基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置

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；

所述转子装配体，用于借助计算机通过超声波穿过法兰之间的结合面时的反射信号的能量计算转子装配体法兰结合面的接触应力，进而对转子装配体的装配质量进行评定并采取相应措施提高装配质量。

所述激光超声探测仪，用于接收转子装配体表面的超声波，并将超声波信号转换为电信号传输给数据采集卡；

所述PIN硅光电二极管，用于接收另外一束脉冲激光，并将另外一束脉冲激光转换为电信号传输给数据采集卡；

所述数据采集卡，用于将由所述激光超声探测仪和PIN硅光电二极管发出的电信号转换为数字信号并发送数字信号至所述计算机；

所述计算机，用于控制所述Nd:YAG激光器发出脉冲激光、激光超声探测仪发出连续激光和控制所述精密回转台回转，并对数字信号进行保存、数据处理和实时显示；

所述精密回转台，用于接收所述计算机的指令进行转动。

进一步的，所述计算机，用于控制所述Nd:YAG激光器发出激光的时间、脉冲能量以及激光发射频率。

进一步的，所述计算机，用于控制所述精密回转台的转动角度与速度。

本发明具有以下有益效果：

(1)采用Nd:YAG激光器和激光超声探测仪分别实现超声法的激励和接收，实现结合面接触应力的非接触式无损测量，能够避免使用传统超声波方法中所必需的液体耦合剂，因此消除了耦合剂对被测件的腐蚀和污染，同时激光超声的激发和接收均在瞬间完成，能够实现快速、实时测量，具有较强的抗干扰能力。

(2)采用精密回转台带动转子装配体转动实现多点扫描测量，自动化程度高，有利于提高测量效率。

(3)激光束可被聚焦成非常小的点，因此能够提高大型高速回转装备结合面接触应力测量的空间分辨率。

附图说明

图1为本发明的基于波能耗散原理的大型高速回转装备结合面接触应力测量装置的结构示意图。

其中，1为Nd:YAG激光器、2为分光镜、3为透镜、4为转子装配体、5为激光超声探测仪、6为PIN硅光电二极管、7为数据采集卡、8为计算机、9为精密回转台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置，测量装置包括：Nd:YAG激光器1、分光镜2、透镜3、转子装配体4、激光超声探测仪5、PIN硅光电二极管6、数据采集卡7、计算机8和精密回转台9，转子装配体4坐落于精密回转台9上表面，激光超声探测仪5的信号输出端和PIN硅光电二极管6的信号输出端均通过数据采集卡7与计算机8的信号输入端连接，计算机8的信号输出端分别与Nd:YAG激光器1的信号输入端、激光超声探测仪5的信号输入端和精密回转台9的信号输入端连接，Nd:YAG激光器1、分光镜2、透镜3和PIN硅光电二极管6设置于转子装配体4的上法兰的上方，激光超声探测仪5设置于转子装配体4的下法兰的下方，Nd:YAG激光器1、透镜3和激光超声探测仪5始终处于同一轴线上。

在本部分优选实施例中，Nd:YAG激光器1，用于按照计算机8的命令发射脉冲激光；

分光镜2，用于将Nd:YAG激光器1发射出的脉冲激光分成两束；

透镜3，用于聚焦其中一束脉冲激光至转子装配体4的连接法兰表面；

转子装配体4，用于借助计算机8通过超声波穿过法兰之间的结合面时的反射信号的能量计算转子装配体4法兰结合面的接触应力，进而对转子装配体4的装配质量进行评定并采取相应措施提高装配质量。

激光超声探测仪5，用于接收转子装配体4表面的超声波，并将超声波信号转换为电信号传输给数据采集卡7；

PIN硅光电二极管6，用于接收另外一束脉冲激光，并将另外一束脉冲激光转换为电信号传输给数据采集卡7；

数据采集卡7，用于将由激光超声探测仪5和PIN硅光电二极管6发出的电信号转换为数字信号并发送数字信号至计算机8；

计算机8，用于控制Nd:YAG激光器1发出脉冲激光、激光超声探测仪5发出连续激光和控制精密回转台9回转，并对数字信号进行保存、数据处理和实时显示；

精密回转台9，用于接收计算机8的指令进行转动。

在本部分优选实施例中，计算机8，用于控制Nd:YAG激光器1发出激光的时间、脉冲能量以及激光发射频率。

在本部分优选实施例中，计算机8，用于控制精密回转台9的转动角度与速度。

应用于上述基于激光超声的大型高速回转装备接触应力测量装置，本实施例还提出了基于波能耗散原理的大型高速回转装备结合面接触应力测量方法的一实施例，测量方法包括以下步骤：

步骤一、调整Nd:YAG激光器1、分光镜2和透镜3的位置及姿态，使Nd:YAG激光器1发射的脉冲激光通过分光镜2和透镜3照射在转子装配体4的连接法兰表面；

步骤二、调整PIN硅光电二极管6的位置及姿态，使其能够接收到来自分光镜2的脉冲激光；

步骤三、调整激光超声探测仪5的位置及姿态，使激光超声探测仪5与Nd:YAG激光器1和透镜3处于同一轴线上；

步骤四、将转子装配体4置于精密回转台9上，调整转子装配体4的位置，使转子装配体4的回转轴线与精密回转台9保持一致，调整完成后采用夹具将转子装配体4固定在精密回转台9上；

步骤五、计算机8发送指令使Nd:YAG激光器1发射脉冲激光，脉冲激光被分光镜2分成两束，其中一束入射到PIN硅光电二极管6后转换为电信号传输至数据采集卡7，作为超声信号的采集触发，另一束经过透镜3后聚焦到转子装配体4的上法兰的上表面并在上法兰内部激发出超声波，超声波在上法兰内部传播并穿过上法兰与下法兰的结合面到达下法兰下表面，到达下法兰下表面的超声波信号由激光超声探测仪5接收并传输至数据采集卡7，数据采集卡7将超声波信号转换为数字信号后传输至计算机8进行保存、数据处理和实时显示，第一个点的超声波信号V

步骤六、选定一个方向，计算机8控制精密回转台9向选定方向调整角度，转动完成后重复步骤五，完成第二个点的超声波信号V

步骤七、重复执行步骤六，直至转子装配体4回转一周，完成该回转半径上超声信号V

步骤八，将Nd:YAG激光器1、分光镜2、透镜3、激光超声探测仪5、PIN硅光电二极管6在保持原有姿态和相互之间相对位置不变的前提下整体平移，使其对应转子装配体4的另一回转半径；

步骤九，重复步骤六至步骤八，直至完成转子装配体4法兰所有回转半径上所有点的超声信号的获取；

步骤十，根据超声波信号V

在本部分优选实施例中，所述信号的能量值E为离散时间域[t

其中，V为激光超声探测仪接收的超声波信号，f

在本部分优选实施例中，在步骤十中，所述能量值E

E

其中，C为实验标定得出的超声信号能量值E

本发明所述的大型高速回转装备以对象为例就是如航空发动机或燃气轮机，具体限定为被测件尺寸高度大于3m，直径大于1.5m，转速大于1.5万转每分钟的回转装备。