[發明專利]基于激光超聲的大型高速回轉裝備接觸應力測量裝置

在審

• 申請號: 201911412063.7
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN113125061A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 劉永猛;劉恩曉;王曉明;譚久彬;孫傳智
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25;G01M15/00;G01M15/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明提出了基于激光超聲的大型高速回轉裝備接觸應力測量裝置，轉子裝配體在精密回轉臺上表面，激光超聲探測儀的信號輸出端和PIN硅光電二極管的信號輸出端均通過數據采集卡與計算機的信號輸入端連接，計算機的信號輸出端分別與Nd:YAG激光器的信號輸入端、激光超聲探測儀信號輸入端和精密回轉臺的信號輸入端連接，Nd:YAG激光器、分光鏡、透鏡和PIN硅光電二極管設置于轉子裝配體上法蘭上方，激光超聲探測儀設置于轉子裝配體下法蘭下方，Nd:YAG激光器、透鏡和激光超聲探測儀始終處于同一軸線上。本發明能避免使用傳統超聲波方法中必需的液體耦合劑，激光超聲激發和接收在瞬間完成，能實現結合面接觸應力的快速、實時測量。

技術領域

本發明涉及基于激光超聲的大型高速回轉裝備接觸應力測量裝置，屬于測量技術領域。

背景技術

航空發動機或燃氣輪機等大型高速回轉裝備，由于技術復雜，研制難度大等特點，加上歐美技術封鎖，已成為我國高端裝備制造領域中的卡脖子問題。航空發動機或燃氣輪機等大型高速回轉裝備由多級轉子裝配而成，轉子之間相互接觸的表面稱為結合面。這些在微觀上是粗糙的接觸面使系統不再具有連續性。航空發動機或燃氣輪機系統的力學性質不但與轉子零件本身有關，還與轉子之間的連接性質有關，結合面的存在使得航空發動機或燃氣輪機系統性能的分析和預測變得復雜。各級轉子之間的裝配質量對航空發動機或燃氣輪機的性能具有非常大的影響。在裝配過程中，轉子連接界面若存在接觸應力的不均勻性，將使航空發動機或燃氣輪機在高速狀態下產生的變形量存在不均勻性，轉子的不平衡量就存在較大的變化，最終導致航空發動機或燃氣輪機在工作時產生振動。渦扇航空發動機90％以上的故障源于振動，這就是我國航空發動機工作幾百小時就要大修的根源之一。所以，迫切要求精密測量發動機轉子的結合面接觸應力，只有測量精密，才能裝配的精準。

目前接觸應力的測量主要是通過在轉子接觸界面設置壓敏薄膜或者涂抹紅丹粉，通過觀察裝配后壓敏薄膜或者紅丹粉的變化來判斷接觸情況，進而推算出接觸應力，此類方法改變了界面的接觸狀態，不能反映真實的接觸情況，影響測量結果。超聲波方法可以在不改變工件的接觸狀態的情況下實現對結合面接觸特性的無損測量，利用超聲探頭對結合面進行掃描可以直接得到名義接觸面積，因而國內外學者對超聲測量方法開展了廣泛研究。傳統的超聲技術多采用接觸式換能器，為保證有高的靈敏度和可靠性，通常還應使用各種超聲耦合劑，超聲波在穿越禪合劑時需要一定的渡越時間，并且會產生干擾諧波，給測量帶來不穩定的因素，并且耦合劑的使用會對增加額外的工作量，導致測量效率低，更嚴重的是會對航空發動機或燃氣輪機表面造成一定的腐蝕和傷害，因而在實際應用中傳統的超聲波法受到了一定的限制。

發明內容

本發明提出基于激光超聲的大型高速回轉裝備接觸應力測量裝置，其目的是為了解決大型高速回轉裝備結合面接觸應力難以直接測量、傳統的超聲波法測量效率低且會對被測件表面造成腐蝕等問題，實現大型高速回轉裝備轉子結合面接觸應力的直接、高效率和高精度測量。

基于激光超聲的大型高速回轉裝備接觸應力測量裝置，所述測量裝置包括：Nd:YAG激光器、分光鏡、透鏡、轉子裝配體、激光超聲探測儀、PIN硅光電二極管、數據采集卡、計算機和精密回轉臺，所述轉子裝配體坐落于所述精密回轉臺上表面，所述激光超聲探測儀的信號輸出端和PIN硅光電二極管的信號輸出端均通過所述數據采集卡與計算機的信號輸入端連接，所述計算機的信號輸出端分別與所述Nd:YAG激光器的信號輸入端、激光超聲探測儀的信號輸入端和精密回轉臺的信號輸入端連接，所述Nd:YAG激光器、分光鏡、透鏡和PIN硅光電二極管設置于轉子裝配體的上法蘭的上方，所述激光超聲探測儀設置于轉子裝配體的下法蘭的下方，所述Nd:YAG激光器、透鏡和激光超聲探測儀始終處于同一軸線上。

進一步的，所述Nd:YAG激光器，用于按照所述計算機的命令發射脈沖激光；

所述分光鏡，用于將Nd:YAG激光器發射出的脈沖激光分成兩束；

所述透鏡，用于聚焦其中一束脈沖激光至所述轉子裝配體的連接法蘭表面；