本技术涉及实验设备，具体而言，涉及一种具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置及方法。
背景技术：
1、重型燃气轮机是高效清洁的大型发电设备，在能源电力行业中起着极为重要的作用。而转子作为重型燃气轮机核心的旋转部件，其结构动力学特性往往关系着燃气轮机的设计制造、振动控制以及安全运行与维护。目前，重型燃气轮机转子的结构以可拆卸盘鼓式为主，即通过轴向拉伸的拉杆将各级轮盘压紧组装而成，依靠轮盘之间的接触界面来传递力和扭矩。具体的，拉杆转子可以分为中心拉杆转子和周向拉杆转子两种形式。中心拉杆转子的典型结构包括前后轴头、压气机轮盘、透平轮盘、端面齿、预紧螺栓、以及贯穿整根转子的中心拉杆等。其中，端面齿的作用不仅是可靠的传递扭矩，还能够进行自动对中，即使转子部件径向膨胀量不同时，也可以保证所有轮盘的同心度。若中心拉杆的预紧力由于温度发生了变化，轮盘之间可以相互滑动，从而使转子的轴对称性不受影响。中心拉杆转子具有非连续性的特点，包含大量的端面齿连接结构，其与周向拉杆转子中常见的平面接触存在显著区别，因此，需要针对端面齿及中心拉杆转子特性进行更为深入的研究。
2、然而，现有技术中的拉杆转子实验台虽采用了不同形式的转子结构，但仍存在以下缺点：一、主要研究对象是周向拉杆转子，缺少对中心拉杆转子的研究；二、同时具有中心拉杆和端面齿连接结构的转子试验件较少，且转子结构形式与实际转子差距较大；三、转子动态试验系统的功能简单，难以准确模拟和评估不同故障工况对中心拉杆转子动力学特性产生的影响。
技术实现思路
1、本技术提供一种具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置及方法，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
2、具体的技术方案如下：
3、第一方面，本技术实施例提供了一种具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，所述中心拉杆转子试验装置包括：
4、试验台，所述试验台包括底座、第一基座和第二基座，所述第一基座和所述第二基座沿第一方向依次排设于所述底座上，且所述第一基座与所述底座之间设置有周向旋转机构和纵向水平移动机构，所述周向旋转机构用于实现所述第一基座在所述底座上的水平转动，所述纵向水平移动机构用于实现所述第一基座在所述底座上沿第二方向的水平移动；
5、试验电机，所述试验电机安装于所述第一基座上；
6、前轴承机构，设置于所述第二基座靠近所述第一基座的第一端；
7、后轴承机构，设置于所述第二基座远离所述第一基座的第二端；
8、中心拉杆转子，所述中心拉杆转子包括中心轴线重合设置的中心拉杆、多级压气机轮盘、多级透平轮盘、前轴头、中间轴以及后轴头，每级所述压气机轮盘和每级所述透平轮盘的圆周方向上均设置有多个等距离分布的螺纹孔，多级所述压气机轮盘、所述中间轴、多级所述透平轮盘、所述后轴头依次套设于所述中心拉杆上，所述中心拉杆的第一端依次穿设所述后轴头、多级所述透平轮盘、所述中间轴、多级所述压气机轮盘，并与所述前轴头之间螺纹连接，所述中心拉杆与所述后轴头之间通过压紧螺栓进行固定，所述前轴头、多级所述压气机轮盘、所述中间轴、多级所述透平轮盘和所述后轴头相邻两两之间均通过平面端齿连接结构相连，并通过所述中心拉杆的预紧力进行固定，所述前轴头安装于所述前轴承机构上，所述后轴头安装于所述后轴承机构上；
9、离合器，所述离合器通过第一固定支架设置于所述底座上，且所述第一固定支架位于所述第一基座与所述第二基座之间，所述离合器的两端分别与所述试验电机的输出轴、所述前轴头相连；
10、刹车制动器，所述刹车制动器通过第二固定支架设置于所述底座上，且在第三方向上，所述刹车制动器位于所述第二基座与其中一级所述压气机轮盘之间，用于所述压气机轮盘的制动；
11、碰磨机构，所述碰磨机构通过第三固定支架设置于所述第二固定支架上，当模拟所述中心拉杆转子的碰磨故障工况时，所述碰磨机构的尼龙棒与其中一级所述压气机轮盘的圆周表面抵接设置；
12、键相器，所述键相器设置于所述中心拉杆远离所述后轴头的第二端处，用于采集所述中心拉杆转子的键相信号；
13、电涡流位移传感器，在所述第二方向上，所述前轴头和所述后轴头上分别设置有一个所述电涡流位移传感器，用于采集所述中心拉杆转子在所述第二方向上的振动位移信号，在所述第三方向上，所述前轴头和所述后轴头上分别设置有一个所述电涡流位移传感器，用于采集所述中心拉杆转子在所述第三方向上的振动位移信号；
14、振动加速度传感器，所述前轴承机构和所述后轴承机构上分别磁吸有一个所述振动加速度传感器，用于采集所述中心拉杆转子的振动加速度信号；
15、试验数据分析系统，用于通过数据采集卡获取所述中心拉杆转子的键相信号、所述中心拉杆转子在所述第二方向和所述第三方向上的振动位移信号，以及所述中心拉杆转子的振动加速度信号，并根据所述键相信号、所述振动位移信号和所述振动加速度信号，对所述中心拉杆转子进行工况识别和故障诊断；
16、其中，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两相互垂直。
17、在本技术的一些实施例中，所述纵向水平移动机构包括：
18、第一安装座，所述第一安装座固定安装在所述底座上，所述第一安装座远离所述底座的第一端面上设置有至少一个直线滑轨，且所述直线滑轨沿所述第二方向延伸设置；
19、第二安装座，所述第二安装座设置于所述第一安装座上，且所述第二安装座靠近所述第一安装座的第一端面相对应设置有至少一个直线滑槽，通过所述直线滑轨滑设于所述直线滑槽内，所述第二安装座与所述第一安装座之间直线滑动连接；
20、水平移动气缸，所述水平移动气缸安装于所述底座上，且所述水平移动气缸的活塞杆与所述第二安装座沿所述第二方向的第一侧面相连接。
21、在本技术的一些实施例中，所述第二安装座远离所述第一安装座的第二端面上设置有至少一个弧形滑槽，所述弧形滑槽的中心线沿所述第一方向延伸；
22、所述周向旋转机构包括：
23、第三安装座，所述第三安装座设置于所述第二安装座上，所述第三安装座靠近所述第二安装座的第一端面相对应设置有至少一个弧形滑轨，通过所述弧形滑轨滑设于所述弧形滑槽内，所述第三安装座与所述第二安装座之间弧线滑动连接，所述第一基座设置于所述第三安装座远离所述第二安装座的第二端面上，且所述第三安装座沿所述第一方向远离所述第二基座的第一侧面上设置有齿轨；
24、安装支架，所述安装支架固定设置于所述第二安装座的第二侧面上，其中，所述第二安装座的第二侧面为所述第二安装座沿所述第一方向远离所述第二基座的侧面；
25、旋转电机，所述旋转电机设置于所述安装支架上，且所述旋转电机的输出轴沿所述第三方向延伸设置；
26、齿轮，与所述旋转电机的输出轴相连，且所述齿轮与所述齿轨相啮合。
27、在本技术的一些实施例中，所述前轴承机构包括：
28、第一轴承座支架，所述第一轴承座支架安装于所述第二基座的第一端上；
29、第一轴承座，所述第一轴承座安装于所述第一轴承座支架上；
30、第一滚动轴承，所述第一滚动轴承设置于所述第一轴承座上，且所述第一滚动轴承的内圈与所述前轴头远离所述压气机轮盘的一端过盈配合。
31、在本技术的一些实施例中，所述后轴承机构包括：
32、第二轴承座支架，所述第二轴承座支架安装于所述第二基座的第二端上；
33、第二轴承座，所述第二轴承座安装于所述第二轴承座支架上；
34、第二滚动轴承，所述第二滚动轴承设置于所述第二轴承座上，且所述第二滚动轴承的内圈与所述后轴头远离所述透平轮盘的一端过盈配合，所述第二滚动轴承的中心轴线与所述第一滚动轴承的中心轴线重合。
35、在本技术的一些实施例中，所述第三固定支架上设置有安装孔，所述安装孔贯穿所述第三固定支架的相对两侧，且沿所述第二方向延伸设置；
36、所述碰磨机构包括：
37、所述尼龙棒，设置于所述安装孔靠近所述压气机轮盘的第一端；
38、内六角顶丝，设置于所述安装孔远离所述压气机轮盘的第二端；
39、弹簧，所述弹簧设置于所述安装孔内，且所述弹簧的两端分别与所述尼龙棒、所述内六角顶丝相抵接；
40、垫片，所述垫片设置于所述弹簧与所述尼龙棒之间。
41、在本技术的一些实施例中，所述键相器包括：
42、键相器标记，所述键相器标记为圆环柱结构，且所述键相器标记的外侧表面上设置有键相槽，所述键相槽用于标记所述键相器的检测起始位置；
43、键相传感器，所述键相传感器通过第四固定支架设置于所述第二基座上，且所述键相传感器朝向所述键相器标记的外侧表面设置，用于检测所述中心拉杆转子的键相位。
44、在本技术的一些实施例中，所述第二基座的第一端和第二端分别设置有一个第五固定支架，每个所述第五固定支架均包括：
45、两个第一支撑部，所述第一支撑部为l形结构，在所述第二方向上，两个所述第一支撑部分别位于所述中心拉杆转子的两侧，且所述第一支撑部的水平段通过安装螺栓固定安装在所述第二基座上，至少其中一个所述第一支撑部的竖直段上设置有第一固定孔，所述第一固定孔沿所述第二方向延伸贯穿设置，且朝向所述前轴头或所述后轴头；
46、第二支撑部，所述第二支撑部的两端分别与两个所述第一支撑部的竖直段相连，所述第二支撑部上设置有第二固定孔，所述第二固定孔沿所述第三方向延伸贯穿设置，且朝向所述前轴头或所述后轴头；
47、其中，每个所述第五固定支架的所述第一固定孔和所述第二固定孔内分别设置有一个所述电涡流位移传感器，设置于所述第一固定孔内的所述电涡流位移传感器用于采集所述中心拉杆转子在所述第二方向上的振动位移信号，设置于所述第二固定孔内的所述电涡流位移传感器用于采集所述中心拉杆转子在所述第三方向上的振动位移信号。
48、在本技术的一些实施例中，所述第二基座呈中心对称设置，所述第二基座包括：
49、两个安装部，所述安装部为矩形板结构，两个所述安装部沿所述第一方向依次设置，其中，靠近所述第一基座的一个所述安装部为所述第二基座的第一端，远离所述第一基座的一个所述安装部为所述第二基座的第二端；
50、两个连接部，所述连接部为沿所述第一方向延伸设置的长条结构，每个所述连接部的两端分别与两个所述安装部相连，且两个所述连接部之间的距离小于所述安装部连接所述连接部一边的边长；
51、其中，两个所述连接部与两个所述安装部之间为一体成型连接。
52、第二方面，本技术实施例提供了一种具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验方法，应用于第一方面所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，所述中心拉杆转子试验方法包括：
53、通过在压气机轮盘和/或透平轮盘上的螺纹孔内设置配重螺栓，模拟中心拉杆转子的不平衡故障，并通过改变所述配重螺栓的设置个数、设置位置以及重量，实现所述中心拉杆转子在不同不平衡工况下的不平衡故障模拟；
54、通过控制旋转电机带动齿轮转动，由于所述齿轮与第三安装座的齿轨啮合，所述齿轮带动所述第三安装座及其上的第一基座和试验电机旋转，使所述试验电机的输出轴的中心轴线与所述中心拉杆转子的中心轴线之间呈现一定角度的偏差，和/或，通过控制水平移动气缸推动第二安装座沿第二方向移动，进而带动设置于所述第二安装座上的所述第三安装座、所述第一基座和所述试验电机移动，使所述试验电机的输出轴的中心轴线相对于所述中心拉杆转子的中心轴线产生平行偏移，模拟所述中心拉杆转子的不对中故障，并通过改变所述旋转电机的旋转角度和/或所述水平移动气缸的活塞杆伸出长度，实现所述中心拉杆转子在不同不对中工况下的不对中故障模拟；
55、通过设定内六角顶丝的位置，使尼龙棒与所述中心拉杆转子的其中一个所述压气机轮盘始终相抵接，模拟所述中心拉杆转子的碰磨故障，并通过调整所述内六角顶丝的设定位置调控弹簧的压缩程度，进而调节所述尼龙棒的碰磨力度大小，实现所述中心拉杆转子在不同碰磨工况下的碰磨故障模拟；
56、通过控制刹车制动器的运行，提供瞬时制动力，模拟所述中心拉杆转子在紧急制动或故障急停时的瞬态冲击响应特性；
57、通过将第一轴承座或第二轴承座的固定螺栓完全松开，模拟所述中心拉杆转子的轴承座松动故障；
58、通过减小所述中心拉杆转子的中心拉杆安装时液压拉伸器所设置的预紧力大小，模拟所述中心拉杆转子的拉杆松动故障；其中，所述液压拉伸器所设置的预紧力大小在预设安全阈值范围内；
59、通过在两个所述压气机轮盘和/或两个所述透平轮盘的啮合齿面之间设置预设厚度的铁片，模拟所述中心拉杆转子的端面齿接触异常故障。
60、本技术实施例的创新点包括但不限于以下几点：
61、1、在本实施例中，作为试验件的中心拉杆转子采用一根中心拉杆预紧的结构形式，且前后轴头、中间轴与各级轮盘之间均采用平面端齿连接结构，是本技术实施例的创新点之一，在保留实际燃机中心拉杆转子典型结构特征的基础上，对转子结构尺寸进行了缩比和模化，保证了主要的动力学参数在实验室可测试的合理范围内。
62、2、在本实施例中，中心拉杆转子中各级轮盘端面齿的啮合半径一致，是本技术实施例的创新点之一，可以通过调换不同级数轮盘的安装顺序，来控制转子的端面跳动值在合理范围内，使得该中心拉杆转子试验件的装配灵活性更好。
63、3、在本实施例中，每级压气机轮盘和每级透平轮盘的圆周方向上均设置有多个等距离分布的螺纹孔，是本技术实施例的创新点之一，通过在所有轮盘的圆周方向上布置螺纹孔，可在轮盘上添加配重螺栓，从而方便该中心拉杆转子试验装置进行各种转子不平衡工况的模拟实验。
64、4、在本实施例中，前轴承机构和后轴承机构采用滚动轴承，是本技术实施例的创新点之一，实际转子使用可倾瓦轴承，只能单端布置双向止推面，而本技术使用滚动轴承，且试验台的整体尺寸小，并处于常温环境中，故可采用两端布置的方式，且间隙小，对中性好。
65、5、在本实施例中，试验电机和中心拉杆转子分别通过第一基座和第二基座安装在底座上，是本技术实施例的创新点之一，前轴承机构和后轴承机构均安装在第二基座上，一体化设计，使得在中心拉杆转子的安装过程中无需进行两个轴承座之间的对中，更便于实验固定安装，且试验电机和中心拉杆转子分别设置在两个独立的基座上，有利于调节试验电机的输出轴的中心轴线，使其与中心拉杆转子的中心轴线产生一定偏差，有利于实现中心拉杆转子的不对中故障模拟。
66、6、在本实施例中，试验电机和中心拉杆转子之间设置有离合器，是本技术实施例的创新点之一，在中心拉杆转子达到指定转速后断开离合，可完全排除试验电机转子对试验件转子动力学特性的影响。
67、7、在本实施例中，在中心拉杆转子中的轮盘下布置夹块式的刹车制动器，是本技术实施例的创新点之一，可以提供瞬时制动力，从而测试紧急制动或故障急停时的影响和特性。
68、本技术实施例的有益效果如下：
69、作为试验件的中心拉杆转子采用一根中心拉杆预紧的结构形式，减少了安装的复杂度，同时，前后轴头、中间轴与各级轮盘之间均采用平面端齿连接结构，可根据试验需求进行自由装配，增加了灵活性，且该试验装置可实现转子不平衡、不对中、轴承座松动、碰磨等故障模拟实验。
1.一种具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述中心拉杆转子试验装置包括：
2.根据权利要求1所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述纵向水平移动机构包括：
3.根据权利要求2所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述第二安装座远离所述第一安装座的第二端面上设置有至少一个弧形滑槽，所述弧形滑槽的中心线沿所述第一方向延伸；
4.根据权利要求1所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述前轴承机构包括：
5.根据权利要求4所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述后轴承机构包括：
6.根据权利要求1所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述第三固定支架上设置有安装孔，所述安装孔贯穿所述第三固定支架的相对两侧，且沿所述第二方向延伸设置；
7.根据权利要求1所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述键相器包括：
8.根据权利要求1所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述第二基座的第一端和第二端分别设置有一个第五固定支架，每个所述第五固定支架均包括：
9.根据权利要求1所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，其特征在于，所述第二基座呈中心对称设置，所述第二基座包括：
10.一种具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验方法，其特征在于，应用于权利要求1–9任意一项所述的具有多工况故障模拟功能的中心拉杆转子试验装置，所述中心拉杆转子试验方法包括：
