一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台及试验方法

1.本发明属于静叶调节机构动力学特性测试技术领域，特别是涉及一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台及试验方法。


背景技术：

2.静叶调节机构作为压气机的关键结构，主要用于对叶片的位置和位移进行一定精度的调节和控制，在船舶、车辆、建筑等行业均有所涉及，例如轴流泵的机械式叶片调节机构、船用燃气轮机的静叶调节机构等。
3.在20世纪就已经在涡喷发动机中出现可调叶片的实际应用，随着技术的不断发展，可调叶片在军用航空发动机的机结构设计中也得到一定的应用，随后逐渐被应用于民航领域。与此同时，静叶调节机构还在车辆、机器人、建筑等行业的相关设备中应用，静叶调节机构的重要特征是通过作动系统提供动力，驱动多级传动部件联动，实现对叶片转动角度的调节。
4.以航空发动机为例，随着压气机工作时间的增加，静叶调节机构发生卡滞的现象时有发生，从而影响影响压气机性能甚至导致压气机损坏，经过研究发现，主要原因为静叶调节机构传动过程中摩擦力矩过大，并导致多级传动部件的阻滞力累加，除此之外还有工作环境变化、多级传动部件摩擦系数变劣等因素。当气动力引起的摩擦力矩导致叶片角度调节迟滞后，会严重影响叶片的调节精度。此外，虽然在叶片转轴与机匣之间安装有用于减小静子叶片转动摩擦力的衬套，但衬套表面摩擦系数会随工作时间而逐渐变劣，关节间隙会发生改变，材料表面磨损会加剧，导致叶片转动时的阻滞力矩难以避免。因此，解决静叶调节机构的卡滞问题成为了亟需解决的问题。
5.由于静叶调节机构的整体结构复杂，因此产生阻滞力的部位较多，因此故障检测与分析对于静叶调节机构的结构优化有着重要作用。目前，目前国内外对静叶调节机构的研究较多，但却缺乏完整的动力学特性模拟试验设备。
6.例如专利申请号为202120131913.2的中国专利申请，其虽然公开了一种压气机静叶调节机构，但该专利申请中的联动环关键件不能沿轴线平动，也就无法完全体现机构运动时的动力学特性。例如专利申请号为202011269167.x的中国专利申请，其虽然公开了一种考虑温度影响的静叶调节机构应力应变试验台，但专利申请只涉及温度对叶片调节精度的影响，完全没有考虑摩擦和间隙对叶片调节精度的影响。例如专利申请号为202022922630.8的中国专利申请，其虽然公开了一种轴流压缩机静叶调节机构，该专利申请中的调节缸直接与联动环相连，缺少必要的多级传动部件，也就无法对多级传动部件的摩擦和间隙对叶片调节精度的影响进行研究。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台及试验方法，能够研究静叶调节机构中摩擦和间隙等因素对叶片调节精度的影响，能
够满足在不同工况下对静叶调节机构中多级传动部件的动力学特性进行模拟，可较为准确地反映实际机械中的动力学特性影响规律，得到静叶调节机构中多级传动部件在不同磨损程度下对叶片调节精度的影响规律，从而对静叶调节机构产生卡滞原因的进行探究。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台，包括底座、内环板、外环板、叶片、叶片转角调节传动组件及电动推杆；所述外环板采用半圆环形结构，外环板开口朝下与底座上表面固定连接；在所述外环板的半侧板体上开设有载荷施加让位窗口；所述内环板采用半圆环形结构，内环板的半径小于外环板的半径，内环板开口朝下与底座上表面固定连接，且内环板位于外环板内侧且二者同轴分布；所述叶片设置在内环板与外环板之间，叶片的下端转轴通过下衬套及关节轴承与内环板相连接，叶片的顶端转轴通过上衬套及关节轴承与外环板相连接，且叶片的顶端转轴延伸出外环板；所述叶片转角调节传动组件和电动推杆均设置在载荷施加让位窗口对侧的外环板另外半侧板体上；所述电动推杆通过叶片转角调节传动组件与叶片的顶端转轴传动连接。
9.在所述外环板上固定安装有电动推杆支撑座；所述电动推杆的壳体底端与电动推杆支撑座通过关节轴承相铰接。
10.所述叶片转角调节传动组件包括第一传动杆、传动轴及传动轴支撑座；所述电动推杆的推杆顶端与第一传动杆的一端通过轴销相铰接；所述传动轴通过关节轴承连接在传动轴支撑座上，传动轴支撑座固定安装在外环板上；所述第一传动杆的另一端与传动轴固定连接。
11.所述叶片转角调节传动组件还包括第二传动杆、第三传动杆及第四传动杆；所述第二传动杆一端固定连接在传动轴上，第二传动杆另一端与第三传动杆一端通过轴销相铰接，第三传动杆另一端与第四传动杆一端通过轴销相铰接。
12.所述叶片转角调节传动组件还包括拉杆，所述拉杆一端与第四传动杆另一端通过轴销相铰接。
13.所述叶片转角调节传动组件还包括联动杆，所述联动杆采用圆弧形结构，联动杆位于外环板外侧且二者同轴分布；在所述联动杆上表面固定设置有铰耳座，所述拉杆另一端通过关节轴承与铰耳座相连接。
14.所述叶片转角调节传动组件还包括摆杆，所述摆杆一端与联动杆通过轴销相铰接，摆杆另一端与叶片的顶端转轴固定连接。
15.所述叶片数量至少为一个；当所述叶片数量为多个时，多个叶片在内环板与外环板之间沿周向均布设置，且每个叶片与联动杆之间均通过一根摆杆传动连接。
16.一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验方法，采用了所述的单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台，包括如下步骤：
17.步骤一：将选定好的叶片转角调节传动组件装配到叶片与电动推杆之间，且叶片转角调节传动组件内各个关节部件的磨损程度、粗糙度、关节间隙均已事先设定；
18.步骤二：在叶片转角调节传动组件内的各个传动杆、拉杆、联动杆及摆杆表面粘贴应变片，将应变片的数据输出端通过数据采集仪接入计算机中；
19.步骤三：启动电动推杆，电动推杆输出的驱动力通过叶片转角调节传动组件传递至叶片，用以控制叶片进行转角调节，同时通过计算机分析应力应变数据；
20.步骤四：改变叶片转角调节传动组件内各个关节部件的磨损程度、粗糙度、关节间隙的设定值，重复步骤二和步骤三，通过数据对比分析不同磨损程度、粗糙度、关节间隙下对叶片调节精度的影响规律。
21.本发明的有益效果：
22.本发明提供一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台及试验方法，试验台整体采用简化结构设计思路，将静叶调节机构的关键部位固定于单个试验台面上，而非关键部位通过简化设计，在施加载荷等外在试验条件时不会发生干涉现象，有利于实际试验研究。试验台整体基于实际压气机结构进行设计，使试验台运行时产生的实际动力学特性更具有参考价值在此基础上通过更换不同磨损程度的关节部件，可以模拟在不同寿命下静叶调节机构的动力学特性，从而较为准确地反映实际机械中的动力学特性影响规律，获得不同磨损程度下对叶片调节精度的影响规律，同时可对静叶调节机构产生卡滞原因的探究。试验台中的叶片转角调节传动组件可整体进行更换，通过改变关节部件的关节间隙，获得不同关节间隙下对叶片调节精度的影响规律，实现对理论的试验验证，同时可进一步分析主要影响叶片调节精度的关节部件。
附图说明
23.图1为本发明的一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台的结构示意图(视角一)；
24.图2为本发明的一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台的结构示意图(视角二)；
25.图3为本发明的一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台的结构示意图(视角三)；
26.图4为本发明的一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台的结构示意图(视角四)；
27.图中，1—底座，2—内环板，3—外环板，4—叶片，5—电动推杆，6—载荷施加让位窗口，7—下衬套，8—上衬套，9—电动推杆支撑座，10—第一传动杆，11—传动轴，12—传动轴支撑座，13—第二传动杆，14—第三传动杆，15—第四传动杆，16—拉杆，17—联动杆，18—铰耳座，19—摆杆。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
29.如图1～4所示，一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台，包括底座1、内环板2、外环板3、叶片4、叶片转角调节传动组件及电动推杆5；所述外环板3采用半圆环形结构，外环板3开口朝下与底座1上表面固定连接；在所述外环板3的半侧板体上开设有载荷施加让位窗口6；所述内环板2采用半圆环形结构，内环板2的半径小于外环板3的半径，内环板2开口朝下与底座1上表面固定连接，且内环板2位于外环板3内侧且二者同轴分布；所述叶片4设置在内环板2与外环板3之间，叶片4的下端转轴通过下衬套7及关节轴承与内环板2相连接，叶片4的顶端转轴通过上衬套8及关节轴承与外环板3相连接，且叶片4的顶端转轴延伸出外环板3；所述叶片转角调节传动组件和电动推杆5均设置在载荷施加让位窗口6对侧
的外环板3另外半侧板体上；所述电动推杆5通过叶片转角调节传动组件与叶片4的顶端转轴传动连接。
30.在所述外环板3上固定安装有电动推杆支撑座9；所述电动推杆5的壳体底端与电动推杆支撑座9通过关节轴承相铰接。
31.所述叶片转角调节传动组件包括第一传动杆10、传动轴11及传动轴支撑座12；所述电动推杆5的推杆顶端与第一传动杆10的一端通过轴销相铰接；所述传动轴11通过关节轴承连接在传动轴支撑座12上，传动轴支撑座12固定安装在外环板3上；所述第一传动杆10的另一端与传动轴11固定连接。
32.所述叶片转角调节传动组件还包括第二传动杆13、第三传动杆14及第四传动杆15；所述第二传动杆13一端固定连接在传动轴11上，第二传动杆13另一端与第三传动杆14一端通过轴销相铰接，第三传动杆14另一端与第四传动杆15一端通过轴销相铰接。
33.所述叶片转角调节传动组件还包括拉杆16，所述拉杆16一端与第四传动杆15另一端通过轴销相铰接。
34.所述叶片转角调节传动组件还包括联动杆17，所述联动杆17采用圆弧形结构，联动杆17位于外环板3外侧且二者同轴分布；在所述联动杆17上表面固定设置有铰耳座18，所述拉杆16另一端通过关节轴承与铰耳座18相连接。
35.所述叶片转角调节传动组件还包括摆杆19，所述摆杆19一端与联动杆17通过轴销相铰接，摆杆19另一端与叶片4的顶端转轴固定连接。
36.所述叶片4数量至少为一个；当所述叶片4数量为多个时，多个叶片4在内环板2与外环板3之间沿周向均布设置，且每个叶片4与联动杆17之间均通过一根摆杆19传动连接。
37.一种单级静叶调节机构动力学特性模拟试验方法，采用了所述的单级静叶调节机构动力学特性模拟试验台，包括如下步骤：
38.步骤一：将选定好的叶片转角调节传动组件装配到叶片4与电动推杆5之间，且叶片转角调节传动组件内各个关节部件的磨损程度、粗糙度、关节间隙均已事先设定；
39.步骤二：在叶片转角调节传动组件内的各个传动杆、拉杆16、联动杆17及摆杆19表面粘贴应变片，将应变片的数据输出端通过数据采集仪接入计算机中；
40.步骤三：启动电动推杆5，电动推杆5输出的驱动力通过叶片转角调节传动组件传递至叶片4，用以控制叶片4进行转角调节，同时通过计算机分析应力应变数据；
41.步骤四：改变叶片转角调节传动组件内各个关节部件的磨损程度、粗糙度、关节间隙的设定值，重复步骤二和步骤三，通过数据对比分析不同磨损程度、粗糙度、关节间隙下对叶片调节精度的影响规律。
42.实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。