专利名称：带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械振动测试仪器领域，尤其涉及一种测试带冠叶片振动性能的 实验系统。
背景技术：
涡轮机械中的叶片是实现能量转换的关键部分，叶片也会受到周期性激振力的作 用而产生振动响应和动应力，从而导致叶片的振动疲劳损坏，据相关资料表明，叶片振动故 障占动力机械故障的30%多，因此，降低叶片共振动应力，提高叶片的安全可靠性就显得愈 加重要。由于带冠叶片的气动特性和减振特性都明显优于拉筋和凸肩叶片，目前，采用带冠 结构叶片已成为发展趋势。带冠阻尼结构的减振机理主要有摩擦阻尼减振和碰撞阻尼减振两种进行摩擦阻 尼减振时，叶片扭转恢复作用在叶冠接触面相互挤压产生接触正压力，叶冠接触面相互滑 动消耗能量达到减振的目的；进行碰撞阻尼减振时，叶冠与叶冠间存在一定间隙(即冠间 间隙)，依靠冠间碰撞的方式消耗能量达到减振目的。由于叶冠与叶冠之间碰撞或摩擦运动 的非线性特性，再加上带冠叶片在汽流激振力作用下产生的振动特性本就十分复杂，使得 目前理论和数值方法很难准确预测带冠叶片的振动响应及阻尼减振效果；而进行有限元模 拟仿真又耗时太多，且在对实体模型的分析参数设置和迭代过程中需要简化处理，易受计 算机容量和计算效率的影响，通常很难涉及到稳态振动。因此，进行带冠叶片阻尼减振的实 验研究成为探讨带冠叶片阻尼减振机理的十分重要手段，可为带冠叶片的阻尼结构优化设 计提供十分重要的指导。从已发表的大量文献来看，人们带冠叶片的干摩擦阻尼的特性已经有了较深刻的 认识和理解，在接触面摩擦力的建模及受摩擦约束叶片的响应分析方面取得了较大的进 展。目前，对带冠叶片摩擦减振实验的研究较少，这方面的实验研究也还只限于两叶片之 间的摩擦运动规律的探讨；且尚没有建立一种有效的比较符合工程实际需要的接触碰撞模 型。同时，对这两种阻尼减振方式的减振效果的对比还尚未开展。对于具体什么长度的叶片 宜采用哪种减振方式才能取得最好的减振效果，以及如何进行带冠叶片阻尼的优化设计， 尚缺乏成熟的理论指导。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本实用 新型提供一种结构简单、成本低廉、适用范围广、测试精度高、可同时用来进行带冠叶片碰 撞振动和摩擦振动动力响应测试的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统。为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案—种带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于包括实验台、信号激励 单元以及信号测试单元，所述实验台包括底座以及固定于底座上的加载装置和用于夹持两 块以上带冠叶片的夹具，所述加载装置包括加载用叶冠，所述加载用叶冠与带冠叶片顶部的叶冠平行并在加载时接触，所述信号激励单元与一块带冠叶片相连并对该带冠叶片施加 激振力，所述信号测试单元与其余未被激振的带冠叶片相连。作为本实用新型的进一步改进所述加载用叶冠固定于一环状加载圆盘上，所述环状加载圆盘通过台架固定于支 架上，所述支架固定于底座上且支架上沿着带冠叶片的长度方向开设有长方孔，所述台架 套设于长方孔内。所述底座上开设有用于调节所述带冠叶片长度的调位孔。所述相邻带冠叶片之间设有厚调距块，所述带冠叶片与夹具之间设有薄调距块。所述信号激励单元包括信号发生器、功率放大器以及激振器，所述信号发生器的 输出端与所述功率放大器的输入端相连，所述功率放大器的输出端与所述激振器相连，所 述激振器与带冠叶片相连。所述功率放大器的监视端口设有示波器。所述信号测试单元包括传感器、信号分析仪以及计算机，所述传感器与未被激振 的带冠叶片相连，所述传感器的输出端与所述信号分析仪相连，所述信号分析仪与所述计 算机相连。所述带冠叶片为等截面直叶片、等截面扭叶片、变截面直叶片或变截面扭叶片，所 述带冠叶片的叶冠为平行四边形叶冠或Z型叶冠。与现有技术相比，本实用新型的优点在于1、本实用新型的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，结构简单、成本低廉，可 同时进行带冠叶片的碰撞阻尼减振实验和摩擦阻尼减振实验，分析相关结构参数对阻尼减 振的影响规律，所得的实验结果及分析对改进或建立带冠叶片阻尼振动(摩擦或碰撞)动 力学模型、指导带冠叶片阻尼结构的优化设计具有非常重要的应用价值。2、本实用新型的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，针对以碰撞减振为主的 松散型叶冠相邻的叶冠间存在间隙，可通过改变夹具间调距块的厚度来改变冠间间隙；针 对摩擦减振为主的紧配型叶冠，工作时在离心力作用下带冠叶片产生扭转恢复力，使相邻 的叶冠接触面相互压紧产生接触正压力；且通过加载圆盘来给叶冠接触面施加所需要的接 触正压力，能够实现测试在不同带冠叶片长度、不同叶冠形式、不同叶冠接触角、不同冠间 间隙、不同初始正压力、不同叶冠接触角度和不同激振力下，带冠叶片发生碰撞振动或摩擦 振动时的切向弯曲振动动力响应；然后通过实验数据获得带冠叶片振动的幅频曲线，进而 分析这些系统结构参数对碰撞减振或摩擦减振效果的影响规律，对带冠叶片的减振性能进 行评价。3、本实用新型的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，通过信号激励单元向受 激振的带冠叶片施加初始正压力，并通过信号测试单元测试和分析带冠叶片的振动性能， 具有测试精度高的优点。4、本实用新型的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，可以适用于各种结构、 各种型号的带冠叶片及其叶冠，其适用范围十分广。

图1是本实用新型实施例的框架结构示意图；[0022]图2是本实用新型实施例实验系统的立体结构示意图；图3是本实用新型实施例中实验台的俯视结构示意图；图4是本实用新型实施例中压力加载方式和正压力的转换关系示意图；图5是本实用新型实施例中带冠叶片在激振力为6. 25N、不同冠间间隙时的幅频 响应曲线示意图；图6是本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0. 5mm、不同激振力频率下的 加速度时域波形和功率谱示意图；其中(a)为本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0.5mm、激振力频率为 30Hz时的加速度时域波形示意图；(b)为本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0. 5mm、激振力频率为30Hz时 的功率谱示意图；(c)为本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0. 5mm、激振力频率为36. 87Hz 时的加速度时域波形示意图；(d)为本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0. 5mm、激振力频率为36. 87Hz 时的功率谱示意图；(e)为本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0. 5mm、激振力频率为40Hz时 的加速度时域波形示意图；(f)为本实用新型实施例的带冠叶片在冠间间隙为0. 5mm、激振力频率为40Hz时 的功率谱示意图；图7是本实用新型实施例的带冠叶片在不同初始正压力下时的幅频响应曲线示 意图。图例说明1、实验台；101、底座；102、支架；1021、台架；103、夹具；104、调位孔；105、带冠叶 片；1051、加载用叶冠；106、长方孔；21、厚调距块；22、薄调距块；3、加载圆盘；4、信号发生 器；5、功率放大器；6、示波器；7、激振器；8、传感器；9、信号分析仪；10、计算机。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。如图1、图2所示，本实用新型的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，包括实 验台1、信号激励单元以及信号测试单元，实验台1包括底座101以及固定于底座101上的 加载装置和用于夹持两块以上带冠叶片105的夹具103，加载装置包括加载用叶冠1051，加 载用叶冠1051与带冠叶片105顶部的叶冠平行并在加载时接触，信号激励单元与一块带冠 叶片105相连并对该带冠叶片105施加激振力，信号测试单元与其余未被激振的带冠叶片 105相连。本实施例中，加载用叶冠1051固定于一环状加载圆盘3上，环状加载圆盘3通过 台架1021固定于支架102上，支架102固定于底座101上且支架102上沿着带冠叶片105 的长度方向开设有长方孔106，台架1021套设于长方孔106内；可以通过加载装置在其上 的加载用叶冠1051接触面上施加所需求的初始正压力，从而实现测试不同初始正压力条 件下带冠叶片105的摩擦振动动力响应。[0039]底座101上开设有用于调节带冠叶片105长度的调位孔104。可以通过带冠叶片 105深入调位孔104中的深度调节带冠叶片105的长度，从而实现测试不同长度的带冠叶片 105的碰撞振动动力响应。相邻带冠叶片105之间设有厚调距块21，带冠叶片105与夹具103之间设有薄调 距块22。在进行碰撞振动实验时，可以通过更换不同厚度的薄调距块22调整叶冠之间的间 隙即冠间间隙，从而实现测试带冠叶片105在不同冠间间隙时的碰撞振动动力响应。信号激励单元包括信号发生器4、功率放大器5以及激振器7，信号发生器4的输 出端与功率放大器5的输入端相连，功率放大器5的输出端与激振器7相连，激振器7通过 顶杆固定在一个带冠叶片105上。调节信号发生器4可调节频率大小，功率放大器5调节 激振力大小使带冠叶片105发生振动的力，可以实现测试带冠叶片105在不同激振力大小、 在不同激振力频率下的摩擦振动动力响应。信号测试单元包括传感器8、信号分析仪9以及计算机10，传感器8与与未被激振 的带冠叶片105相连，传感器8的输出端与信号分析仪9相连，信号分析仪9与计算机10相 连。可通过传感器8获取实验数据，从而通过信号分析仪9和计算机10分析得到带冠叶片 105振动的幅频曲线，分析不同参数对碰撞减振或摩擦减振效果的影响规律，最终对带冠叶 片105的减振性能进行评价。功率放大器5的监视端口设有示波器6。测试时，可以通过读取示波器6上的电压 信号换算获得相应的激振力大小。带冠叶片105为等截面直叶片、等截面扭叶片、变截面直叶片或变截面扭叶片，带 冠叶片105的叶冠为平行四边形叶冠或Z型叶冠。通过更换不同形式的叶冠和具有不同冠 间接触角(接触面与弯曲振动方向的夹角)的叶冠，可以测试不同叶冠形式、不同叶冠接触 角的带冠叶片105在各种条件下的碰撞振动动力响应和摩擦振动动力响应。采用本实施例的带冠叶片105阻尼减振动力响应的实验系统，对长400mm、带Z型 冠间接触角30°叶冠的带冠叶片105，分别进行碰撞振动实验和摩擦振动实验。1、碰撞振动实验(1)安装带冠叶片如图3所示，首先选取三块具有30°冠间接触角的ζ型叶冠， 并分别将两块叶冠紧固在2个长400mm平板叶片顶端，将一块叶冠装设在实验台1的加载 圆盘3上作为加载用叶冠1051 ；然后将带冠叶片105装入调位孔104中，并保持其叶冠与 加载用叶冠1051顶面在同一水平面上。在两带冠叶片105根部添加厚调距块21 (厚铁块) 和薄调距块22(薄铁块)调节冠间间隙，然后用夹具103将带冠叶片105根部紧固在实验 台1的底座101上，用游标卡尺测量出叶冠间的具体冠间间隙值。(2)连接系统在实验时，先将激振器7的顶杆用螺母与带冠叶片105固定，将传 感器8用双面胶固定在带冠叶片105顶部(在每次实验时都需保证传感器8贴在同一位 置)，然后按图1所示连接好实验系统。本次实验中，信号发生器4采用YB1602型函数信 号发生器4，产生所需的简谐信号；功率放大器5采用GF-20W功率放大器5，接收到简谐信 号后输出到JZ-2型电磁激振器7，其监测接口接到YB43020BF型示波器6，传感器8采用 PV-901加速度传感器，信号分析仪9采用SA-78FFT分析仪。(3)响应测试通过调整信号发生器4信号强度和功率放大器5增益按钮来保证 激振力在测试频率范围内为一定值，读出此时示波器6上的电压信号即可获得相应的激振力大小(由于功率放大器5上的功率与激振器7的激振力大小成线性关系，因此可通过功 率放大器5上的电压信号转换获得激振力大小)；然后在该激振力作用下调节信号发生器 4的频率控制激振力的频率输出。为研究碰撞振动的稳态响应，对每一个激振频率，在200 个振动周期后(FFT信号分析仪9上计数)，在信号分析仪9的时域图上读取其振动幅值，在 FFT幅频谱上读取器碰撞振动信号成分的主要频率及其幅值。将信号分析仪9上的振动信 号的数据保存到数据存贮卡上，即可在计算机10上进行数据读取以及分析。通过上面的测试，分析得到长400mm，冠间接触角为30°的ζ型带冠叶片105，在 激振力大小为6. 25Ν作用下，不同冠间间隙时的幅频响应曲线(幅值-频率响应曲线)如 图5所示；在冠间间隙为0. 5mm时的不同激振力频率下的加速度时域波形和功率谱图如图 6中(a) (f)所示。改变带冠叶片105的长度，更换不同冠间接触角的叶冠，重复进行上述步骤，可以 在不同激振力作用下对带冠叶片105碰撞振动响应进行测试。2、摩擦振动实验(1)安装带冠叶片首先选取三块具有30°冠间接触角的ζ型叶冠，并分别将两块 叶冠紧固在2个长400mm平板叶片顶端，将一块叶冠装设在实验台1的加载圆盘3上作为加 载用叶冠1051 ；然后将加载用叶冠1051和带冠叶片105上的冠间接触面调成平行且相互 接触，再在两带冠叶片105间与夹具103间加装厚调距块21 (厚铁块)和薄调距块22 (薄 铁块)，然后用夹具103将带冠叶片105根部紧固在实验台1底座101上。(2)连接系统步骤同碰撞减振实验的步骤相同。(3)施加接触面正压力如图4所示，首先根据冠间接触角度、需要的接触面正压 力、F作用力位置和冠间接触面位置通过公式换算出需要在加载盘上施加的作用力大小F， 转换关系式为
Γ π 入丁 FLN =-
I cosa其中，F是施加在加载盘上的作用力，N为冠间接触面上的作用力，α为冠间接触 接触角，设F和N对围带和加载盘系统产生的扭转力臂分别为L和Icos α，根据上式测得相 关参数后确定不同的初始正压力。(需说明的是，实际加在叶冠接触面上的正压力应减去加 载圆盘3与支架102上的摩擦力，但对于本实验台1来说，实验时用纱布将加载圆盘3与支 架102上的台架1021的接触面尽量打磨光滑，尽量减小摩擦力并使其变化不是很大，因而 忽略其作用对分析带冠叶片105振动特性没有太大的影响)。然后在加载圆盘3的螺栓悬 挂重物或用拉力计直接施加大小为换算结果的作用力，等作用力值稳定后将加载圆盘3固 定在支架102上，以保证测试过程中接触面初始正压力不变。(4)响应测试步骤与碰撞减振实验的步骤相同。通过上面的测试，分析得到如图7所示的，长400mm，冠间接触角为30°的ζ型带 冠叶片105，在激振力为6. 25Ν、不同初始正压力时的幅频响应曲线。改变带冠叶片105的 长度，更换不同冠间接触角的叶冠，重复进行上述步骤，可以在不同激振力作用下对带冠叶 片105摩擦振动响应进行测试。由上述实验结果分析可知(1)当带冠叶片105间发生接触碰撞时，由于冠间接触碰撞的非线性影响，带冠叶片105振动响应出现了不同于激振力频率的频谱成分，且随着激振力频率的变化，出现了 倍频、分频，且随着激振力频率的增加甚至出现了多频频带的混沌现象，具有典型的非线性 特征。(2)存在接触碰撞阻尼的带冠叶片105的振幅要比单叶片的振幅小得多，最大振 幅可降低至原来的0. 35倍左右，说明带冠叶片105冠间间的接触碰撞具有良好的阻尼减振 效果，存在着一个最合适的冠间间隙(或区间)使得碰撞减振效果达到最佳。(3)存在接触摩擦阻尼的带冠叶片105最大振幅可降低至单叶片的0. 4倍左右，说 明带冠叶片105冠间间的接触摩擦具有良好的阻尼减振效果，同时，随着初始正压力增加， 带冠叶片105峰值频率开始向右偏移，摩擦阻尼减振具有良好的调频作用，存在着最佳的 初始正压力，使得干摩擦阻尼对带冠叶片105振动能量的消耗达到最大。这些实验结果证明了本实用新型的带冠叶片阻尼减振实验系统可用于研究和解 决带冠叶片105的接触碰撞减振和摩擦减振的问题。其还可以用于机械振动方面的教学实 验。以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述 实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰， 应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于包括实验台(1)、信号激励单元以及信号测试单元，所述实验台(1)包括底座(101)以及固定于底座(101)上的加载装置和用于夹持两块以上带冠叶片(105)的夹具(103)，所述加载装置包括加载用叶冠(1051)，所述加载用叶冠(1051)与带冠叶片(105)顶部的叶冠平行并在加载时接触，所述信号激励单元与一块带冠叶片(105)相连并对该带冠叶片(105)施加激振力，所述信号测试单元与其余未被激振的带冠叶片(105)相连。
2.根据权利要求1所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于所述 加载用叶冠(1051)固定于一环状加载圆盘(3)上，所述环状加载圆盘(3)通过台架(1021) 固定于支架(102)上，所述支架(102)固定于底座(101)上且支架(102)上沿着带冠叶片 (105)的长度方向开设有长方孔(106)，所述台架(1021)套设于长方孔(106)内。
3.根据权利要求1或2所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于 所述底座(101)上开设有用于调节所述带冠叶片(105)长度的调位孔(104)。
4.根据权利要求1或2所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于 所述相邻带冠叶片(105)之间设有厚调距块(21)，所述带冠叶片(105)与夹具(103)之间 设有薄调距块(22)。
5.根据权利要求1或2所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于 所述信号激励单元包括信号发生器(4)、功率放大器(5)以及激振器(7)，所述信号发生器 ⑷的输出端与所述功率放大器(5)的输入端相连，所述功率放大器(5)的输出端与所述激 振器(7)相连，所述激振器(7)与带冠叶片(105)相连。
6.根据权利要求5所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于所述 功率放大器(5)的监视端口设有示波器(6)。
7.根据权利要求1或2所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于 所述信号测试单元包括传感器(8)、信号分析仪(9)以及计算机(10)，所述传感器(8)与未 被激振的带冠叶片(105)相连，所述传感器(8)的输出端与所述信号分析仪(9)相连，所述 信号分析仪(9)与所述计算机(10)相连。
8.根据权利要求1或2所述的带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，其特征在于 所述带冠叶片(105)为等截面直叶片、或等截面扭叶片、或变截面直叶片、或变截面扭叶 片，所述带冠叶片(105)的叶冠为平行四边形叶冠或Z型叶冠。
专利摘要本实用新型公开了一种带冠叶片阻尼减振动力响应的实验系统，包括实验台、信号激励单元以及信号测试单元，实验台包括底座以及固定于底座上的加载装置和用于夹持两块以上带冠叶片的夹具，加载装置包括加载用叶冠，加载用叶冠与带冠叶片顶部的叶冠平行并在加载时接触，信号激励单元与一块带冠叶片相连并对该带冠叶片施加激振力，信号测试单元与其余未被激振的带冠叶片相连。本实用新型具有结构简单、成本低廉、适用范围广、测试精度高，可同时用来进行带冠叶片碰撞振动和摩擦振动动力响应测试等优点。
文档编号G01M7/02GK201697772SQ20102024128
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者刘正强, 卢绪祥, 晋风华, 李录平, 李海波, 饶洪德 申请人:长沙理工大学