一种榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量装置和方法

本发明属于连接刚度测量，尤其涉及一种榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量装置和方法。

背景技术：

1、随着我国高新技术的不断发展，燃汽轮机在航空、船舶等国防与民用工业领域中扮演着越来越重要的角色。作为先进制造业的代表，燃汽轮机的设计与制造水平一直是衡量一个国家科技和工业实力的重要指标之一。叶片作为燃汽轮机的核心部件之一，其物理和力学特性直接影响到整机的服役性能和可靠性。然而，我国燃汽轮机振动问题尤为突出，其主要原因之一就是叶片振动特性分散度大。由于制造加工以及装配精度的限制，叶片与轮盘之间榫连接结构的接触界面具有随机的形位偏差。其加工误差分布、装配工艺引起的容差组合以及工作状态下结构特征参数变化的概率分布尚无法确定，导致服役状态下叶片-轮盘连接刚度具有一定的离散性。

2、考虑到叶片几何结构具有典型薄壁特点，其振动响应对边界条件的改变非常敏感。叶-盘系统不同扇区连接刚度的波动性会导致以下问题：(1)引起失谐振动，使叶片与轮盘的接触面产生异常摩擦和磨损，并大幅增加振动幅值，进而增加发动机叶片断裂失效的风险；(2)连接刚度的变化会导致叶片的边界条件发生改变，从而引起局部振动应力过大的问题，降低叶片结构的寿命，并对发动机的可靠性造成负面影响；(3)连接刚度的离散性导致叶片实际频率偏离设计域，可能使共振点落到工作转速区，导致异常共振现象。因此，保持叶片连接刚度的稳定性和一致性至关重要。研究榫连接界面形位偏差所导致的叶-盘连接刚度变化对于设计和制造高水平燃汽轮机具有十分重要的意义。

3、然而，当前国内外对于叶-盘结构的动力学研究并没有充分考虑叶根处榫连接接触界面的宏观几何形貌变化所导致的结构振动问题，制造装配因素造成的界面形变随机性与叶-盘结构振动特性离散性之间的映射关系尚未全面建立。为了解决上述问题，需要开展含界面形位偏差的叶片连接刚度的研究，以实现高可靠性燃汽轮机的制造和设计。为此，本发明提出一种考虑榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量方法及其装置，实现不同高度组合以及不同转速下的叶-盘结构连接刚度的测量，为揭示界面形变对叶片连接刚度的内在作用机理以及构建榫连接界面形位偏差与叶片频率分散度之间的映射关系提供指导，对于我国国产航空发动机与船用燃气机的性能提升具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量装置和方法，旨在解决现有装置无法对不同界面偏差组合下的叶片连接刚度测量以及服役状态下连接刚度测量的问题。

2、本发明是这样实现的，一种榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量装置，包括液压施力装置、轮盘榫槽模拟装置、高度调节装置和液压压力传递装置，还包括：

3、轮盘榫槽模拟装置，所述轮盘榫槽模拟装置包括基座、榫槽模拟件、矩形通口和承力框架放置面；所述榫槽模拟件的两个外伸脚上各有两个通孔，榫槽模拟件通过第一固定螺栓与基座连接固定，所述榫槽模拟件上设置有用于放置叶片模拟件的榫槽和矩形通口，所述榫槽模拟件的内侧设置有承力框架放置面；

4、第一位移传感器和第二位移传感器，所述第一位移传感器放置在叶片模拟件叶根中心附近位置，所述第二位移传感器放置在叶片模拟件叶根连接处沿叶片表面法向方向的位置，所述第一位移传感器和第二位移传感器均放置在榫槽模拟件上；

5、高度调节装置，所述高度调节装置包括高度调节传力垫片、液压承力框架、螺纹孔、球形螺栓头、高度调节螺栓、上固定螺母和下固定螺母，所述高度调节装置用于使高度调节传力垫片与叶片模拟件的叶根底部端面接触，并使高度调节传力垫片空间位姿相对于水平状态出现形位偏差；

6、液压施力装置和液压压力传递装置，所述液压施力装置用于向叶片模拟件施加垂直方向或叶片模拟件根部施加轴向方向的力，再或通过液压压力传递装置向叶片模拟件施加叶片模拟件叶根连接处沿叶片表面法向方向的力。

7、进一步的技术方案，所述液压施力装置包括第一承力骨架、第二承力骨架、第一液压机、第二液压机、第三液压机、第一固定螺栓和第二固定螺栓；

8、所述第一承力骨架、第二承力骨架上各有四个通孔，通过第一固定螺栓与基座连接固定；

9、所述第二液压机和第三液压机通过第二固定螺栓分别与第一承力骨架和第二承力骨架进行连接；

10、所述第一液压机通过第二固定螺栓固定在基座上，所述第一液压机的伸缩端与液压压力传递装置连接。

11、进一步的技术方案，所述液压压力传递装置包括传力圆柱、传力导块、定位方框、液压传力垫片、支撑圆柱和第三固定螺母；

12、所述定位方框底面有两个螺纹孔，所述支撑圆柱通过第三固定螺母固定在榫槽模拟件上，并与定位方框螺纹连接；

13、所述液压传力垫片和传力圆柱上均开有键槽，所述传力导块的两端与液压传力垫片和传力圆柱通过键连接，所述传力导块插入定位方框中，所述传力导块可在定位方框中沿水平方向进行运动。

14、进一步的技术方案，所述高度调节传力垫片底部具有四个球形凹槽，高度调节传力垫片通过球形凹槽直接与球形螺栓头进行面接触；

15、所述高度调节传力垫片穿过矩形通口与叶片模拟件接触；

16、所述液压承力框架滑动连接在承力框架放置面上，所述第一液压机的伸缩端与液压承力框架连接，所述液压承力框架上层底板有四个螺纹孔，用于与高度调节螺栓相配合。

17、进一步的技术方案，所述高度调节螺栓上螺纹连接有上固定螺母和下固定螺母；高度调节螺栓上部为球形螺栓头，其可以与高度调节传力垫片实现面接触传力。

18、一种榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量方法，应用于上述的榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量装置，包括以下步骤：

19、步骤一、将叶片模拟件的叶根沿轴向正确装入榫槽模拟件的榫槽中，调整叶根底部位置，使叶根底部端面与高度调节传力垫片相接触；

20、步骤二、根据实际实验需求，转动高度调节螺栓，调整四个高度调节螺栓顶部球形螺栓头的高度，使高度调节传力垫片空间位姿相对于水平状态出现形位偏差，进而使与高度调节传力垫片相接触的叶根空间位姿发生相同的形位偏差，叶根榫头与榫槽匹配面相对位置具有初始形位偏差；

21、步骤三、高度调节完成之后，通过拧紧上固定螺母和下固定螺母将四个高度调节螺栓固定；

22、步骤四、通过高度调节装置底部的第一液压机进行加压，对高度调节装置施加垂直方向的力f，向上顶起叶片模拟件，使叶根逐渐与榫槽模拟件接触压紧，用于模拟离心力作用下含界面形位偏差的榫连接界面压力状态；

23、步骤五、分别对榫连接叶片沿翼展方向的连接刚度ku、沿弦展方向的连接刚度kv以及沿弦展方向的扭转连接刚度kθ进行测量，具体的：

24、(1)测量连接刚度ku，将第一位移传感器放置在叶片模拟件叶根中心附近位置，在第一液压机施加液压力f的基础上，增加一个垂直方向上的载荷微小增量δf，在此基础上，通过第一位移传感器测出叶根在液压力增量δf作用下所产生的向上位移量δu，根据连接刚度公式ku＝δf/δu，求出ku；

25、(2)测量连接刚度kv，将第一位移传感器放置在叶片模拟件叶根中心附近位置，开启第二液压机，对叶片模拟件根部施加轴向方向的载荷δty，使得叶根相对于榫槽发生轴向微量移动，在此基础上，通过第一位移传感器测出叶根在液压力δty作用下产生的轴向位移δv，根据连接刚度公式kv＝δty/δv，求出kv；

26、(3)测量连接刚度kθ，将第二位移传感器放置在叶片模拟件叶根连接处沿叶片表面法向方向的位置，开启第三液压机，施加沿叶片表面法向方向的液压力δtx，使得液压传力垫片推动传力导块在定位方框内水平运动，带动传力圆柱移动，使得传力圆柱与叶片模拟件线接触，进而在叶根处形成沿弦展方向的扭矩m＝δtx·l，其中l是传力圆柱与叶片线接触位置到叶根处的垂直距离，在此基础上，通过第二位移传感器测得叶根连接处沿叶片表面法向方向上的位移量δx，由于位移量δx非常小，近似等效计算得到叶根处角度变化δθ，叶根处沿弦展方向的扭转连接刚度kθ，根据公式kθ＝δtx·l/δθ进行求解。

27、进一步的技术方案，根据叶片模拟件的叶根榫连接界面实际加工制造的形位偏差调节四根高度调节螺栓的高度，实现叶片模拟件的叶根榫头与榫槽模拟件的榫槽之间不同的界面形位偏差配合，可以模拟实际叶根处匹配界面形位偏差的随机性分布特点；

28、叶片模拟件的叶根处施加垂直方向的载荷根据实验需要进行调整，用于模拟不同转速下离心力对叶根榫连接结构的受力作用。

29、本发明实施例提供的一种榫连接界面形位偏差的叶片连接刚度测量装置和方法，本发明提供的叶片连接刚度测量装置和方法，实现了含榫连接界面形位偏差下的叶片连接刚度的测量。通过本发明提供的装置和方法，可以模拟服役条件下叶根-轮盘之间含形位偏差的榫连接结构真实界面配合和力学状态，可以分析服役状态下形位偏差对叶片连接刚度的影响。本发明提供的榫连接叶片连接刚度测量装置和方法，其高度调节装置的操作方式简单方便，可以根据实际叶根处匹配界面加工制造所产生的形位偏差随机性分布特点，调节四根高度调节螺栓的高度，实现叶根榫头与轮盘榫槽之间不同的界面形位偏差配合，具有很高的灵活性。本发明提供的榫连接叶片连接刚度测量装置和方法，其装置可以模拟不同转速下离心力对叶根连接处的受力作用。可以实现不同转速条件下的含榫连接界面偏差的叶片连接刚度测量。本发明提供的榫连接叶片连接刚度测量装置和方法，不仅限于对航空发动机含榫连接结构的叶片-轮盘连接刚度测量，也可以应用于燃气轮机以及其他燕尾型榫连接结构叶片的力学性能测试。