环形转子部件动态特性测试实验研究

王成林，孙伟琛，陈华婷，张思晨

（北京物资学院，北京 101149）

环形转子部件动态特性测试实验研究

王成林，孙伟琛，陈华婷，张思晨

（北京物资学院，北京 101149）

环形转子部件是旋转类设备关键的核心结构件，特别是在高加速度加载条件下使用条件下其性能尤为重要。基于基础激振—共振质量法（简称BERM法），设计了一种可以测量环形转子部件径向和轴向刚度系数、阻尼系数以及损耗因子等在内的测试系统，并可以通过设定温度测试工作温度对该类部件动态特性的影响。通过实际测试，以刚度值为代表，得出了具体数值；在结合材料微观结构特征分析的基础上，对影响因素的作用机理进行了分析。

环形转子部件；动态特性；刚度系数

0　引言

转子部件在高加速度工作状态下需要配置良好的支撑结构，要求该支撑结构具有良好的刚性和阻尼特性，例如使用轴承作为支撑结构件的需要相应的环形结构件作为轴承基座等，考虑到系统减振等方面的综合需要，一般都会选择具有阻尼作用的金属或者高分子材料制作，阻尼材料由于自身的材料组成和阻尼机理等千差万别，对使用环境很敏感，因此在使用时必须掌握其动态特性，然后结合动力学的计算结果进行减振装置优化设计。阻尼机理往往涉及到材料的晶粒运动等微观领域，只依靠理论分析往往不能获得准确的量化结果，需结合实验测试的方法进行分析研究，特备是具有典型结构的转子部件[1～3]。

1　转子部件动态特性测试原理分析

采用美国NASA-Lewis Research Center系列报告中提出的基础激振—共振质量法（简称BERM法），可以测出较宽频带范围内橡胶元件的动态特征参数值，实验原理如图1所示。

图1　动态测试力学模型

图中参振物质量为m，其运动方程：

振动台激励形式为：

参振物响应为：

联立以上方程组得弹簧弹性系数为:

阻尼器阻尼系数为：

其中幅值比：

损耗因子:

若测出激励振幅x0和参振质量m的振幅y0。以及二者间的相位差φ，即可求出刚度k和阻尼系数c。

2　转子部件动态特性测试系统设计分析

阻尼材料动态特性测试主要针对金属材料和高分子材料两大类材料，其中金属材料测试包括刚度系数、阻尼系数和损耗因子与使用频率之间的对应关系；同时测试硅胶、氟橡胶以及丁腈橡胶等高分子材料的刚度系数、阻尼系数以及损耗因子与工作频率、预压缩率之间的对应关系。

根据测试原理分析，由于在测试过程中，不同测试材料的振幅可能变化很大，当振幅过小时无法测量。而加速度值变化并不十分明显，可以作为测试参数，因此选择加速度传感器作为振动测试元件。

测试实验的主要步骤如下：

1）调整实验装置，保证输入和输出信号的稳定；

2）在测试范围内确定测试点，相邻测试点的间隔为100Hz；

3）在每一个选择的测量点内测量振动台和参振物的加速度幅值以及各向振动信号的相位差；

4）根据式(4)、式(5)、式(7)计算阻尼材料的特征参数值，并绘制实验对象的刚度、阻尼系数以及损耗因子曲线；

5）结合实验结果进行动态特性的影响因素分析。

图2　实验测试系统示意图

图2是实验测试系统示意图，在振动台和参振物上安装三向加速度传感器，通过数据采集仪采集参振物和振动台的加速度信号。数据采集仪所采集到的数据传输至分析软件中后，通过分析软件可以读取加速度信号的幅值与相位信息。从而进行阻尼材料动态特性参数的计算。实验所用测试仪器与振动台的具体型号、功能参数如表1所示。

表1　实验测试所用仪器型号与性能参数

3　测试用装卡系统设计分析

为了模拟实际工作环境将参振物和测试装置采用轴、孔配合，前、后支撑端同心安装孔，参振物能够形成两端支撑。

由于整个实验过程将测试多种材料的多组实验，因此要求装卡系统对各种尺寸和类型的材料具有很强的通用性，以减少部件数量。同时，为了节省实验时间，需要实现各种材料在实验完成后的快速更换。

由此确定如下本装卡系统的设计原则：

1）通过设计不同尺寸待测材料零件对应的配合件来完成不同尺寸材料零件的动态特性测试；

2）通过设计单独的待测材料承载模块来完成不同待测材料测试几种的快速更换；

3）通过设计保温与加热系统完成不同温度条件下材料动态特性的测试。

本设计将实验卡具座分成上下两个部分，可以通过螺钉连接构成参振物安装孔。将待测试材料安装在轴套上，并将轴套套在测试轴上。通过改变轴套、测试材料的尺寸与测试材料的材质即可在不更换测试轴的条件下实现不同阻尼部件的动态测试。由于螺钉的连接刚度大，结构阻尼值比较小，可认为连接是刚性的；为了保证多次装卡精确定位，上、下卡具座配合面上利用圆锥销钉定位。为了测试温度对材料动态特性的影响，在装卡系统外部设计安装了保温罩，通过保温罩内设置的石英发热管可对卡具进行加热保温。

图3　装卡装置装配关系

通过使用不同的轴套可以对高分子材料和金属材料进行动态特性测试。高分子材料轴套其结构为中心有通孔的圆柱体，外圆柱面上有环状凸起。外圆柱面的外径比上基座和下基座组成的圆孔内径稍小；环状凸起的外径比基座和下基座组成的圆孔内径稍大。通过改变环装凸起的尺寸即可对环装高分子材料进行不同压缩量下的动态特性测试。

图4　高分子材料测试装配示意图

如图4所示，测试时，将多个环状高分子材料零件套在轴套的环状凸起上；将轴套安装在测试轴上，两端用螺母将轴套固定在测试轴上；将测试轴放置在上下基座形成的孔内，多个环状高分子材料零件的位置与高分子材料零件定位槽的位置相对应。此时环状高分子材料零件被压缩在环状槽内，压缩量与环状高分子材料零件的外径有关。可以通过改变金属材料厚度以及对应的轴套的厚度来测试阻尼合金厚度对动态特性的影响，如图5所示。

图5　阻尼合金装配关系图

为了保证测试结果的有效性，需要对装卡系统进行动态特性分析，防止在振动实验中装卡系统产生共振。本文通过建立装卡系统的有限元模型，分析装卡系统的固有频率。通过ANSYS软件进行分析的装卡系统固有频率如表2所示。

表2　装卡系统各阶固有频率

各阶固有频率对应的振型如图6所示。

图6　测试用装卡系统的各阶振型图

可见，装卡系统的各阶固有频率均远离振动测试的激振频率，不会在测试过程中产生共振现象。

4　测试结果分析

结合使用要求，本文选择TA4工业纯钛、HT150灰铸铁、H59黄铜共3种材料作为测试对象，获得的测试结果如表3～表5所示。

表3　TA4工业纯钛材质径向刚度系数与频率关系测试结果表（外径40mm；厚度2.7mm；长度为32mm）

表4　HT150灰铸铁材质径向刚度系数与频率关系测试结果表（外径40mm；厚度3.5mm；长度为32mm）

表5　H59黄铜材质径向刚度系数与频率关系测试结果表（外径40mm；厚度3.5mm；长度为32mm）

在典型非金属材料刚度系数与频率关系测试中选择氟橡胶圈、硅胶橡胶圈作为测试对象，其中氟橡胶圈内径为45.2mm；线宽为4mm；径向压缩量为15%，测试结果如表6所示。

表6　氟橡胶圈径向刚度系数与频率关系测试结果表

硅胶橡胶圈内径为45.2mm，线宽为4mm，径向压缩量为15%，测试结果如表7所示。

表7　硅胶橡胶圈轴向刚度系数与频率关系测试结果表

相应的环形转子部件轴向测试刚度测试结果如表8～表12所示。

表8　TA4工业纯钛材质轴向刚度系数与频率关系测试结果表

表9　HT150灰铸铁材质轴向刚度系数与频率关系测试结果表

表10　H59黄铜材质径向刚度系数与频率关系测试结果表

表11　氟橡胶圈刚度系数与频率关系测试结果表

表12　硅胶橡胶圈轴向刚度系数与频率关系测试结果表

通过改变系统的工作温度，可以测试温度对环形转子部件动态特性的影响，以硅胶橡胶圈为例，测得结果如表13所示。

表13　硅胶橡圈的温度对环形转子部件动态特征的影响

5　测试结果的影响因素分析

1）温度影响因素分析。温度影响主要包括两种情况，第一种是温度上升导致材料内部结构改变，这种情况下，温度变化一般比较大，是材料内部组织结构方面质的改变。本文所涉及的测试最高温度并没有超过70度，从测试结果可知在30度的总体变温测试范围内，性能整体变化趋势不大，也就是内部结构之间的运动活跃程度随温度变化会发生转变，基本组成粒子之间的作用力同时改变，将会影响支撑机构的强度。

2）频率因素影响因素分析。以聚合物为代表的材质，在交变应力作用下应变落后于应力的现象称为滞后现象，外力作用的频率与温度对滞后现象有很大的影响。在高频应力作用下，这种现象会更加明显。

3）结构滑动阻尼影响。再考虑材料自身属性的外，还需要考虑系统中轴向和径向方向，提别是轴向中存在的滑动阻尼影响，考虑机构自身的特性，特别是轴套与基座、轴套与测试对象之间的滑动，配合方式、材质的差异等，导致了滑动阻尼系数不同。

6　结束语

本文基于BERM法设计了一种可以环形转子部件的动态测试系统，该系统刚度高，测试过程简单，可以获得包括刚度系数等在内的特征参数值。同时本文测试了在一般的工作温度下环形转子部件的性能变化，得出了具体结论，并从材料内部结构特征变化角度，针对具体测试结果，给出了相关的构成机理解释，为高加速度条件下的系统设计提供了良好的借鉴。

[1] 吴荣仁.透平膨胀机叶轮超速试验台主轴系统的减振支承[J].低温工程,1999(6):27-30.

[2] 刘旺玉,田玉福,方敬丰,刘佳,苏洪波.一种新型阻尼减振片性能实验及应用仿真研究[J].科学技术与工程,2013(13)6:1700-1703.

[3] 李大勇,李胜波,林海鹏,王宏.金属橡胶技术在转子支承系统中的阻尼减振应用研究[J].价值工程,2013(17):59-60.

Research on dynamic characteristics testing of annular rotor component

WANG Cheng-lin, SUN Wei-chen, CHEN Hua-ting, ZHANG Si-chen

TH133.1

A

1009-0134(2016)02-0152-05

2015-12-19

国家自然科学基金委员会资助项目（51205027）；北京市物流系统与技术重点实验室资助项目；北京市教育委员会大学科技园专项资助项目

王成林（1979 -），男，黑龙江人，教授，博士，研究方向为工程装备设计。