与第一光电探测仪5和第二光电探测仪8连接，所述第二光电探测仪8位于被测螺栓7的上方，

所述激光器1发射光的光路前方设置有分光镜2，所述激光器1发出的脉冲激光被分光镜2分成两束，其中一束光透过分光镜2照射到螺栓7上端面的中心，由于热弹效应螺栓7上端面产生超声波，超声波产生之后沿着螺栓7轴线方向向下传播，直至传播到螺栓7下端面后反射，之后沿着螺栓7轴线方向向上传播至螺栓7上端面，传播到螺栓7上端面的超声波信号被第二光电探测仪8接收并转换为电信号传送至数据采集卡6，另一束光的光路方向上依次设置衰减片3、聚焦透镜4和第一光电探测仪5，另一束光穿过衰减片3之后经聚焦透镜4被第一光电探测仪5接收并转换为电信号传入数据采集卡6作为超声信号的采集触发，所述数据采集卡6将采集到的信号传至工控机13进行处理。

所述工控机13控制激光器1发出激光的时间、脉冲能量、重复频率，所述激光器1以45°的入射角照射到分光镜2上，所述分光镜2分出的其中一束光同样以45°的入射角照射到螺栓7上端面。

所述大型高速回转装备以对象为例就是如航空发动机或燃气轮机，具体限定为被测件尺寸高度大于3m，直径大于1.5m，转速大于1.5万转每分钟的回转装备。

所述转子装配体9由多级转子装配而成，本发明中以两级转子组成的装配体为例。法兰是在转子上的，跟转子是一体，转子通过法兰连在一起，螺栓7拧在法兰上，法兰上安装有有一圈螺栓。

本发明所述的基于激光超声的大型高速回转装备装配夹紧力测量装置的具体测量方法，包括以下步骤：

第一步，将转子装配体9置于精密回转台11上并调整其位置，使转子装配体9与精密回转台11的回转轴线一致，通过夹具10将转子装配体9固定；

第二步，调整激光器1和分光镜2的位置及姿态，使激光器1发射的激光能够穿过分光镜2照射到螺栓7上端面的中心；

第三步，调整第二光电探测仪8的位置及姿态，使其能够接收到螺栓7上端面的超声波信号；

第四步，调整衰减片3、聚焦透镜4和第一光电探测仪5的位置及姿态，使分光镜2分出的激光束能够穿过衰减片3和聚焦透镜4被第一光电探测仪5接收；

第五步，所有螺栓7未紧固前，工控机13发送指令激光器1发射脉冲激光，脉冲激光被分光镜2分成两束，其中一束穿过衰减片3之后经聚焦透镜4被第一光电探测仪5接收并转换为电信号传入数据采集卡6作为超声信号的采集触发，另一束照射到螺栓7上端面的中心，由于热弹效应螺栓7上端面产生超声波，超声波产生之后沿着螺栓7轴线方向向下传播，直至传播到螺栓7下端面后反射，之后沿着螺栓7轴线方向向上传播至螺栓7上端面，传播到螺栓7上端面的超声波信号被第二光电探测仪8接收并转换为电信号传送至数据采集卡6，数据采集卡6将采集到的信号传至工控机13进行处理，计算出从接收到第一光电探测仪5的触发信号至接收到第二光电探测仪8的超声信号之间的时间差δt0；

第六步，所有螺栓7紧固后，工控机13发送指令激光器1发射脉冲激光，脉冲激光的传播路线与超声信号的产生与接收过程与步骤五相同，计算出从接收到第一光电探测仪5的触发信号至接收到第二光电探测仪8的超声信号之间的时间差δt1，

第七步，根据紧固前后超声波的传播时间差以及螺栓的应力系数，求出该螺栓的夹紧力f1；

第八步，工控机13控制精密回转台11转动一定角度，转动完成后工控机13发送指令激光器1发射脉冲激光，脉冲激光的传播路线与超声信号的产生与接收过程与步骤五相同，计算出从接收到第一光电探测仪5的触发信号至接收到第二光电探测仪8的超声信号之间的时间差δt2；

第九步，根据紧固前后超声波的传播时间差以及螺栓的应力系数，求出该螺栓的夹紧力f2；

第十步，重复步骤九，直至转子装配体9回转一周，完成n个螺栓夹紧力的测量。

所述螺栓夹紧力的计算公式为fi＝s×σi

其中，s为螺栓的应力截面积，σi为螺栓紧固应力。

所述螺栓紧固应力的计算公式为

σi＝k×δti

其中，k为与螺栓几何尺寸和材料类型有关的系数，通过标定试验确定，δti为第i个螺栓紧固前后超声波的传播时间差。

所述紧固前后超声波的传播时间差的计算公式为

δti＝δti-δt0

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。