本發(fā)明涉及航空發(fā)動機軸向力測量領(lǐng)域，特別地，涉及一種轉(zhuǎn)子軸向力測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

彈性支承廣泛用于航空發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承中，它能在轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時有效降低轉(zhuǎn)子的振幅，使轉(zhuǎn)子平穩(wěn)可靠工作。壓氣機轉(zhuǎn)子工作時會產(chǎn)生向前的軸向載荷，渦輪轉(zhuǎn)子工作時會產(chǎn)生向后的軸向載荷，軸向載荷必須保持在合適的范圍之內(nèi)。過大的軸向載荷有可能超過軸承的許用載荷，較小的軸向載荷則會導(dǎo)致軸承輕載打滑，進而造成軸承磨損失效。因此，在發(fā)動機工作過程中，對轉(zhuǎn)子進行徑向振動監(jiān)測的同時，必須對其軸向載荷進行測量，以保證轉(zhuǎn)子安全可靠工作。

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子軸向力測量主要針對軸承外圈與彈性支承為分體結(jié)構(gòu)的情形，軸承安裝在彈性支承的軸承腔內(nèi)，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子軸頸緊配合，軸承外圈與彈性支承的軸承腔內(nèi)壁間隙配合，軸承外環(huán)與應(yīng)變環(huán)貼合，應(yīng)變環(huán)的另一側(cè)抵著軸承腔的底部，應(yīng)變環(huán)兩側(cè)有交錯布置的凸臺，且一側(cè)粘貼有應(yīng)變片組成全橋。轉(zhuǎn)子的軸向載荷通過軸承傳遞到應(yīng)變環(huán)上，從而引起應(yīng)變環(huán)的變形，通過測量應(yīng)變環(huán)變形時的應(yīng)變量可以換算出此時轉(zhuǎn)子的軸向力大小。

現(xiàn)有針對轉(zhuǎn)子軸向力的測量方法只適用于軸承外圈和彈性支承為兩個單獨元件的轉(zhuǎn)子。隨著航空發(fā)動機不斷向著輕量化方向發(fā)展，一種帶軸承外圈的彈性支承正逐漸得到應(yīng)用，轉(zhuǎn)子安裝在帶軸承外圈的彈性支承上，由于軸承外圈無法移動，也就無法放置應(yīng)變環(huán)。因此，現(xiàn)有的軸向力測量方法無法實施。而目前并無一種航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子安裝在帶軸承外圈的彈性支承上的軸向力測量方法，使得對于安裝在這種彈性支承結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)子的軸向力測量無法進行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種轉(zhuǎn)子軸向力測量裝置及測量方法，以解決現(xiàn)有的帶軸承外圈的彈性支承上的轉(zhuǎn)子軸向力無法測量的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種轉(zhuǎn)子軸向力測量裝置，用于對安裝于帶軸承外圈的彈性支承上的轉(zhuǎn)子進行軸向力測量，彈性支承包括安裝邊及與安裝邊相對的自由端，自由端設(shè)有軸承外圈，安裝邊與自由端之間部分鏤空形成沿周向間隔分布的多個彈條，測量裝置包括沿彈性支承的中心軸對稱布置于彈條上的多個應(yīng)變片，多個應(yīng)變片串聯(lián)后經(jīng)信號線引出并連接至應(yīng)變監(jiān)測儀，應(yīng)變監(jiān)測儀用于根據(jù)多個應(yīng)變片檢測的應(yīng)變輸出值得到設(shè)于彈性支承上轉(zhuǎn)子的軸向力測量結(jié)果。

進一步地，多個應(yīng)變片分布于沿彈性支承的中心軸對稱的四個彈條上，每個彈條上對應(yīng)設(shè)有沿軸向延伸的縱向應(yīng)變片及沿周向延伸的橫向應(yīng)變片，成對設(shè)置的彈條上的縱向應(yīng)變片串聯(lián)形成兩個縱向應(yīng)變片組，成對設(shè)置的彈條上的橫向應(yīng)變片串聯(lián)形成兩個橫向應(yīng)變片組，縱向應(yīng)變片組與橫向應(yīng)變片組間隔串聯(lián)形成應(yīng)變片全橋，且各串接點經(jīng)信號線引出連接至應(yīng)變監(jiān)測儀。

進一步地，軸承外圈的內(nèi)壁上設(shè)有滾珠外跑道。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種轉(zhuǎn)子軸向力測量方法，采用上述的測量裝置，本發(fā)明測量方法包括：

將轉(zhuǎn)子經(jīng)軸承內(nèi)圈安裝于彈性支承上，軸承內(nèi)圈經(jīng)滾珠與軸承外圈連接；

轉(zhuǎn)子工作時，彈性支承所受轉(zhuǎn)子的軸向力通過軸承內(nèi)圈、滾珠傳到軸承外圈上，進而傳遞到彈條上；

應(yīng)變監(jiān)測儀接收設(shè)于彈條上的應(yīng)變片的應(yīng)變輸出值；并根據(jù)軸向力與應(yīng)變輸出值的對應(yīng)關(guān)系獲得設(shè)于彈性支承上轉(zhuǎn)子的軸向力測量結(jié)果。

進一步地，在測量轉(zhuǎn)子軸向力之前，還包括：

對軸向力與應(yīng)變輸出值的對應(yīng)關(guān)系進行標(biāo)定的步驟。

進一步地，對軸向力與應(yīng)變輸出值的對應(yīng)關(guān)系進行標(biāo)定的步驟包括：

將彈性支承固定在加載器上；

對彈性支承兩端施加一系列的加載力，同時記錄應(yīng)變監(jiān)測儀獲得的相應(yīng)的應(yīng)變輸出值；

計算得出彈性支承所受到的加載力和其上的應(yīng)變片全橋的輸出應(yīng)變輸出值之間的系數(shù)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明轉(zhuǎn)子軸向力測量裝置及測量方法，通過在彈性支承的彈條上設(shè)置應(yīng)變片并連接成全橋來感應(yīng)轉(zhuǎn)子的軸向力，不需要額外的附加結(jié)構(gòu)(如彈性環(huán))來測量轉(zhuǎn)子的軸向力，從而簡化了原有的軸向力測量系統(tǒng)。另外，本發(fā)明測量裝置及測量方法適用于帶軸承外圈的彈性支承上的軸向力測量，克服了該彈性支承上轉(zhuǎn)子軸向力無法測量的難題，具有極大推廣應(yīng)用價值。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例中彈性支承與應(yīng)變片結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中沿a-a線的橫向剖視示意圖；

圖3為圖2中沿b-b線的橫向剖視示意圖；

圖4為圖1中沿c-c線的橫向剖視示意圖；

圖5為圖1中d處的局部放大示意圖；

圖6為圖4中e處的局部放大示意圖；

圖7為本發(fā)明優(yōu)選實施例中應(yīng)變片全橋的接線示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

1、安裝邊；2、彈條；3、軸承外圈；30、滾珠外跑道；

40～47、應(yīng)變片。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

航空發(fā)動機工作過程中，壓氣機轉(zhuǎn)子由于壓縮氣體做功，使得氣體壓比增大，氣體反過來對葉片有向前的反作用力，這些反作用力通過轉(zhuǎn)子作用在球軸承上。相反，氣體推動渦輪葉片做功，渦輪轉(zhuǎn)子作受到向后的作用力。對于航空發(fā)動機整機的轉(zhuǎn)子來說，轉(zhuǎn)子的軸向力則是作用在壓氣機轉(zhuǎn)子上向前的軸向力和作用在渦輪轉(zhuǎn)子上向后的軸向力的合力。轉(zhuǎn)子的軸向力必須控制在一定范圍內(nèi)，既不能太大也不能太小，更不能頻繁換向，以免損壞軸承，進而造成轉(zhuǎn)子的破壞和發(fā)動機的損毀。因此，需要進行轉(zhuǎn)子軸向力的測量，以保證轉(zhuǎn)子和軸承的安全可靠工作。

本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種轉(zhuǎn)子軸向力測量裝置，用于對安裝于帶軸承外圈的彈性支承上的轉(zhuǎn)子進行軸向力測量，參照圖1至圖6，本實施例中，彈性支承包括安裝邊1及與安裝邊1相對的自由端，自由端設(shè)有軸承外圈3，安裝邊1與自由端之間部分鏤空形成沿周向間隔分布的多個彈條2，測量裝置包括沿彈性支承的中心軸對稱布置于彈條2上的多個應(yīng)變片，多個應(yīng)變片串聯(lián)后經(jīng)信號線引出并連接至應(yīng)變監(jiān)測儀，應(yīng)變監(jiān)測儀用于根據(jù)多個應(yīng)變片檢測的應(yīng)變輸出值得到設(shè)于彈性支承上轉(zhuǎn)子的軸向力測量結(jié)果。

本實施例測量裝置工作時，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到軸向力時，軸向力通過軸承內(nèi)圈、滾珠傳到軸承外圈3上，然后傳到彈性支承的彈條2上，彈條2則受到壓縮或拉伸變形，則通過粘貼在其上的橫向和縱向應(yīng)變片全橋，可以監(jiān)測出相應(yīng)的應(yīng)變輸出值。本實施例通過在彈性支承的彈條上設(shè)置應(yīng)變片并連接成全橋來感應(yīng)轉(zhuǎn)子的軸向力，不需要額外的附加結(jié)構(gòu)(如彈性環(huán))來測量轉(zhuǎn)子的軸向力，從而簡化了原有的軸向力測量系統(tǒng)。另外，本發(fā)明測量裝置及測量方法適用于帶軸承外圈的彈性支承上的軸向力測量，克服了該彈性支承上轉(zhuǎn)子軸向力無法測量的難題，具有極大推廣應(yīng)用價值。

本實施例中，優(yōu)選地，多個應(yīng)變片分布于沿彈性支承的中心軸對稱的四個彈條2上，每個彈條2上對應(yīng)設(shè)有沿軸向延伸的縱向應(yīng)變片及沿周向延伸的橫向應(yīng)變片，成對設(shè)置的彈條2上的縱向應(yīng)變片串聯(lián)形成兩個縱向應(yīng)變片組，成對設(shè)置的彈條2上的橫向應(yīng)變片串聯(lián)形成兩個橫向應(yīng)變片組，縱向應(yīng)變片組與橫向應(yīng)變片組間隔串聯(lián)形成應(yīng)變片全橋，且各串接點經(jīng)信號線引出連接至應(yīng)變監(jiān)測儀。本實施例中，軸承外圈3的內(nèi)壁上有滾珠外跑道30。參照圖1至圖6，在彈性支承的垂直面和水平面的4根彈條2上各粘貼有一個橫向和縱向的應(yīng)變片42、43、46、47和40、41、44、45。如圖7所示，將橫向和縱向的應(yīng)變片兩兩串聯(lián)后再將其串聯(lián)組成全橋。本實施例，通過在彈性支承垂直和水平四根彈條上各粘貼一個橫向和縱向的應(yīng)變片，并連接成全橋，能有效減少偏載荷引起的誤差和增加軸向力測量傳感器的靈敏度。彈條2發(fā)生壓縮或拉伸變形，相應(yīng)的應(yīng)變?nèi)珮驎敵稣幕蜇摰膽?yīng)變值，進而可以判斷轉(zhuǎn)子軸向力的方向。根據(jù)事先已獲知的軸向力和輸出應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，即可得到此時轉(zhuǎn)子所受的軸向力的大小。本發(fā)明測量裝置能實現(xiàn)對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向力的大小和方向的同步測量。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種轉(zhuǎn)子軸向力測量方法，采用上述實施例的測量裝置，本發(fā)明測量方法包括：

將轉(zhuǎn)子經(jīng)軸承內(nèi)圈安裝于彈性支承上，軸承內(nèi)圈經(jīng)滾珠與軸承外圈3連接；

轉(zhuǎn)子工作時，彈性支承所受轉(zhuǎn)子的軸向力通過軸承內(nèi)圈、滾珠傳到軸承外圈3上，進而傳遞到彈條2上；

應(yīng)變監(jiān)測儀接收設(shè)于彈條2上的應(yīng)變片的應(yīng)變輸出值；并根據(jù)軸向力與應(yīng)變輸出值的對應(yīng)關(guān)系獲得設(shè)于彈性支承上轉(zhuǎn)子的軸向力測量結(jié)果。

優(yōu)選地，在測量轉(zhuǎn)子軸向力之前，還包括：

對軸向力與應(yīng)變輸出值的對應(yīng)關(guān)系進行標(biāo)定的步驟。

本實施例中，對軸向力與應(yīng)變輸出值的對應(yīng)關(guān)系進行標(biāo)定的步驟包括：

將彈性支承固定在加載器上；

對彈性支承兩端施加一系列的加載力，同時記錄應(yīng)變監(jiān)測儀獲得的相應(yīng)的應(yīng)變輸出值；

計算得出彈性支承所受到的加載力和其上的應(yīng)變片全橋的輸出應(yīng)變輸出值之間的系數(shù)。

從驗證結(jié)果來看，彈性支承所受的轉(zhuǎn)子軸向力和應(yīng)變監(jiān)測儀的應(yīng)變輸出值之間的線性關(guān)系好。

在一個具體實施例中，如圖7所示，將橫向和縱向的應(yīng)變片兩兩串聯(lián)后再將其串聯(lián)組成全橋。轉(zhuǎn)子軸頸(未示出)與軸承內(nèi)圈(未示出)緊配合，軸承內(nèi)圈和軸承外圈之間3安放有滾珠(未示出)。將彈性支承固定在加載器上進行加載力和輸出應(yīng)變之間的系數(shù)標(biāo)定，通過對彈性支承兩端施加一系列的加載力，同時記錄應(yīng)變監(jiān)測儀上相應(yīng)的應(yīng)變輸出值，則可計算出該彈性支承所受到的加載力和其上的應(yīng)變片全橋輸出應(yīng)變之間的系數(shù)。實際工作過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子(未示出)受到軸向力時，軸向力通過軸承內(nèi)圈、滾珠傳到軸承外圈3上，然后傳到彈性支承的彈條2上，彈條2則受到壓縮或拉伸變形，則通過粘貼在其上的橫向和縱向應(yīng)變片全橋，可以監(jiān)測出相應(yīng)的輸出應(yīng)變值。通過事先獲得的彈性支承所獲得的加載力和其上應(yīng)變?nèi)珮虻妮敵鰬?yīng)變之間的系數(shù)，可以得到此時轉(zhuǎn)子所受的軸向力大小和方向。當(dāng)發(fā)動機未開車時，對應(yīng)變片的全橋電路進行平衡清零，若轉(zhuǎn)子受到向前的軸向力時，彈條2發(fā)生壓縮變形，應(yīng)變?nèi)珮蜉敵龅膽?yīng)變值為正值；若轉(zhuǎn)子受到向后的軸向力時，彈條2發(fā)生拉伸變形，應(yīng)變?nèi)珮蜉敵龅膽?yīng)變值為負值。因此，可以根據(jù)應(yīng)變?nèi)珮虻妮敵鰬?yīng)變的正負值判斷轉(zhuǎn)子所受軸向力的方向。

本實施例中，在彈條2上的橫向和縱向上各粘貼一個應(yīng)變片，并組成全橋，能有效減少偏載荷引起的誤差，并且能增加傳感器輸出靈敏度。理論上，應(yīng)變片的輸出應(yīng)變?yōu)?imgfile="bda0001315337640000051.gif"wi="374"he="119"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>其中a為彈條2的橫截面積，e為彈條2的彈性模量，μ為彈條2的泊松比，f為軸向力。

從以上的描述可以得知，本實施例具有以下有益效果：

1)、在彈性支承的彈條上粘貼應(yīng)變片并連接成全橋來感應(yīng)轉(zhuǎn)子的軸向力，不需要額外的附加結(jié)構(gòu)(如彈性環(huán))來測量轉(zhuǎn)子的軸向力，從而簡化了原有的軸向力測量系統(tǒng)。另外，對帶軸承外圈的彈性支承而言，由于受其結(jié)構(gòu)特征所限制，也無法按照原有方式安放測量軸向力的傳感器，因此，本發(fā)明解決了受此限制條件下的軸向力測量難題。

2)、在彈性支承垂直和水平四根彈條上各粘貼一個橫向和縱向的應(yīng)變片，并連接成全橋，能有效減少偏載荷引起的誤差和增加軸向力測量傳感器的靈敏度。本發(fā)明所述的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸向力測量方法能同時測量軸向力的大小和方向。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。