連軍偉 錢(qián)云方 董麗雙

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裝配工藝對(duì)超高速試驗(yàn)軸系預(yù)緊力的影響研究

連軍偉 錢(qián)云方 董麗雙

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076）

針對(duì)某型號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫軸承進(jìn)行超高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)異常振動(dòng)現(xiàn)象，為保證試驗(yàn)軸系工作時(shí)保持較好的穩(wěn)定性，開(kāi)展了仿真分析和工藝研究。通過(guò)ANSYS仿真，分析了不同預(yù)緊力對(duì)試驗(yàn)軸系固有頻率的影響，并通過(guò)靜態(tài)錘擊試驗(yàn)驗(yàn)證軸系固有頻率對(duì)于試驗(yàn)激勵(lì)頻域有充分的裕度。為保證試驗(yàn)軸系的裝配工藝具有較好的一致性，研究了軸系的螺紋預(yù)緊的裝配工藝。研制了一套預(yù)緊力檢測(cè)系統(tǒng)，采用單因素法對(duì)試驗(yàn)軸系的有效預(yù)緊力的主要影響因素進(jìn)行了研究，并明確了各影響因素對(duì)軸系預(yù)緊力的散差度。為進(jìn)一步優(yōu)化裝配工藝提供了依據(jù)。

軸系；預(yù)緊力；振動(dòng)；模態(tài)分析；固有頻率

1 引言

隨著我國(guó)航天技術(shù)的飛速發(fā)展，火箭系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要求提升，由此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須相應(yīng)提高，這就對(duì)渦輪泵軸承提出了更高的轉(zhuǎn)速要求。為了降低故障風(fēng)險(xiǎn)，通常采用進(jìn)行大量地面試驗(yàn)的方法和途徑來(lái)研究軸承壽命和可靠性。低溫軸承試驗(yàn)的裝配工藝質(zhì)量，嚴(yán)重影響軸承批次驗(yàn)收進(jìn)度和發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)配套需求。

針對(duì)低溫軸承試驗(yàn)軸系進(jìn)行超高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)異常振動(dòng)情況，本文以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵軸承試驗(yàn)軸系為研究對(duì)象，進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算和裝配工藝研究。軸系裝配中使用的連接是螺紋連接，裝配工藝的好壞直接體現(xiàn)在軸系預(yù)緊力散差大小。因此，提高螺紋連接的剛性及緊密性是保證裝配質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1～8]。本文通過(guò)試驗(yàn)尋找軸系各部件（如圖1所示）裝配狀態(tài)對(duì)預(yù)緊力的散差度，研究了軸承壓帽不同裝配狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)軸系軸向預(yù)緊力的影響，及不同軸向力對(duì)軸系模態(tài)的影響[9～13]。為后續(xù)優(yōu)化裝配狀態(tài)，完善工藝規(guī)程提供了可靠依據(jù)。

圖1 試驗(yàn)軸系

2 仿真分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的動(dòng)力特性，即自振頻率和模態(tài)振型。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式（1）中，、和分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。和分別是系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的位移向量和載荷向量。

ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，試驗(yàn)軸系材料屬性設(shè)置如下：EX=2.1×1011Pa，泊松比PRXY=0.28，材料密度=7850kg/m3，試驗(yàn)軸系有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型

表1 不同預(yù)緊力下軸系的前三階模態(tài)

試驗(yàn)軸系在不同軸向預(yù)緊力下前三階固有頻率見(jiàn)表1。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為75000r/min，即激勵(lì)頻率達(dá)1250Hz，由表1中不同狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)子的固有頻率遠(yuǎn)離試驗(yàn)激勵(lì)頻率。不同軸向預(yù)緊力情況下試驗(yàn)軸系的模態(tài)幾乎沒(méi)有影響，軸承壓帽的軸向預(yù)緊力對(duì)試驗(yàn)軸系固有頻率的影響可忽略不計(jì)。

由圖3和圖4可知，未帶軸向預(yù)緊力和3000N軸向預(yù)緊力時(shí)試驗(yàn)軸系前三階振型規(guī)律表現(xiàn)一致，均為彎曲模態(tài)。

圖3 未帶預(yù)緊力時(shí)前三階位移振型

圖4 預(yù)緊力為3000N時(shí)前三階位移振型

3 軸向預(yù)緊力檢測(cè)試驗(yàn)

為滿(mǎn)足軸承試驗(yàn)軸系測(cè)試需求，搭建了一套有效軸向預(yù)緊力采集系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖5。該檢測(cè)系統(tǒng)包括：應(yīng)變片傳感器、電源/控制器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（控制軟件）。該檢測(cè)系統(tǒng)利用A/D數(shù)據(jù)采集卡采集測(cè)試信號(hào)，通過(guò)采集軟件讀取并對(duì)信號(hào)數(shù)碼顯示。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)原理

在試驗(yàn)轉(zhuǎn)子靜態(tài)下，使用由應(yīng)變片配置成四分之一橋路并帶有補(bǔ)償應(yīng)變片的傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，彈性模量=2.1×1011Pa。補(bǔ)償應(yīng)變片可以消除自發(fā)熱和環(huán)境溫度的變化對(duì)橋路的影響。

利用搭建的有效預(yù)緊力檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)軸系進(jìn)行軸向預(yù)緊力的檢測(cè)。通過(guò)軸、套筒、軸承和軸承壓帽組合裝配，對(duì)軸承壓帽施加定扭矩，測(cè)量軸系應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為軸向力，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定軸承試驗(yàn)軸系預(yù)緊力的影響因素。

3.1 潤(rùn)滑條件對(duì)預(yù)緊力的影響

在生產(chǎn)加工過(guò)程中不可避免造成軸承壓帽螺紋表面粗糙度不同或者裝配過(guò)程中造成的潤(rùn)滑狀態(tài)不同。導(dǎo)致在不同潤(rùn)滑狀態(tài)下的試驗(yàn)軸系在螺紋預(yù)緊處的預(yù)緊力同一性散差比較大。

針對(duì)潤(rùn)滑條件對(duì)螺紋預(yù)緊力的影響，本試驗(yàn)選擇了一個(gè)試驗(yàn)轉(zhuǎn)子和三個(gè)軸承壓帽進(jìn)行研究，三個(gè)軸承壓帽分別標(biāo)記為1、2、3，保證其他裝配條件相同。軸承壓帽在干摩擦、涂少量脂膏擦拭干凈和涂大量脂膏不擦拭情況下，緩慢施加力矩至35N·m，連續(xù)3次校核力矩，記錄所測(cè)量應(yīng)力，再轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)下列各表所示。

最大散差計(jì)算如下：

max

從表2可知，干摩擦狀態(tài)下，校核三次后最大散差值在4%以?xún)?nèi)。從表3可知，涂抹少量脂膏并擦拭干凈，校核三次最大散差值在7%以?xún)?nèi)。從表4可知，涂抹大量脂膏不擦拭下，校核三次最大散差在9%以?xún)?nèi)。在相同的潤(rùn)滑條件下，不同軸承壓帽預(yù)緊力的最大散差各不相同，1號(hào)軸承壓帽最大，3號(hào)軸承壓帽最小。

表2 干摩擦

表3 涂少量脂膏擦拭干凈

表4 涂大量脂膏不擦拭

圖6 軸向預(yù)緊力最大散差隨潤(rùn)滑狀態(tài)的變化

如圖6所示，在不同潤(rùn)滑條件下，相同軸承壓帽預(yù)緊力的最大散差各不相同，在潤(rùn)滑脂稍多時(shí)預(yù)緊力最大散差最大，在干摩擦狀態(tài)下預(yù)緊力最大散差最小。

3.2 螺紋質(zhì)量對(duì)軸向預(yù)緊力的影響

螺紋加工過(guò)程中不可避免存在誤差，使螺紋尺寸出現(xiàn)差異。即使在相同的裝配條件下，名義尺寸相同的不同螺紋預(yù)緊力各不相同。

選取上述已標(biāo)記的三個(gè)軸承壓帽進(jìn)行本試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用TESA的表面輪廓度儀對(duì)所用三個(gè)軸承壓帽表面輪廓進(jìn)行了測(cè)量，如圖7所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7。

圖7 軸承壓帽螺紋表面輪廓度

表7 各軸承壓帽螺紋尺寸

在保證其他裝配條件相同的情況下，研究螺紋質(zhì)量對(duì)軸向預(yù)緊力的影響。試驗(yàn)測(cè)的不同軸承壓帽對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為軸向力，做出散點(diǎn)圖。如圖8所示，在施加力矩相同情況下2號(hào)軸承壓帽預(yù)緊力最大，1號(hào)次之，3號(hào)最小，說(shuō)明軸承壓帽的螺紋質(zhì)量是影響預(yù)緊力的重要因素。由于更換不同軸承壓帽造成的預(yù)緊力散差可達(dá)9.4%。

圖8 不同軸承壓帽預(yù)緊力比較

3.3 套筒周向相對(duì)位置對(duì)預(yù)緊力的影響

本試驗(yàn)研究軸系裝配過(guò)程中套筒周向角度位置是否對(duì)試驗(yàn)軸系預(yù)緊力產(chǎn)生影響。試驗(yàn)軸系上左右兩個(gè)套筒分別標(biāo)記套筒1和套筒2。套筒外圓每間隔120°進(jìn)行標(biāo)記。套筒1固定不動(dòng)，套筒2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，保證套筒1和套筒2呈現(xiàn)0°-0°；0°-120°；0°-240°。在其他裝配條件相同的條件下，測(cè)量試驗(yàn)軸系在三種情況下的預(yù)緊力，并做出散點(diǎn)圖。

在其他裝配條件相同的情況下，通過(guò)改變套筒1和套筒2角度，軸向預(yù)緊力變化較小，如圖9所示，其最大散差僅為4.6%。說(shuō)明軸向預(yù)緊力沿軸系周向傳遞過(guò)程中，套筒角度位置的變化對(duì)其影響較小。試驗(yàn)軸系在進(jìn)行組合動(dòng)平衡后沿軸向刻線(xiàn)保證軸系裝配狀態(tài)的一致性，可以減小軸向預(yù)緊力的散差，較好地保持試驗(yàn)裝配狀態(tài)的同一性。

圖9 套筒周向位置對(duì)預(yù)緊力的影響

4 靜態(tài)錘擊試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究裝配工藝對(duì)軸系固有頻率的影響，對(duì)自由支撐下的試驗(yàn)軸系進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，即使用軟繩把軸系懸吊起來(lái)，進(jìn)行敲擊。從力錘頭部的力傳感器獲得激振力信號(hào)，粘結(jié)在軸系上的加速度傳感器獲得相應(yīng)的振動(dòng)相應(yīng)，通過(guò)電荷放大器送入信號(hào)分析儀，分析儀自帶濾波器可抑制干擾信號(hào)和濾除高頻混淆信號(hào)。分析儀對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到軸系的頻響函數(shù)。

試驗(yàn)軸系進(jìn)行靜態(tài)錘擊試驗(yàn)時(shí)所得到的試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)如圖10、圖11所示。表8為錘擊試驗(yàn)和仿真計(jì)算的比對(duì)值，其一階固有頻域相對(duì)誤差僅為1.77%。由于試驗(yàn)轉(zhuǎn)速在低溫環(huán)境下的轉(zhuǎn)速達(dá)75000r/min，試驗(yàn)軸系激勵(lì)頻率為1250Hz，一階固有頻域相對(duì)于試驗(yàn)軸系激勵(lì)頻率有充分的裕度。

表8 自由支撐下模態(tài)與仿真計(jì)算對(duì)比

圖10 激勵(lì)力的時(shí)域信號(hào)

圖11 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以超高速軸承試驗(yàn)軸系為研究對(duì)象，對(duì)其在不同預(yù)緊力下的模態(tài)進(jìn)行了仿真分析和螺紋預(yù)緊的裝配工藝進(jìn)行了研究得到結(jié)論如下：

a. 不同預(yù)緊力對(duì)試驗(yàn)軸系的固有頻率影響較小，可忽略不計(jì)。

b. 仿真分析與自由狀態(tài)的錘擊試驗(yàn)相對(duì)誤差僅為1.77%，驗(yàn)證了試驗(yàn)軸系的一階固有頻率相對(duì)于激勵(lì)頻率有充分裕度。

c. 分析了裝配工藝中影響試驗(yàn)軸系預(yù)緊力的主要三種因素，為后續(xù)完善裝配工藝提供了可靠依據(jù)。

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Study on Effects of Assembly Process on Preload of Shafting of Super High Speed Test

Lian Junwei Qian Yunfang Dong Lishuang

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

In view of the abnormal vibration phenomenon of a cryogenic bearing of rocket engine at super high speed, the simulation analysis and assembly process are carried out to ensure that the shaft system works well. Through the ANSYS simulation, the influence of different preload on the natural frequency of the test shaft system is analyzed, and the natural frequency of the system is fully evaluated for the test excitation frequency by static hammering test. In order to ensure the consistency of the assembly process of the experimental shafting, the assembly process of the thread preload of the shafting is studied. A set of preload testing system is developed, and the main influencing factors of the effective preload of the single factor method are studied. The dispersion degree of the influence factors to the preload of the shafting is clarified. The research provides the basis for the further optimization of the assembly process.

shafting；preload；vibration；modal analysis；natural frequency

連軍偉（1984），工程師，機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)；研究方向：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及微納米摩擦學(xué)。

2018-03-06