韩 聿,王永亮,钟兢军,居振州

(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026)

叶片振动激振器支架固有特性分析与实验研究*

韩 聿,王永亮*,钟兢军,居振州

(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026)

设计了叶片受迫振动实验中悬挂激振器的支架,该支架拆装方便,能够快速调整位置。采用有限元法对支架的固有频率和模态振型进行了数值仿真,并进行了固有特性实验识别。数值仿真结果与实验结果对比表明,支架的低阶固有频率和数值分析结果基本吻合。研究结果可用于指导叶片受迫振动实验时,保证在实验过程中能够避开支架固有频率,以准确判断叶片固有特性。

支架;固有频率;有限元法;实验

0 引 言

叶片是航空发动机、汽轮机等旋转机械实现功能转化的关键部件,叶片在实际工作中会受到离心力、气流力等激励,如果叶片振动特性设计不当,可能导致转子叶片出现大振幅振动,直接影响到设备的安全运行[1-3]。因此在叶片气动设计完成后,需通过数值或实验手段获取其固有频率和振型,以确定其动态特性,并据此判断振动特性是否满足要求[4-5]。李淑静[6]从理论分析和实验研究两方面着手进行了对内燃机整机振动激振力的实验探究。当采用实验方法识别叶片固有特性时,可通过叶片自由振动或受迫振动进行实验。受迫振动实验时,利用激振器模拟其激励情况,得到不同激振频率下叶片响应特性,进而获得其固有特性。

然而受迫振动实验中,悬挂激振器的支架与叶片支撑座之间存在刚性连接,或难以完全隔振,如果激振器激励频率接近支架固有频率,将引起支架大幅振动,进而导致叶片支撑座振动,有可能引起叶片在该频率下大幅振动(非叶片固有频率),或引起叶片测振传感器大幅振动,导致叶片固有特性识别失准。因此,须对激振器支架固有特性进行识别,以保证在叶片受迫振动实验时,调整激振频率以避开激振器支架各阶固有频率,确保叶片固有特性识别的准确性。

笔者针对某叶片振动实验台,设计了一套便捷拆装、能快速调整激振器位置的支架,采用有限元法提取其固有频率和模态振型,并通过锤击法对激振器支架的固有频率进行实验识别。

1 激振器支架简介

图1为叶片振动实验台实物图,激振器支架底座通过螺栓固定在铸铁平台上,铸铁平台底部用木质结构隔振,坐落在实验室地面上。

图1 铸铁平台及激振器支架

根据以往的实验经验,激振器在实验过程中由于自身体积较大且空间受限会导致安装不便,本文设计的激振器支架方便拆装,可快速调整位置高度,安装时可以通过滑轨机构上下调节其钢钩高度,从而改变激振器的高度,激振器下方顶杆和叶片之间会留出部分间隙,再通过调节滑轨机构来降低钢钩高度,使激振器高度下降,从而达到顶杆与叶片表面的接触。

该激振器支架各部分通过螺栓连接,拆卸便捷。激振器通过顶杆与叶片相连,并通过可升降钢钩悬挂到支架上。激振器支架底座为280 mm×100 mm×19 mm的长方体,距两侧29 mm处钻孔,孔内径为22 mm,通过螺栓螺母紧固在铸铁平台上。竖直方向为两根空心圆管,左侧圆管外径为50.8 mm,孔径为39.4 mm,右侧圆管外径为48 mm,孔径为40.1 mm,高度均为630 mm。圆管上方3 mm处安置厚度为4 mm的角钢,角钢通过螺栓穿过孔与圆管连接。实验台尺寸标注如图2所示,数据如表1所示。

图2 激振器支架结构图

表1 激振器支架尺寸数据 /mm

2 有限元数值仿真与分析

应用Ansys软件对激振器支架进行有限元建模和分析,获取其各阶模态振型。激振器支架的材料为钢材,弹性模量为2.1×105MPa,泊松比为0.3,密度为7.85×103kg/m3。整个模型全部采用六面体网格,网格单元数为299 710,其模型如图3所示。

图3 激振器支架有限元模型

激振器自身重力施加到激振器支架的钢钩处,大小为173 N,方向竖直向下。因此在数值仿真过程中对激振器支架进行预应力下模态数值仿真。由于在叶片受迫振动实验中,只验证激振力频率在0～500 Hz范围内的叶片振型,因此,本文只分析支架在500 Hz以内的固有特性。

在有限元分析过程中需要定义支架底座的固定约束,因为实验过程中两个底座用螺栓固定在平台上,平台与激振器支架底座的接触应定义为面接触。因为即使只有螺栓连接,底部其余部分面也在螺栓预应力作用下与铸铁平台紧密贴合。约束条件及预应力设定如图4所示。数值模态分析结果如表2所列,如图5所示。

图4 边界条件设定

对于数值计算结果,用X,Y,Z三维坐标系组构成模型的空间自由度。如一阶模态计算结果为Y方向一阶弯曲,即激振器支架底部不动,随Y轴方向前后摇摆,如图5(a)所示。

表2 数值模态分析结果

图5 前六阶数值模态分析结果

3 实验及结果分析

本文采用的实验设备包括力锤,速度传感器,位移传感器和数据采集处理设备。其中速度传感器型号为CD-21T,使用方向为垂直方向,灵敏度为200 mV/cm·s-1,尺寸为 Φ33×70。数据采集仪为INV1618实验仪,采样通道为2通道,采样频率为1 024～4 096 Hz。

实验过程中使用速度传感器和位移传感器对激振器支架进行多点识别测量,用力锤敲击不同激振点,采集仪进行采样分析,采集仪设置的采样频率均为2 048 Hz。记录不同激振点所得到的支架固有频率值,比较激励不同点所得到的不同固有频率值,并且分析其产生的原因。

以数值模态分析结果为依据进行实验模态分析。由数值模态分析结果可知,第1阶振型为Y方向一阶弯曲,第2阶振型为X方向一阶弯曲,第4阶振型为Y方向一阶扭转,第5阶振型为Z方向伸长。将传感器布置在X和Y两个方向。位移传感器测量柱体X和Y方向响应,速度传感器测量角钢X,Y,Z三个方向的响应信号及柱体Y,X两个方向的响应信号。

由于第一阶模态振型为Y方向一阶弯曲,因此将速度传感器和位移传感器布置在Y方向,测点布置方式如图6所示。用力锤敲击激振器支架,敲击方向为Y方向,采集到频率值为51.9 Hz和83.9 Hz。第二阶数值模态结果为X向一阶弯曲,如图7方式布置传感器。力锤敲击X方向,采集到的频率值为63.9 Hz。

因为第三阶为局部弯曲,难以通过实验方式测量出来。第五阶数值模态结果为Z向伸长,传感器布置方式如图8所示。力锤敲击Z向。对比实验模态结果和数值模态结果,如表3所示。

图6 敲击Y方向传感器布置方式

图7 敲击X方向传感器布置方式

图8 敲击Z方向布置传感器方式

表3 测量和预测频率

通过实验结果分析得出,第一阶数值模态和实验模态误差为2.8%,数值结果与测量数据基本相符,第四阶模态结果为Y方向一阶扭转,误差为12.7%,第五阶模态结果为Z方向伸长,误差为10.9%。

第二阶模态实验和数值计算结果偏差较大,数值结果中支架为X方向一阶弯曲,因为在建模时将圆管和上方角钢连接处定义为焊接,而真实模型为螺栓螺母紧固连接,实际振型受摩擦力影响,刚度自然小于焊接,因此产生较大偏差。

分析误差产生的原因,主要有以下几点:①建模时对实体模型结构简化,例如螺栓,螺母的质量没有考虑;②支架材料和数值模拟的材料设定值在密度,泊松比等方面存在偏差;③传感器安装位置及传感器附加质量。但是传感器附加质量可以忽略不计,因为用位移传感器采集X和Y方向的固有频率时和采用速度传感器采集时得到的值相同。

4 结 论

(1)设计了叶片受迫振动实验中悬挂激振器的支架,该支架具有便捷拆装、能快速调整激振器位置的优点。

(2)对激振器支架进行数值模态计算和固有频率测量,应用数值计算结果为固有频率测量提供依据。按照数值计算结果的响应方向布置传感器,将实验测得的固有频率值与数值计算结果比较,分析误差。

(3)在固有频率点或者固有频率范围内会产生较大幅值的位移,因此在实验过程中要尽量避开激振器支架的固有频率范围。如第一阶固有频率53.371 Hz的一定范围。

[1]JKubiak,G Urquiza,JGarcia,F Sierra.Failure analysis of steam turbine last stage blade tenon and shroud[J].Engineering Failure Analysis,2007,14:1476-1487.

[2]LWitek.Crack propagation analysis ofmechanically damaged compressor blades subjected to high cycle fatigue[J].Engineering Failure Analysis,2011,18(4):1223-1232.

[3]LWitek.Crack growth simulation in the compressor blade subjected to vibration using boundary element method[J].Key Engineering Materials,2014(598):261-268.

[4]袁海峰.叶轮叶片振动模态分析与实验研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[5]A Rama Rao,B K Dutta.Vibration analysis for detecting failure of compressor blade[J].Engineering Failure Analysis,2012(25):211 -218.

[6]李淑静.内燃机整机振动激振力实验识别技术研究[D].成都:西南交通大学,2013.

Natural Characteristic Analysis and Experimental Study on the Bracket of Blade Vibration Exciter

HAN Yu,WANG Yong-liang,Zhong Jing-jun,JU Zhen-zhou
(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning 116026,China)

The bracketsuspended exciter,which is convenient for dismounting and adjusting,is designed based on experiment of blade forced vibration in this paper.Numerical simulation of natural frequency and modal shape of bracket is conducted through finite elementmethod,and experimental identification of natural characteristics is also conducted.The comparison between results of numerical simulation and experiment shows that the results of low order natural frequency almost tally with numerical analysis of bracket.The result can be used for guiding the experiment of blade forced vibration and avoiding the natural frequency of bracket in the experiment of blade forced vibration in order to accurately judge the natural characteristics of blade.

bracket;natural frequency;finite elementmethod;experiment

TH113.1

A

1007-4414(2015)06-0017-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.007

2015-09-12

中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号:3132015026)

韩 聿(1991-),男,吉林长春人,硕士,主要从事机械强度振动方向的研究。

王永亮(1983-),甘肃庆阳人,博士,主要从事转子动力学与结构强度分析工作。