葉片振動(dòng)激振器支架固有特性分析與實(shí)驗(yàn)研究*

韓 聿,王永亮,鐘兢軍,居振州

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

葉片振動(dòng)激振器支架固有特性分析與實(shí)驗(yàn)研究*

韓 聿,王永亮*,鐘兢軍,居振州

(大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

設(shè)計(jì)了葉片受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中懸掛激振器的支架,該支架拆裝方便,能夠快速調(diào)整位置。采用有限元法對(duì)支架的固有頻率和模態(tài)振型進(jìn)行了數(shù)值仿真,并進(jìn)行了固有特性實(shí)驗(yàn)識(shí)別。數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,支架的低階固有頻率和數(shù)值分析結(jié)果基本吻合。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)葉片受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí),保證在實(shí)驗(yàn)過程中能夠避開支架固有頻率,以準(zhǔn)確判斷葉片固有特性。

支架;固有頻率;有限元法;實(shí)驗(yàn)

0 引 言

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件,葉片在實(shí)際工作中會(huì)受到離心力、氣流力等激勵(lì),如果葉片振動(dòng)特性設(shè)計(jì)不當(dāng),可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)大振幅振動(dòng),直接影響到設(shè)備的安全運(yùn)行[1-3]。因此在葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)完成后,需通過數(shù)值或?qū)嶒?yàn)手段獲取其固有頻率和振型,以確定其動(dòng)態(tài)特性,并據(jù)此判斷振動(dòng)特性是否滿足要求[4-5]。李淑靜[6]從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫嬷诌M(jìn)行了對(duì)內(nèi)燃機(jī)整機(jī)振動(dòng)激振力的實(shí)驗(yàn)探究。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)方法識(shí)別葉片固有特性時(shí),可通過葉片自由振動(dòng)或受迫振動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí),利用激振器模擬其激勵(lì)情況,得到不同激振頻率下葉片響應(yīng)特性,進(jìn)而獲得其固有特性。

然而受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,懸掛激振器的支架與葉片支撐座之間存在剛性連接,或難以完全隔振,如果激振器激勵(lì)頻率接近支架固有頻率,將引起支架大幅振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致葉片支撐座振動(dòng),有可能引起葉片在該頻率下大幅振動(dòng)(非葉片固有頻率),或引起葉片測(cè)振傳感器大幅振動(dòng),導(dǎo)致葉片固有特性識(shí)別失準(zhǔn)。因此,須對(duì)激振器支架固有特性進(jìn)行識(shí)別,以保證在葉片受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)整激振頻率以避開激振器支架各階固有頻率,確保葉片固有特性識(shí)別的準(zhǔn)確性。

筆者針對(duì)某葉片振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)了一套便捷拆裝、能快速調(diào)整激振器位置的支架,采用有限元法提取其固有頻率和模態(tài)振型,并通過錘擊法對(duì)激振器支架的固有頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)識(shí)別。

1 激振器支架簡(jiǎn)介

圖1為葉片振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖,激振器支架底座通過螺栓固定在鑄鐵平臺(tái)上,鑄鐵平臺(tái)底部用木質(zhì)結(jié)構(gòu)隔振,坐落在實(shí)驗(yàn)室地面上。

圖1 鑄鐵平臺(tái)及激振器支架

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),激振器在實(shí)驗(yàn)過程中由于自身體積較大且空間受限會(huì)導(dǎo)致安裝不便,本文設(shè)計(jì)的激振器支架方便拆裝,可快速調(diào)整位置高度,安裝時(shí)可以通過滑軌機(jī)構(gòu)上下調(diào)節(jié)其鋼鉤高度,從而改變激振器的高度,激振器下方頂桿和葉片之間會(huì)留出部分間隙,再通過調(diào)節(jié)滑軌機(jī)構(gòu)來降低鋼鉤高度,使激振器高度下降,從而達(dá)到頂桿與葉片表面的接觸。

該激振器支架各部分通過螺栓連接,拆卸便捷。激振器通過頂桿與葉片相連,并通過可升降鋼鉤懸掛到支架上。激振器支架底座為280 mm×100 mm×19 mm的長(zhǎng)方體,距兩側(cè)29 mm處鉆孔,孔內(nèi)徑為22 mm,通過螺栓螺母緊固在鑄鐵平臺(tái)上。豎直方向?yàn)閮筛招膱A管,左側(cè)圓管外徑為50.8 mm,孔徑為39.4 mm,右側(cè)圓管外徑為48 mm,孔徑為40.1 mm,高度均為630 mm。圓管上方3 mm處安置厚度為4 mm的角鋼,角鋼通過螺栓穿過孔與圓管連接。實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸標(biāo)注如圖2所示,數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 激振器支架結(jié)構(gòu)圖

表1 激振器支架尺寸數(shù)據(jù) /mm

2 有限元數(shù)值仿真與分析

應(yīng)用Ansys軟件對(duì)激振器支架進(jìn)行有限元建模和分析,獲取其各階模態(tài)振型。激振器支架的材料為鋼材,彈性模量為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3。整個(gè)模型全部采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格單元數(shù)為299 710,其模型如圖3所示。

圖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鋼鉤處,大小為173 N,方向豎直向下。因此在數(shù)值仿真過程中對(duì)激振器支架進(jìn)行預(yù)應(yīng)力下模態(tài)數(shù)值仿真。由于在葉片受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,只驗(yàn)證激振力頻率在0～500 Hz范圍內(nèi)的葉片振型,因此,本文只分析支架在500 Hz以內(nèi)的固有特性。

在有限元分析過程中需要定義支架底座的固定約束,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中兩個(gè)底座用螺栓固定在平臺(tái)上,平臺(tái)與激振器支架底座的接觸應(yīng)定義為面接觸。因?yàn)榧词怪挥新菟ㄟB接,底部其余部分面也在螺栓預(yù)應(yīng)力作用下與鑄鐵平臺(tái)緊密貼合。約束條件及預(yù)應(yīng)力設(shè)定如圖4所示。數(shù)值模態(tài)分析結(jié)果如表2所列,如圖5所示。

圖4 邊界條件設(shè)定

對(duì)于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,用X,Y,Z三維坐標(biāo)系組構(gòu)成模型的空間自由度。如一階模態(tài)計(jì)算結(jié)果為Y方向一階彎曲,即激振器支架底部不動(dòng),隨Y軸方向前后搖擺,如圖5(a)所示。

表2 數(shù)值模態(tài)分析結(jié)果

圖5 前六階數(shù)值模態(tài)分析結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括力錘,速度傳感器,位移傳感器和數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。其中速度傳感器型號(hào)為CD-21T,使用方向?yàn)榇怪狈较?靈敏度為200 mV/cm·s-1,尺寸為 Φ33×70。數(shù)據(jù)采集儀為INV1618實(shí)驗(yàn)儀,采樣通道為2通道,采樣頻率為1 024～4 096 Hz。

實(shí)驗(yàn)過程中使用速度傳感器和位移傳感器對(duì)激振器支架進(jìn)行多點(diǎn)識(shí)別測(cè)量,用力錘敲擊不同激振點(diǎn),采集儀進(jìn)行采樣分析,采集儀設(shè)置的采樣頻率均為2 048 Hz。記錄不同激振點(diǎn)所得到的支架固有頻率值,比較激勵(lì)不同點(diǎn)所得到的不同固有頻率值,并且分析其產(chǎn)生的原因。

以數(shù)值模態(tài)分析結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。由數(shù)值模態(tài)分析結(jié)果可知,第1階振型為Y方向一階彎曲,第2階振型為X方向一階彎曲,第4階振型為Y方向一階扭轉(zhuǎn),第5階振型為Z方向伸長(zhǎng)。將傳感器布置在X和Y兩個(gè)方向。位移傳感器測(cè)量柱體X和Y方向響應(yīng),速度傳感器測(cè)量角鋼X,Y,Z三個(gè)方向的響應(yīng)信號(hào)及柱體Y,X兩個(gè)方向的響應(yīng)信號(hào)。

由于第一階模態(tài)振型為Y方向一階彎曲,因此將速度傳感器和位移傳感器布置在Y方向,測(cè)點(diǎn)布置方式如圖6所示。用力錘敲擊激振器支架,敲擊方向?yàn)閅方向,采集到頻率值為51.9 Hz和83.9 Hz。第二階數(shù)值模態(tài)結(jié)果為X向一階彎曲,如圖7方式布置傳感器。力錘敲擊X方向,采集到的頻率值為63.9 Hz。

因?yàn)榈谌A為局部彎曲,難以通過實(shí)驗(yàn)方式測(cè)量出來。第五階數(shù)值模態(tài)結(jié)果為Z向伸長(zhǎng),傳感器布置方式如圖8所示。力錘敲擊Z向。對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果和數(shù)值模態(tài)結(jié)果,如表3所示。

圖6 敲擊Y方向傳感器布置方式

圖7 敲擊X方向傳感器布置方式

圖8 敲擊Z方向布置傳感器方式

表3 測(cè)量和預(yù)測(cè)頻率

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出,第一階數(shù)值模態(tài)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)誤差為2.8%,數(shù)值結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)基本相符,第四階模態(tài)結(jié)果為Y方向一階扭轉(zhuǎn),誤差為12.7%,第五階模態(tài)結(jié)果為Z方向伸長(zhǎng),誤差為10.9%。

第二階模態(tài)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏差較大,數(shù)值結(jié)果中支架為X方向一階彎曲,因?yàn)樵诮r(shí)將圓管和上方角鋼連接處定義為焊接,而真實(shí)模型為螺栓螺母緊固連接,實(shí)際振型受摩擦力影響,剛度自然小于焊接,因此產(chǎn)生較大偏差。

分析誤差產(chǎn)生的原因,主要有以下幾點(diǎn):①建模時(shí)對(duì)實(shí)體模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,例如螺栓,螺母的質(zhì)量沒有考慮;②支架材料和數(shù)值模擬的材料設(shè)定值在密度,泊松比等方面存在偏差;③傳感器安裝位置及傳感器附加質(zhì)量。但是傳感器附加質(zhì)量可以忽略不計(jì),因?yàn)橛梦灰苽鞲衅鞑杉疿和Y方向的固有頻率時(shí)和采用速度傳感器采集時(shí)得到的值相同。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了葉片受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中懸掛激振器的支架,該支架具有便捷拆裝、能快速調(diào)整激振器位置的優(yōu)點(diǎn)。

(2)對(duì)激振器支架進(jìn)行數(shù)值模態(tài)計(jì)算和固有頻率測(cè)量,應(yīng)用數(shù)值計(jì)算結(jié)果為固有頻率測(cè)量提供依據(jù)。按照數(shù)值計(jì)算結(jié)果的響應(yīng)方向布置傳感器,將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的固有頻率值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較,分析誤差。

(3)在固有頻率點(diǎn)或者固有頻率范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大幅值的位移,因此在實(shí)驗(yàn)過程中要盡量避開激振器支架的固有頻率范圍。如第一階固有頻率53.371 Hz的一定范圍。

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[4]袁海峰.葉輪葉片振動(dòng)模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

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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

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(編號(hào):3132015026)

韓 聿(1991-),男,吉林長(zhǎng)春人,碩士,主要從事機(jī)械強(qiáng)度振動(dòng)方向的研究。

王永亮(1983-),甘肅慶陽人,博士,主要從事轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工作。