[发明专利]基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置

说明书

本发明提出了基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置，转子装配体在精密回转台上表面，激光超声探测仪的信号输出端和PIN硅光电二极管的信号输出端均通过数据采集卡与计算机的信号输入端连接，计算机的信号输出端分别与Nd:YAG激光器的信号输入端、激光超声探测仪信号输入端和精密回转台的信号输入端连接，Nd:YAG激光器、分光镜、透镜和PIN硅光电二极管设置于转子装配体上法兰上方，激光超声探测仪设置于转子装配体下法兰下方，Nd:YAG激光器、透镜和激光超声探测仪始终处于同一轴线上。本发明能避免使用传统超声波方法中必需的液体耦合剂，激光超声激发和接收在瞬间完成，能实现结合面接触应力的快速、实时测量。

技术领域

本发明涉及基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置，属于测量技术领域。

背景技术

航空发动机或燃气轮机等大型高速回转装备，由于技术复杂，研制难度大等特点，加上欧美技术封锁，已成为我国高端装备制造领域中的卡脖子问题。航空发动机或燃气轮机等大型高速回转装备由多级转子装配而成，转子之间相互接触的表面称为结合面。这些在微观上是粗糙的接触面使系统不再具有连续性。航空发动机或燃气轮机系统的力学性质不但与转子零件本身有关，还与转子之间的连接性质有关，结合面的存在使得航空发动机或燃气轮机系统性能的分析和预测变得复杂。各级转子之间的装配质量对航空发动机或燃气轮机的性能具有非常大的影响。在装配过程中，转子连接界面若存在接触应力的不均匀性，将使航空发动机或燃气轮机在高速状态下产生的变形量存在不均匀性，转子的不平衡量就存在较大的变化，最终导致航空发动机或燃气轮机在工作时产生振动。涡扇航空发动机90％以上的故障源于振动，这就是我国航空发动机工作几百小时就要大修的根源之一。所以，迫切要求精密测量发动机转子的结合面接触应力，只有测量精密，才能装配的精准。

目前接触应力的测量主要是通过在转子接触界面设置压敏薄膜或者涂抹红丹粉，通过观察装配后压敏薄膜或者红丹粉的变化来判断接触情况，进而推算出接触应力，此类方法改变了界面的接触状态，不能反映真实的接触情况，影响测量结果。超声波方法可以在不改变工件的接触状态的情况下实现对结合面接触特性的无损测量，利用超声探头对结合面进行扫描可以直接得到名义接触面积，因而国内外学者对超声测量方法开展了广泛研究。传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，超声波在穿越禪合剂时需要一定的渡越时间，并且会产生干扰谐波，给测量带来不稳定的因素，并且耦合剂的使用会对增加额外的工作量，导致测量效率低，更严重的是会对航空发动机或燃气轮机表面造成一定的腐蚀和伤害，因而在实际应用中传统的超声波法受到了一定的限制。

发明内容

本发明提出基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置，其目的是为了解决大型高速回转装备结合面接触应力难以直接测量、传统的超声波法测量效率低且会对被测件表面造成腐蚀等问题，实现大型高速回转装备转子结合面接触应力的直接、高效率和高精度测量。

基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置，所述测量装置包括：Nd:YAG激光器、分光镜、透镜、转子装配体、激光超声探测仪、PIN硅光电二极管、数据采集卡、计算机和精密回转台，所述转子装配体坐落于所述精密回转台上表面，所述激光超声探测仪的信号输出端和PIN硅光电二极管的信号输出端均通过所述数据采集卡与计算机的信号输入端连接，所述计算机的信号输出端分别与所述Nd:YAG激光器的信号输入端、激光超声探测仪的信号输入端和精密回转台的信号输入端连接，所述Nd:YAG激光器、分光镜、透镜和PIN硅光电二极管设置于转子装配体的上法兰的上方，所述激光超声探测仪设置于转子装配体的下法兰的下方，所述Nd:YAG激光器、透镜和激光超声探测仪始终处于同一轴线上。

进一步的，所述Nd:YAG激光器，用于按照所述计算机的命令发射脉冲激光；

所述分光镜，用于将Nd:YAG激光器发射出的脉冲激光分成两束；

所述透镜，用于聚焦其中一束脉冲激光至所述转子装配体的连接法兰表面；