第一作者蘇永雷男，碩士生，1989年生

通信作者王艾倫男，教授，博士生導(dǎo)師，1959年12月生

拉桿松弛導(dǎo)致預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子性能退化研究

蘇永雷1,2，王艾倫1,曾海楠3

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083； 2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司(研究總院)，重慶401120;3.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072)

摘要：由結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致性能退化角度出發(fā)，分析拉桿松弛引起的預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子性能退化特性。利用跨尺度計(jì)算方法獲得輪盤(pán)界面接觸剛度并對(duì)接觸界面等效處理，提出考慮粗糙界面及預(yù)緊的組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，獲得組合轉(zhuǎn)子固有頻率隨時(shí)間變化規(guī)律；建立以組合轉(zhuǎn)子頻率相對(duì)降低量表征其性能退化量的定量評(píng)估方法，對(duì)退化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并描述組合轉(zhuǎn)子退化軌跡，實(shí)現(xiàn)拉桿松弛引起的組合轉(zhuǎn)子性能退化定量評(píng)估；對(duì)初始預(yù)緊失諧程度相同的組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行不平衡響應(yīng)分析，獲得預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子退化特征。結(jié)果表明，組合轉(zhuǎn)子性能退化量參數(shù)服從指數(shù)函數(shù)分布，負(fù)失諧對(duì)組合轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)影響較大。

關(guān)鍵詞：拉桿松弛；組合轉(zhuǎn)子；退化量；失諧；固有頻率

基金項(xiàng)目：國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB035706)

收稿日期：2014-03-25修改稿收到日期：2014-06-24

中圖分類(lèi)號(hào):TH113.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.20.005

Abstract:A combined rotor is the key part of an engine, and it is important to reveal its degradation mechanism and assess the performance degradation degree for making maintenance during operation. Performance degradation characteristics of the combined rotor were discussed, from the perspective of performance degradation caused by structural damage. The dynamic features of the combined rotor were analyzed, considering the rod relaxation and interface contact effect and the changing of natural frequency along with the time was observed. Then, by defining the degradation degree of combined rotor, the degradation path was described through processing the degradation data and the degradation assessment was completed as well. At the end, unbalance responses of combined rotors with the same mistuned degree of preload were investigated and the degradation characteristics of combined rotors were obtained. The results show that: degradation parameters of combined rotors have exponential distribution, and the negative mistuning has great effect on the unbalance response amplitude of combined rotors.

Performance degradation of mistuned combined rotor considering rod relaxation

SUYong-lei1,2,WANGAi-lun1,ZENGHai-nan3(1. Key Laboratory of High performance and Complex Manufacturing, Changsha 410083, China;2. Chongqing chang’an automobile Co., Ltd., Chongqing 401120, China;3. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Key words:rod relaxation; combined rotor; degradation degree; mistuning; natural frequency

運(yùn)行中由于蠕變、裂紋、磨損等原因設(shè)備性能會(huì)逐步退化，不但降低其可靠性更增加其發(fā)生故障的可能性。作為長(zhǎng)期嚴(yán)酷工況運(yùn)行造成組合轉(zhuǎn)子性能退化的有力佐證，GE公司10余臺(tái)9FA機(jī)組連續(xù)發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)超標(biāo)，且故障大多出現(xiàn)于機(jī)組運(yùn)行10000小時(shí)以上，主要原因?yàn)榻M合轉(zhuǎn)子間預(yù)緊力在長(zhǎng)期運(yùn)行中逐漸缺失導(dǎo)致預(yù)緊力不足，在輪盤(pán)間發(fā)生滑移，改變轉(zhuǎn)子的應(yīng)有剛度；該公司另一主打機(jī)組LM5000燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中也出現(xiàn)壓氣機(jī)隨機(jī)組負(fù)荷增加、振動(dòng)加劇現(xiàn)象[1]。而某臺(tái)燃機(jī)中間軸及壓氣機(jī)24個(gè)連接螺栓因其中1個(gè)螺栓破壞導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致重大事故發(fā)生[2]。

工業(yè)實(shí)踐中因制造誤差、材料缺陷等因素使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)循環(huán)對(duì)稱(chēng)性遭受破壞導(dǎo)致系統(tǒng)失諧。轉(zhuǎn)子最典型的失諧形式為葉盤(pán)系統(tǒng)失諧，主要反映為模態(tài)局部化及振動(dòng)傳遞局部化。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中此兩種局部化稱(chēng)為失諧周期結(jié)構(gòu)振動(dòng)局部化問(wèn)題，且廣受關(guān)注[3]。而對(duì)周向拉桿組合轉(zhuǎn)子則存在另種形式失諧即各拉桿預(yù)緊不均勻?qū)е碌氖еC。若一根拉桿預(yù)緊力與其它拉桿不同，則該拉桿在轉(zhuǎn)子彎曲時(shí)的受力亦不同于其它拉桿，因而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲剛度改變，并產(chǎn)生各向異性。該失諧不同于葉盤(pán)的弱耦合結(jié)構(gòu)失諧，而類(lèi)似裂紋轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的剛度各向異性[4]。

燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期服役于高溫、高轉(zhuǎn)速工況，對(duì)其進(jìn)行性能退化特性研究、掌握性能退化程度及趨勢(shì)對(duì)保障燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行具有重要意義。Diakunchak[5]認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)性能退化不僅與運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，亦受工作模式影響。Brook[6]認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)大部分能量損失由壓氣機(jī)部分性能退化所致。Kurz等[7]通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能退化原因詳細(xì)闡述，研究不同退化成因?qū)е碌娜細(xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)變化。據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)性能退化特征，Brothertom等[8]提出用浴盆曲線近似描述燃?xì)廨啓C(jī)性能退化規(guī)律。Li等[9]利用氣路分析方法對(duì)退化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得燃?xì)廨啓C(jī)性能退化曲線，并用于預(yù)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)剩余壽命。Venturini等[10]基于蒙特卡洛法，提出可靠診斷與預(yù)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)退化方法。

現(xiàn)有研究存三方面問(wèn)題：①燃?xì)廨啓C(jī)退化研究主要集中在不同退化成因?qū)φ麢C(jī)性能參數(shù)影響及診斷方式，而對(duì)其組合轉(zhuǎn)子性能退化研究較少。組合轉(zhuǎn)子作為燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心部件，其退化會(huì)對(duì)整機(jī)性能產(chǎn)生重大影響，但組合轉(zhuǎn)子性能退化機(jī)理并不明確。②其退化量參數(shù)所選整機(jī)性能參數(shù)(功率、燃耗、壓比)不適合作為組合轉(zhuǎn)子退化量指標(biāo)。③雖通過(guò)建立具有界面開(kāi)閉效應(yīng)的集中參數(shù)模型研究組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，但對(duì)性能隨時(shí)間退化研究尚少。為此，本文由結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致性能退化角度出發(fā)，研究拉桿松弛導(dǎo)致預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子退化特征；定義退化量指標(biāo)并建立組合轉(zhuǎn)子退化量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，揭示拉桿松弛引起的組合轉(zhuǎn)子性能退化機(jī)理。

1組合轉(zhuǎn)子計(jì)算模型

燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)段周向均布拉桿組合轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化模型(簡(jiǎn)稱(chēng)組合轉(zhuǎn)子)見(jiàn)圖1，該轉(zhuǎn)子由兩端軸頭、4個(gè)中間輪盤(pán)及8根拉桿組成。拉桿周向均布于直徑Drod=80 mm圓上，將六級(jí)輪盤(pán)預(yù)緊組成整體，輪盤(pán)間具有多個(gè)接觸界面，組合轉(zhuǎn)子材料密度7800 kg/m3，輪盤(pán)、轉(zhuǎn)軸彈性模量210 GPa。組合轉(zhuǎn)子各物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　組合轉(zhuǎn)子物理參數(shù)

圖1　組合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure of compressor combined rotor

2組合轉(zhuǎn)子界面剛度等效

接觸界面的存在導(dǎo)致組合結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)通過(guò)接觸界面進(jìn)行動(dòng)力傳遞，不同界面狀態(tài)直接影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性[11]。為準(zhǔn)確進(jìn)行組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，在獲得粗糙表面接觸剛度基礎(chǔ)上計(jì)算接觸剛度與預(yù)緊力關(guān)系,進(jìn)行接觸剛度等效。

2.1界面剛度確定

直接在全尺寸模型中研究微米級(jí)粗糙度對(duì)界面剛度影響尺寸效應(yīng)會(huì)較明顯從而導(dǎo)致分析困難。本文采用具有相同界面粗糙度的微元體模型分析與宏觀尺寸相結(jié)合的跨尺度計(jì)算方法獲得輪盤(pán)間接觸剛度，即①計(jì)算輪盤(pán)間(圖 1)A接觸界面面積S1并進(jìn)行受力分析，獲得預(yù)緊后界面壓力P；②據(jù)文獻(xiàn)[12]方法建立界面面積S2、粗糙度0.4 μm、壓力P作用下微元體模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析并提取該微元體模型法向接觸剛度kn；③借鑒文獻(xiàn)[13]，在獲得微觀有限元模型接觸剛度基礎(chǔ)上通過(guò)面積擴(kuò)展，獲得組合轉(zhuǎn)子在預(yù)緊力F作用下界面法向接觸剛K，見(jiàn)圖2。面積擴(kuò)展表達(dá)式為

F=PS1

(1)

(2)

圖2　組合轉(zhuǎn)子界面接觸剛度與預(yù)緊力的關(guān)系圖 Fig.2 Stiffness of interface versus pretension for combined rotor

2.2界面剛度等效

(3)

式中：h為虛擬材料層厚度。

3考慮界面的預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模

為進(jìn)行組合轉(zhuǎn)子諧調(diào)、失諧的退化研究，本文提出考慮粗糙界面和預(yù)緊情況的組合轉(zhuǎn)子建模方法建立p根拉桿預(yù)緊(其中q根拉桿失諧)的失諧組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型，見(jiàn)圖3。

圖3　預(yù)緊失諧的組合轉(zhuǎn)子建模 Fig.3 The model of preload mistuning combined rotor

據(jù)失諧的一般表達(dá)式，定義預(yù)緊失諧量為

ηi=(Fdi-Fh)/Fh

(4)

式中：Fh為諧調(diào)預(yù)緊力，F(xiàn)ih為組合轉(zhuǎn)子第i根拉桿預(yù)緊力。則ηi>0為預(yù)緊正失諧，ηi<0為預(yù)緊負(fù)失諧，ηi=0為預(yù)緊諧調(diào)。

將第i根拉桿預(yù)緊力Fi等效為所有拉桿中最小預(yù)緊力F0與附加預(yù)緊力ΔFi兩部分。即

Fi=F0+ΔFi

(5)

本文以8根拉桿預(yù)緊、1根拉桿發(fā)生失諧(P=8，q=1)為例，對(duì)失諧組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析。

4拉桿螺栓松弛應(yīng)力計(jì)算

聯(lián)接件受蠕變、疲勞等多種作用，但在穩(wěn)定載荷狀態(tài)下最基本損傷機(jī)制為恒應(yīng)變下應(yīng)力松弛[14]。

松弛中，設(shè)ε0為聯(lián)接件初始彈性應(yīng)變且為常數(shù)。在絕對(duì)溫度為T(mén)的環(huán)境中經(jīng)時(shí)間t后彈性應(yīng)變?yōu)棣舉，蠕變應(yīng)變?yōu)棣與，則有

ε0=εe+εc=σ/E+εc

(6)

式中：E為彈性模量。

對(duì)式(5)求導(dǎo)得

(7)

針對(duì)長(zhǎng)期工作的拉桿松弛，用 Norton 模型表達(dá)蠕變應(yīng)變速度與應(yīng)力關(guān)系，即

(8)

式中：C1，C2，C3為材料常數(shù)。

拉桿初應(yīng)力σ0符合

(9)

式中：σ0為拉桿初始應(yīng)力；Δl為預(yù)緊量；lrod為總長(zhǎng)；Arod為橫截面積；F0為初始預(yù)緊力。

結(jié)合式(4)、式(7)～式(9)得拉桿松弛剩余應(yīng)力為

σ={[(1+η)ε0E]1-C2-

(10)

拉桿預(yù)緊力F在t時(shí)刻符合

F=σArod

(11)

結(jié)合式(4)、(5)、(11)得預(yù)緊失諧產(chǎn)生的附加預(yù)緊力為

(12)

式中：σh為預(yù)緊諧調(diào)(η=0)時(shí)據(jù)式(10)所得應(yīng)力值。

本文燃?xì)廨啓C(jī)組合轉(zhuǎn)子拉桿材料采用GH4169，利用蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定Norton蠕變模型參數(shù)值[15]。其中C1=2.2E-9，C2=10.2，C3=50825。由材料特性[16]可得彈性模量E在不同溫度T的數(shù)值。

參照工程中重型燃?xì)廨啓C(jī)拉桿預(yù)緊情況，將初始預(yù)緊量定為拉桿總長(zhǎng)的千分之一，即ε0=1/1000。據(jù)式(9)所得失諧拉桿在873 K溫度下應(yīng)力松弛曲線見(jiàn)圖4，據(jù)式(11)所得預(yù)緊失諧量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖5。由兩圖看出，材料為GH4169的拉桿在同一溫度環(huán)境下失諧量隨時(shí)間增加逐步減小，即各拉桿預(yù)緊力隨時(shí)間增加趨于諧調(diào)；初始失諧量η*為10%(5%)的拉桿較初始失諧為-10%(-5%)的拉桿失諧量隨時(shí)間增加更接近0值，即初始失諧量相當(dāng)情況下隨時(shí)間增加初始正失諧拉桿預(yù)緊力失諧程度較負(fù)失諧小。

圖4　失諧拉桿在873K溫度下的應(yīng)力松弛曲線 Fig.4 Stress relaxation curve of mistuning rod

圖5　失諧拉桿在873K溫度下失諧量隨時(shí)間的變化 Fig.5 Mistuning degree change with relaxation time at 873K

5組合轉(zhuǎn)子固有特性分析

拉桿初始預(yù)緊不均產(chǎn)生的廣義附加力矩影響轉(zhuǎn)子剛度。為進(jìn)一步研究拉桿松弛引起預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子退化特征，對(duì)初始預(yù)緊失諧的組合轉(zhuǎn)子在簡(jiǎn)單彈性支承下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。拉桿諧調(diào)預(yù)緊值由拉桿伸長(zhǎng)量(拉桿長(zhǎng)度的1/1000)確定。本文只分析組合轉(zhuǎn)子彎振特性，不考慮界面切向剛度，虛擬材料層泊松比為0，厚度0.5 mm；轉(zhuǎn)子工作溫度873 K，轉(zhuǎn)速3000 r/min。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)將拉桿螺母與輪盤(pán)間及虛擬材料層兩端與輪盤(pán)接觸界面粘合。

在同一時(shí)間段內(nèi)組合轉(zhuǎn)子受預(yù)緊降低、預(yù)緊失諧兩因素耦合作用；通過(guò)調(diào)節(jié)虛擬材料層彈性模量表達(dá)組合轉(zhuǎn)子預(yù)緊程度，調(diào)節(jié)拉桿附加預(yù)緊力表達(dá)預(yù)緊失諧量變化。以初始預(yù)緊失諧量-10%、0、10% 為例，在溫度為873 K、轉(zhuǎn)速3000 r/min 條件下對(duì)8根拉桿、6級(jí)輪盤(pán)組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行含預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。附加預(yù)緊力據(jù)式(12)求得，計(jì)算所得組合轉(zhuǎn)子固有頻率見(jiàn)表2。由表2看出，預(yù)緊失諧對(duì)組合轉(zhuǎn)子固有頻率影響不大，且隨松弛時(shí)間延長(zhǎng)而減弱。此因失諧量為10%時(shí)預(yù)緊失諧絕對(duì)量F占拉桿總預(yù)緊力的1/80，對(duì)界面剛度影響較??；另外，隨時(shí)間延長(zhǎng)預(yù)緊失諧量逐步降低，失諧對(duì)組合轉(zhuǎn)子固有頻率影響降低。組合轉(zhuǎn)子前三階固有頻率相對(duì)降低量在不同時(shí)間分布值相近，且頻率相對(duì)降低量隨時(shí)間呈遞增趨勢(shì)。

表2　組合轉(zhuǎn)子固有頻率隨時(shí)間變化關(guān)系

6松弛引起失諧組合轉(zhuǎn)子性能退化評(píng)估

為判斷設(shè)備退化情況，本文選組合轉(zhuǎn)子頻率相對(duì)降低量作為拉桿松弛引起的組合轉(zhuǎn)子性能退化量參數(shù)，退化量D定義式如下：

D=(f0-ft)/f0

(13)

式中：f0,ft分別為0時(shí)刻、t時(shí)時(shí)刻組合轉(zhuǎn)子固有頻率。

各退化量參數(shù)值即為退化數(shù)據(jù)，對(duì)退化數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合所得退化參數(shù)隨時(shí)間變化的函數(shù)即為退化軌跡[17]，見(jiàn)圖6，獲得組合轉(zhuǎn)子(工作溫度873 K)退化軌跡服從指數(shù)函數(shù)分布，即

D=D1e(-t/D2) +D3

(14)

式中：D1,D2,D3為常數(shù)。

圖6　組合轉(zhuǎn)子在不同失諧量下的退化軌跡 Fig.6 Degradation path at different mistuning degree

由圖6看出，預(yù)緊失諧對(duì)組合轉(zhuǎn)子退化軌跡影響不大。由式(14)知，隨時(shí)間增加退化量趨近退化參數(shù)D3值;在1×105h,D3在負(fù)失諧、諧調(diào)、正失諧時(shí)分別為0.00656、0.00662、0.00666。

7預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子性能退化特征分析

拉桿初始預(yù)緊不均產(chǎn)生的廣義附加力矩相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子施加附加力矩，將造成轉(zhuǎn)子初始彎曲[18]。為研究拉桿松弛所致預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子退化特征，對(duì)其在簡(jiǎn)單彈性支承下進(jìn)行不平衡響應(yīng)分析。軸承支撐剛度為108N/m。結(jié)合組合轉(zhuǎn)子幾何特性與振型曲線,不平衡響應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。

圖7　激振點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)位置 Fig.7 Position of exciting points and observation points

軸向力8F0作用下的輪盤(pán)界面剛度K通過(guò)虛擬材料層彈性模量表達(dá)，將大小為F的附加預(yù)緊力施加于拉桿上，對(duì)失諧量在-10%～10%內(nèi)的組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行含預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。在此基礎(chǔ)上用模態(tài)綜合法對(duì)失諧組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行諧響應(yīng)分析。獲得3000 r/min轉(zhuǎn)速、預(yù)緊失諧下組合轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)。失諧量為10%的不平衡響應(yīng)見(jiàn)圖8。由圖8看出，預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子一階振動(dòng)幅值最大，其中沿組合轉(zhuǎn)子軸向振幅由中間向軸端逐步減小，觀測(cè)點(diǎn)3處幅值最大。負(fù)失諧下組合轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)規(guī)律相同，取觀測(cè)點(diǎn)3處振幅進(jìn)行分析。

圖8　失諧的組合轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng) Fig.8 Unbalance response about mistuning rotor

圖9　組合轉(zhuǎn)子振幅隨時(shí)間的變化 Fig.9 The amplitude of combined rotor change with time

同前，在溫度873K、轉(zhuǎn)速3000 r/min條件下用模態(tài)綜合法對(duì)組合轉(zhuǎn)子進(jìn)行含預(yù)應(yīng)力的諧響應(yīng)分析，獲得組合轉(zhuǎn)子最大幅值隨退化時(shí)間變化見(jiàn)圖9。由圖9看出，隨時(shí)間增加預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子響應(yīng)幅值減小，但遠(yuǎn)大于預(yù)緊諧調(diào)下振幅。此因在失諧組合轉(zhuǎn)子退化過(guò)程中受預(yù)緊降低及預(yù)緊失諧兩因素耦合作用中預(yù)緊失諧起主導(dǎo)作用，失諧量隨時(shí)間減小對(duì)組合轉(zhuǎn)子振幅影響較大。初始預(yù)緊失諧程度相同時(shí)，隨時(shí)間增加負(fù)失諧對(duì)組合轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響較大，在104～105h內(nèi)負(fù)失諧所致不平衡響應(yīng)幅值為正失諧的1.38～1.66倍。

8拉桿松弛所致組合轉(zhuǎn)子性能退化試驗(yàn)

圖10　組合轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.10 The experiment equipment of combined rotor

本文建立有限元模型分析組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，計(jì)算中存在一定簡(jiǎn)化及假設(shè)，建立與圖1同尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)子，見(jiàn)圖10。在不同預(yù)緊情況下實(shí)測(cè)振動(dòng)模態(tài)，驗(yàn)證有限元方法的分析結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)采用錘擊法，即用力錘敲擊組合轉(zhuǎn)子上某點(diǎn)施加激勵(lì)，由LMS模態(tài)分析儀器記錄試件測(cè)點(diǎn)響應(yīng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得組合轉(zhuǎn)子固有頻率。通過(guò)測(cè)量拉桿軸向拉伸應(yīng)變獲得不同擰緊力矩下拉桿預(yù)緊力，采用120Ω電阻式應(yīng)變片、HX3811靜態(tài)應(yīng)變儀，測(cè)試分辨率為1 με，誤差±2 με。

組裝、預(yù)緊組合轉(zhuǎn)子過(guò)程中用立式組裝、對(duì)稱(chēng)交叉預(yù)緊及分步拉緊三種方式實(shí)現(xiàn)拉桿預(yù)緊諧調(diào)。在預(yù)緊諧調(diào)基礎(chǔ)上擰緊或擰松某根拉桿獲得預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子。本實(shí)驗(yàn)取873 K溫度下拉桿的等效預(yù)緊力，通過(guò)調(diào)整預(yù)緊力值表征拉桿松弛程度，測(cè)試獲得組合轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng)頻率隨時(shí)間變化規(guī)律，見(jiàn)表3。由表3看出，實(shí)驗(yàn)組合轉(zhuǎn)子固有頻率與有限元分析結(jié)果相差不大，取組合轉(zhuǎn)子頻率相對(duì)降低量作為退化數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組合轉(zhuǎn)子的退化軌跡與有限元分析結(jié)果相差不大。一定程度上可證實(shí)本文轉(zhuǎn)子模型的正確性及組合轉(zhuǎn)子性能退化分析結(jié)果的可靠性。

9結(jié)論

(1)通過(guò)所提考慮粗糙界面的預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法發(fā)現(xiàn)，失諧拉桿隨時(shí)間增加有趨于諧調(diào)趨勢(shì)；初始失諧量相當(dāng)情況下隨時(shí)間增加初始正失諧拉桿預(yù)緊力失諧程度小于負(fù)失諧。

(2)建立以組合轉(zhuǎn)子頻率相對(duì)降低量表征性能退化量的定量評(píng)估方法，以組合轉(zhuǎn)子頻率相對(duì)降低量作為組合轉(zhuǎn)子性能退化量參數(shù)發(fā)現(xiàn)，拉桿松弛引起的組合轉(zhuǎn)子退化量參數(shù)符從指數(shù)函數(shù)分布；預(yù)緊失諧對(duì)退化量分布影響不大。

表3　實(shí)驗(yàn)組合轉(zhuǎn)子在不同預(yù)緊力作用下的彎振頻率

(3)由預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子性能退化特征發(fā)現(xiàn)，時(shí)間增加預(yù)緊失諧組合轉(zhuǎn)子響應(yīng)幅值減小。初始預(yù)緊失諧程度相同時(shí)，隨時(shí)間增加負(fù)失諧對(duì)組合轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響較大，在104～105h范圍內(nèi)負(fù)失諧所致不平衡響應(yīng)幅值為正失諧的1.38～1.66倍。

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