專利名稱：能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對高速回轉主軸進行強度試驗的裝置，特別是涉及一種能夠 對高速回轉主軸同時實施主扭矩和振動扭矩載荷確定轉軸壽命的強度試驗裝置。
背景技術：
渦輪發動機、汽輪機等高速回轉機械的回轉主軸是這類機械最為重要的部 件，運行中承受很大的多種載荷，如附圖3所示，要承受彎矩Mu、主扭矩Mk、 振動扭矩AMk、軸向力P等載荷，又由于其上分布有很多容易產生裂紋的臺階 和孔等應力集中的部位，運行中一旦發生裂紋就可能發生致命的斷軸后果，造成 人身傷亡和財產重大損失的惡性事故。由于在發動機試車臺架上不能模擬渦輪軸 運行中的陀螺力矩和機動彎矩，因此地面試車無法對渦輪主軸實際運行載荷進行 模擬，而采用實際運行進行壽命試驗，不但成本巨大，而且危險極大。因此建造 能夠全面模擬渦輪軸在實際運行狀態下所承受的各種載荷的試驗裝置，成為解決 軸類故障的關鍵。在發動機渦輪軸運行過程中承受的彎矩Mu、主扭矩Mk、振 動扭矩AMk、軸向力P.等載荷中，其中振動扭矩載荷AMk模擬比較困難，建造 能夠模擬渦輪軸在實際運行狀態下所承受的振動扭矩載荷AMk的試驗裝置，是 所屬領域科技工作者共同面臨的急待解決的重大課題。
英國R.R公司研究開發出了一種高速回轉主軸強度試驗裝置，以求解決對高速回 轉主軸所承受的振動扭矩載荷AMk進行模擬試驗的問題。該試驗裝置的結構如 附圖4和附圖5所示。裝置的模擬試驗機構，其主扭矩和反扭矩系統均采用由電 磁液壓伺服閥控制的液壓作動筒機構組成一對力偶(液壓作動筒機構即為由活塞 和活塞缸組成的缸塞機構)，振動扭矩則釆用由電磁液壓伺服閥控制的液壓作動 筒機構產生的一個偏心擾動力所構成，裝置的模擬試驗機構設置在由底座、筒體 和頂蓋構成的裝置機殼內。但該裝置并不能夠很好地解決模擬高速回轉主軸所承 受的振動扭矩載荷AMk問題。這是由于，反扭矩系統釆用由電磁液壓伺服閥控
制的液壓作動筒機構組成一對力偶為反扭矩，在2個主扭液壓作動筒機構對測試 回轉主軸實施了主扭矩后，構成反扭矩系統的2個液壓作動筒就成為了一個剛性 很強的系統，這時只能對測試回轉主軸施加正的+厶Mk扭矩載荷，而不能施加 負的-AMk扭矩載荷，如果此時對回轉主軸通過振扭作動筒施加振動扭矩載荷 AMk就非常困難，主要是振動扭矩的振幅和振動頻率不能達到高速回轉主軸試 驗需求，即不能很好有效地對測試回轉主軸施加振動扭矩載荷厶Mk。如要實現 對測試回轉主軸施加振動扭矩載荷AMk，則整個反扭矩系統需是一個彈性系統， 如果按常規設計，那么該裝置的結構將十分復雜。因此，英國R.R公司研究開發 出的高速回轉主軸強度試驗裝置，由于其反扭系統沒有設計成為彈性系統，實際 上并沒有很好有效地解決對高速回轉主軸同時實施主扭矩和振動扭矩載荷的模 擬強度試驗問題。
發明內容
本發明針對現有技術的高速回轉主軸強度試驗裝置存在的不足而提供的能 夠對高速回轉主軸同時實施主扭矩和振動扭矩載荷的試驗裝置，旨在解決現有技 術的試驗裝置不能很好有效地對高速回轉主軸實現主扭矩和振動扭矩復合加載 問題，不能很好有效地同時模擬高速回轉主軸在運行過程中承受的主扭矩載荷和 振動扭矩載荷，其次解決現有技術的試驗裝置結構復雜、制造成本高、故障率高 等問題。
本發明旨在解決的技術問題，可通過具有以下技術方案的高速回轉主軸強度 試驗裝置來實現
一種能夠對高速回轉主軸同時實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝置，主要包括 裝置機架，與安裝在機架上的回轉主軸固定聯結的主扭臂和反扭臂，支承端固定 于裝置機架上而運動端與扭臂為鉸聯接的作用力構成主扭力偶的至少一對主扭 作動筒機構、作用力構成振動扭力偶的至少一對振動作動筒機構和反作用力構成 反扭力偶的至少一對反扭作動機構，以及控制作動筒機構運動的液壓伺服系統， 所說的反扭作動機構為彈性反扭作動機構。
在上述強度試驗裝置技術方案中，所說的彈性反扭作動機構可以是由氣壓彈 性構件構成的彈性反扭作動機構，也可以是由反力彈簧構成的彈性反扭作動機 構。后一種結構的彈性反扭作動機構，其結構簡單，容易實施，優先采用后一種 結構的彈性反扭作動機構。反力彈簧彈性反扭作動機構可以是由圓柱型反力彈簧 構成的彈性反扭作動機構，也可以是由其他結構的反力彈簧構成的彈性反扭作動 機構，優先采用圓柱型反力彈簧彈性反扭作動機構。
所說的圓柱型反力彈簧彈性反扭作動機構，其結構可設計成主要包括機構機 架、圓柱型反力彈簧和將反力彈簧安置在機構機架內的兩彈簧座，兩彈簧座中與 反扭臂作用聯接一端的彈簧座可相對于機構機架軸向移動。所說的圓柱型反力彈 簧最好設計為兩根， 一根為彈簧鋼絲粗彈簧直徑大的大彈簧， 一根為彈簧鋼絲細 彈簧直徑小的小彈簧，大彈簧套置在小彈簧外。所說的機構機架可設計為，包括 端部設計有螺紋的機架結構螺桿、座板和蓋板，座板上設計有彈簧座和與機架結 構螺桿端部螺紋匹配的安裝螺紋孔，蓋板上設計有可動彈簧座軸頸可在其內軸向 滑動的安裝孔和與機架結構螺桿匹配的安裝孔，機架結構螺桿穿過蓋板上的安裝 孔與座板上的安裝螺紋孔螺紋聯結，組裝形成機構機架。當然也可設計成其他結 構形式，如以筒體代替機架結構螺桿的筒狀機架形式。構成機構機架的蓋板，可 在其軸頸安裝孔內設置一裝配軸頸套，可動彈簧座軸頸通過裝配軸頸套安裝在蓋 板安裝孔內，且軸頸套上設計加工有潤滑油槽。構成機構機架的座板，其與機架 結構螺桿端部螺紋匹配的安裝螺紋孔最好為貫通孔，以便于對反力彈簧的反作用 力進行調整。
在上述所述試驗裝置的技術方案中，所說的主扭作動筒機構、振動作動筒機 構和反扭作動機構最好都為對稱設置的2個，2個振動作動筒機構和2個反扭作 動機構分別與同一反扭臂鉸聯接。
在上述試驗裝置技術方案中，所說的裝置機架為龍門式結構，由基座、兩個 墻式立柱和橫梁構成，主扭作動筒機構、振扭作動筒機構和反扭作動機構的支承 端固定安裝在立柱上，被測回轉軸豎向安裝在基座上。
在上述試驗裝置技術方案中，所說的試驗裝置還設置有彎矩加載機構和軸向 力加載機構，彎矩加載機構通過彎矩加載軸與回轉軸測試件聯結，軸向力加載機 構直接與回轉軸測試件聯結。
本發明還采取了其他一些技術措施。
本發明提供的能夠對高速回轉主軸同時實施主扭矩和振動扭矩載荷的強度
試驗裝置，其工作過程原理為對稱安置在裝置機架上的主扭作動筒機構，在液 壓伺服系統控制下進行動作，產生一對力偶，此力偶通過固定于測試高速回轉主 軸上的主扭臂和反扭臂作用到彈性反扭作動機構上，使構成反扭彈性機構的彈性 構件被壓縮，從而使對稱設置的彈性反扭機構產生一對反向力偶，進而通過主扭 臂和反扭臂向高速回轉主軸測試件施加如圖3中所示的主扭矩Mk。當對稱設置
的振動扭矩作動筒在液壓伺服系統控制下以一定的頻率(一般不高于15Hz)和 振幅(即AMk)施加髙頻振動力偶時，由于反扭作動機構具有彈性，從而使得 反扭臂產生高頻振動，將振動作動筒與反扭作動機構之間形成的高頻振動扭矩施 加在高速回轉主軸測試件上，即通過反扭臂對高速回轉主軸測試件施加了高頻振 動扭矩，也就是在對高速回轉主軸測試件在施加了主扭矩的基礎上又疊加實施了 高頻振動扭矩。試驗裝置中的主扭作動筒和振動扭矩作動筒的運動動力都是由液 壓站提供的壓力油通過電磁液壓伺服閥控制提供。
本發明將高速回轉主軸試驗裝置的反扭系統設計為獨特的彈性系統，突破了 現有技術的高速回轉主軸試驗裝置的扭矩加載傳統模式，成功地解決了對高速回 轉主軸試件實施綜合扭矩加載的技術難題，使得試驗裝置能夠完全、真實地模擬 高速回轉主軸運行過程承受的主扭矩載荷和髙頻振動扭矩載荷，且試驗裝置扭矩 載荷加載準確度高，完全能夠滿足高速回轉主軸扭矩疲勞試驗的要求，實現高速 回轉主軸在試驗裝置上就可以進行確定壽命的試驗目的，推進了高速回轉軸試驗 裝置的技術進步。此外，牽本發明提供的高速回轉主軸試驗裝置的基礎上再增設 彎矩加載機構和軸向力加載機構，試驗裝置就能夠完全真實地模擬高速回轉主軸 運行狀態下所承受的各種載荷，對高速回轉主軸運行狀態下所承受的各種載荷進 行全面試驗。
本發明提供的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的強度試驗"裝置， 與現有技術的髙速回轉主軸試驗裝置相比，除了上面所說的本發明能夠對高速回 轉主軸同時實施主扭矩和振動扭矩，完全、真實地模擬高速回轉主軸運行過程承 受的綜合扭矩載荷外，概括起來還具有以下技術優勢和積極效果
1、制造成本低。本發明的彈性反扭作動機構的制造成本較之由電磁液壓伺 服閥控制的反扭作動筒機構的制造成本大大降低，其制造成本一套只需數千元， 遠遠少于后者制造成本的5~6萬元。另外，本發明的裝置機架，其結構較之現
有技術試驗裝置的機架，結構更為簡單，制造也更為容易，制造成本也更為低， 即本發明的制造成本低。
2、 使用壽命長。構成本發明彈性反扭作動機構的反力彈簧采用優質鋼材制 造，耐用性極強，而且在使用過程中幾乎沒有磨損，因此使用壽命長，發明人在 裝置的試制過程中，對一個型號的數十根軸進行試驗，未更換過彈簧構件。而采 用作動筒和電磁液壓伺服閥技術的反扭系統，其故障率很高，主要原因是作動筒 在高頻往復運動過程中磨損嚴重，易損壞，另外由于原理性設計缺陷，使電磁液 壓伺服閥處于不合理的工作狀態，極易造成損壞， 一旦更換，則需要耗費數萬元。
3、 維修工作量小。本發明的彈性反扭作動機構在試驗過程中幾乎不需要進 行維修，可以保證疲勞強度試驗的進度要求，而采用作動筒和電磁液壓伺服閥技 術的反扭系統則經常需要停機維修，無法保證試驗進度的要求，更難以對批量軸 進行大規模的疲勞強度試驗。
4、 加載精度高。構成本發明的反扭作動機構彈性構件的反力彈簧采用優質 鋼材制造，具有優良的力學重復性能，與精度為0.1%的拉壓力傳感器配合使用， 可使扭矩加載精度達到2%以上。而采用作動筒和電磁液壓伺服閥技術的反扭系 統加載精度只能達到5%。
5、 適應疲勞試驗所需要的大載荷，多循環試驗需求。對一根高速回轉主軸
進行疲勞壽命試驗， 一般需要進行104次低循環和107次高循環，如每天進行
12小時試驗，在試驗裝置基本無故障的情況下，完成一根軸的試驗約需要一個 月的時間。本發明因使用壽命長，設備維修的工作量小，故可以適應批量軸疲勞 試驗的需求。而采用作動筒和電磁液壓伺服閥技術的反扭系統的試驗裝置,由于 故障率高，維修困難，進行一根軸的疲勞試驗最少需要三個月以上的時間。因此 只能進行少量軸的研究性試驗，不能滿足批量軸的疲勞壽命試驗需求。
6、 試驗裝置的利用率高。由于本發明具有上述多項優越性能，使得試驗裝 置的利用率很高，能夠對高速回轉主軸批量進行疲勞試驗。發明人曾用本發明的 試驗裝置對幾個型號的發動機渦輪軸進行過批量軸的疲勞強度試驗，而采用作動 筒和電磁液壓伺服閥技術的反扭系統的試驗裝置只進行過少量研究性試驗，設備 利用率極低。
圖1是本發明的總體結構示意圖。 圖2是本發明的彈性反扭作動機構示意圖。 圖3是發動機渦輪軸疲勞強度試驗載荷譜圖。 圖4是現有技術的試驗裝置的外形結構示意圖。 圖5是現有技術的試驗裝置的原理結構示意圖。
在上述附圖中，各圖識標號的標識對象為l裝置機架；2彎矩加載機構； 3彎矩加載軸；4主扭作動筒機構；6振動扭矩作動筒機構；6彈性反扭作動機構； 7主扭臂；8高速回轉主軸試驗件；9反扭臂；10軸向力加載機構；ll座板； 12反力大彈簧；13反力小彈簧；14機架結構螺桿；15可動彈簧座；16蓋板， 17潤滑油槽。
具體實施例方式
下面結合
給出本發明的實施例，并通過實施例對本發明作進一步的 說明，以便于更加容易地理解本發明。但需要特別指出的是，本發明的具體實施 方式不限于下面實施例所描述的形式，所屬領域的技術人員在不付出創造性勞動 的情況下，還可很容易地設計出其他的具體實施方式
，因此不應將下面給出的具 體實施方式的實施例理解為本發明的保護范圍，將本發明的保護范圍限制在所給 出的實施例。
實施例l
本實施例提供的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝置，其
結構如附圖l中所示，由裝置機架l,主扭臂7，反扭臂9，作用力構成主扭力 偶的2個主扭作動筒機構4，作用力構成振動扭力偶的2個振動作動筒機構5， 反作用力構成反扭力偶的2個彈簧反扭作動機構6,以及由4個電磁液壓伺服閥 分別控制4個作動筒機構的液壓伺服系統構成。2個主扭作動筒機構、2個振動 作動筒機構和2個彈簧反扭作動機構均為對稱設置。裝置機架1為龍門式結構， 由基座、兩個墻式立柱和橫梁構成，主扭臂7和反扭臂9與垂直安裝在裝置機架 基座上的回轉主軸8固定聯結，2個主扭作動筒機構、2個振動作動筒機構和2
個彈簧反扭作動機構的支承端分別固定于裝置機架1的兩個墻式立柱上，2個 主扭作動筒機構的運動端與主扭臂鉸聯接，2個振動作動筒機構和2個彈簧反扭 作動機構的運動端都與反扭臂鉸聯接。所述彈簧反扭作動機構的結構如附圖2 所示，由機構機架、圓柱型反力彈簧和將反力彈簧安置在機構機架內的兩彈簧座 構成，兩彈簧座中與反扭臂作用聯接一端的彈簧座15可相對于機構機架軸向移 動，圓柱型反力彈簧有兩根， 一根為彈簧鋼絲粗彈簧直徑大的大彈簧12， 一根 為彈簧鋼絲細彈簧直徑小的小彈簧13，大彈簧套置在小彈簧外。所說的機構機 架由4根端部設計有螺紋的機架結構螺桿14、座板11和蓋板16構成，座板上 設計加工有安裝大小兩彈簧的兩彈簧座，和4個與機架結構螺桿端部螺紋匹配的 安裝貫通螺紋孔，蓋板16中央設計有可動彈簧座軸頸安裝孔，和與機架結構螺 桿匹配的4個安裝孔，可動彈簧座軸頸通過軸頸套安裝在蓋板上的安裝孔內，可 動彈簧座軸頸可在軸頸套內軸向滑動，蓋板和軸頸套設計加工有相通的潤滑油槽 17，機架結構螺桿穿過蓋板上的安裝孔與座板上貫通的安裝螺紋孔螺紋聯結，組 裝形成機構機架。
實施例2
本實施例提供的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝置， 結構如附圖l和附圖2所示，其構成與實施例1基本相同，所不同的是，在實 施例1的基礎上試驗裝置增設了彎矩加載機構2和軸向力加載機構10，彎矩加 載機構通過彎矩加載軸3與回轉軸測試件聯結，軸向力加載機構直接作用于回轉 軸測試件。其他結構與實施例1均相同。本實施例的試驗裝置，除了能夠完全真
實地模擬高速回轉主軸運行狀態下所承受的主扭矩載荷和高頻振動載荷外，還可 模擬彎矩載荷和軸向載荷，可對高速回轉主軸運行狀態下所承受的各種載荷進行 全面試驗。
權利要求
1.一種能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝置，主要包括裝置機架，與安裝在機架上的回轉主軸固定聯結的主扭臂和反扭臂，支承端固定于裝置機架上而運動端與扭臂為鉸聯接的作用力構成主扭力偶的至少一對主扭作動筒機構、作用力構成振動扭力偶的至少一對振動作動筒機構和反作用力構成反扭力偶的至少一對反扭作動機構，以及控制作動筒機構運動的液壓伺服系統，其特征在于所說的反扭作動機構為彈性反扭作動機構。
2、 根據權利要求1所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于所說的彈性反扭作動機構為由反力彈簧構成的彈性反扭作動機構。
3、 根據權利要求2所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于所說的彈性反扭作動機構為由圓柱型反力彈簧構成的彈性反扭作動 機構。
4、 根據權利要求3所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于所說的彈性反扭作動機構主要包括機構機架、圓柱型反力彈簧和將 反力彈簧安置在機構機架內的兩彈簧座，兩彈簧座中與反扭臂作用聯接一端的彈簧 座可相對于機構機架軸向移動。
5、 根據權利要求4所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于所說的IH柱型反力彈簧有兩根，彈簧鋼絲粗彈簧直徑大的大彈簧套 置在彈簧鋼絲細彈簧直徑小的小彈簧外。
6、 根據權利要求4所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于所說的機構機架包括端部設計有螺紋的機架結構螺桿、座板和蓋板， 座板上設計有彈簧座和與螺桿端部螺紋匹配的機架組裝螺紋孔，蓋板上設計有可動 彈簧座軸頸可在其內軸向滑動的安裝孔和機架組裝孔，螺桿穿過蓋板上的機架組裝 孔與座板上的機架組裝螺紋孔螺紋聯結，組裝成機構機架。
7、 根據權利要求6所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于可動彈簧座軸頸通過裝配軸頸套安裝在蓋板裝配孔內，軸頸套上設 計加工有潤滑油槽。
8、 根據權利要求1所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗裝 置，其特征在于試驗裝置還設置有彎矩加載機構和軸向力加載機構，彎矩加載機構 通過彎矩加載軸與回轉軸測試件聯結，軸向力加載機構直接與回轉軸測試件聯結。
9、 根據權利要求1至8中任一項權利要求所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭 矩和振動扭矩的試驗裝置，其特征在于所說的主扭作動筒機構、振動作動筒機構和 反扭作動機構均為對稱設置的2個，振動作動筒機構和反扭作動機構分別與同一反 扭臂鉸聯接。
10、 根據權利要求9所述的能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩的試驗 裝置，其特征在于所說的裝置機架為龍門式結構，由基座、兩個墻式立柱和橫梁構 成，主扭作動筒機構、副作動筒機構和反扭作動機構支承端固定安裝在立柱上，被 測回轉軸豎向安裝在基座上。
全文摘要
本發明是一種能夠對高速回轉主軸實施主扭矩和振動扭矩載荷的強度試驗裝置，其結構主要包括裝置機架，與安裝在機架上的回轉主軸固定聯結的主扭臂和反扭臂，支承端固定于裝置機架上而運動端與扭臂為鉸聯接的作用力構成主扭力偶的至少一對主扭作動筒機構、作用力構成振動扭力偶的至少一對振動作動筒機構和反作用力構成反扭力偶的至少一對彈性反扭作動機構，以及控制作動筒機構運動的液壓伺服系統。本發明突破了現有技術高速回轉主軸試驗裝置扭矩加載模式，能夠完全、真實地模擬高速回轉主軸運行過程承受的主扭矩和振動扭矩載荷，解決了主扭矩和振動扭矩復合加載難的問題。本發明還具有加載精度高、制造成本低、維修工作量小和使用壽命長等優點。
文檔編號G01M13/00GK101368874SQ20081004616
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者建 劉, 軍 周, 王春筍, 茍華忠, 鄭樹桐 申請人:成都發動機(集團)有限公司