一、为什么采用挠性悬挂系统

旋转试验台专门用于高速旋转机械上各种高速旋转零件的超速试验、爆裂试验、低周疲劳试验和超速预应力处理等。世界上转速越高的机器，其零件越需要进行这种超速旋转试验，旋转试验台的转速要超过这些机器，是世界上转速最高的设备。为了实现高转速，旋转主轴的设计就比较讲究，是其核心技术所在。

早期的旋转试验台有卧式主轴的，也有将主驱动系统布置在试验舱下面的立式主轴的，随着试验转速的不断提高和试验任务越来越复杂，也随着试验台自身技术的逐步发展，近年来国内外用于零件强度与寿命试验的高速旋转试验台都是将驱动系统布置在试验舱上面，而主轴系统采用立式挠性悬挂轴设计，如图1。上驱动布置方式在使用及维护等方面有许多优点，无需赘述，核心特点是挠性主轴系统。

图1 立式挠性悬挂轴设计

为什么要采用挠性轴呢，简单的回答就是为了避免转子上的不平衡产生的巨大的离心动载荷施加到机器上，从而产生剧烈的振动，影响试验顺利进行，也影响机器的正常运转和寿命。采用挠性轴会遇到临界转速使得振动增大怎么办？配置阻尼器来抑制过临界转速时的振动放大效应就可以了。

这种设计理念在工程实际中应用非常普遍，最典型的如飞机发动机。假设涡轮发动机高压转子重100kg，工作转速20000r/min，在半径200mm处有5g的微小不平衡量，它产生的离心动载荷将为：

它是转子重量的4倍多。该动载荷会以每分钟20000次的频率作用到转子轴承上，并进而传递到内机匣、外机匣、发动机吊臂、机翼和机身上，是个非常有害的动载荷。为了克服这个问题，工程师们将转子支承设计成弹性的，为了顺利通过临界转速还配备了振动阻尼器。这样，转子可顺利通过临界转速，过了临界转速以后就会绕其通过质心的主惯性轴旋转，自身平衡了，对外产生的动载荷大大减小，支承弹性件会产生大约200*5/100=10µm的弹性变形，就把转子上的不平衡消化掉了。当然这里只是概念性的简单描述，实际设计工作要复杂得多。

在旋转试验台上，由于试验件的弹性及塑性变形、材料或零件脱落、失去定心精度等原因，其不平衡量往往会很大，因此主轴系统也必须设计成挠性的，以适应这种工况要求。

二、挠性悬挂系统是怎样工作的

所谓挠性悬挂轴就是一根细而长的、弯曲刚度很低的轴，用来吊挂和驱动被试验的轮盘，布置好它的支点，加个阻尼器，下端再装上一个试验件，就组成一个挠性悬挂主轴系统。对该系统的研究需要列微分方程组，通常还是非线性的，很复杂，不便在小作文里讲，下面只用最浅显的语言来描述它。

一根细长轴吊挂一个轮盘，不旋转的时候它会像单摆一样摆动，有其确定的固有频率，如图3a。如果有阻尼器，自由摆动会衰减下来。

图3a               图3b               图3c

旋转起来运动规律又有所不同了。假设质量为m的轮盘上有个不平衡量U，它会使轮盘的质心偏离几何轴线一个距离e=U/m。开始旋转并升速时不平衡量产生的离心力会使轴产生挠度，由于挠性轴设计，临界转速很低，所以很快就越过了临界转速，过了临界转速以后轮盘的惯性力远大于轴的弹性力，轮盘会围绕其通过质心的主惯性轴旋转，挠性轴弹性变形为一条挠曲线，它也绕轮盘的主惯性轴旋转，轮盘质心位置不动。此现象称为转子的自定心特性，此时对外不产生不平衡离心力，而只是使轴端产生挠度e，这是个很小的量，对于细长的挠性轴而言，其所受到的弯矩很小。如图3b。严格地讲，轴振传感器此时测量的不是轴的振动，而是轴在监测点处的挠度。由于轴线是旋转着的，传感器只监测一个方向上的分量，信号基本为一正弦波，所以习惯上将其称为振动。

如果被试件不是盘形的，而是长圆柱形的，其绕通过质心的绕直径轴的转动惯量Jx大于绕旋转轴的转动惯量Jz，情况要更复杂一些。升速过程要通过一阶和二阶两个临界转速，过了二阶临界转速后转子也是绕其通过质心的主惯性轴旋转，只是由于不可避免的偶不平衡量Uc的存在，此时的主惯性轴与转子的几何轴线呈一个角度，该角度的大小为：

这个角度使得挠性轴的弯曲形状和幅度都明显不同于盘形转子的，挠性轴挠曲变形后的曲线也是绕着转子的主惯性轴旋转的。由于轴上最大挠度较大，轴所承受的弯矩也大了许多，这个弯矩也作为动载荷会传递给驱动系统的齿轮和轴承等部件，如图3c。

观察上面的公式可见，如果Jx和Jz大小差不多，二者之差接近0，则主惯性轴的偏转角就会很大，这样的转子称为球形特征转子，旋转升速过程中会进入二阶临界转速区，但怎么也通不过临界转速，振动持续增大。这种情况要绝对避免，如果转子自身具有这样的特征，则要通过设计工装使工装加转子组合件的绕两个轴的转动惯量拉开差距。

三、振动阻尼器

由于悬挂系统是挠性的，系统存在临界转速，过临界转速时轴的挠度会增大许多。为了顺利通过临界转速，抑制过大的振动，系统中都配置了振动阻尼器。根据转子动力学理论，阻尼器能够显著降低过临界转速时的振动幅值，这对于试验的顺利进行是十分必要的，另一方面阻尼也对外传递动载荷，过了临界转速以后这将与把悬挂轴设计成挠性的初衷相互矛盾。阻尼大抑制临界转速处的振动幅值效果就强，但过临界后对外传递的动载荷也大，反之亦然，如图4所示。图中横轴是当前转速与临界转速之比，纵轴是对外传递载荷与不平衡离心力之比。图中虚线代表阻尼较低，过临界转速时对外传递动载荷较大，但过了临界转速之后对外传递动载荷很小，图中实线代表阻尼较高，情况则正好相反。正是由于这种问题的复杂性，像飞机发动机转子系统都要经过优化设计，科学合理地规划转子质量，弹性支承的刚度，和阻尼器的阻尼系数。

图4 转速/载荷示意图

超速试验台阻尼器设计还要面对一些特殊的挑战。首先是它的工作参数范围很宽，超速台适用的转子质量从十几到几百千克，临界转速从每分钟几百到几万转，振动幅值从几微米到几百微米；第二，阻尼器处还兼有旋转轴的真空密封与油密封；第三，阻尼轴承必须耐磨损、长寿命；第四，转子爆裂时可能损伤的零件应该越少越好。

四、讨论挠性悬挂主轴系统的意义

上面讨论了挠性悬挂主轴系统的工作原理，对于正确地、合理地应用旋转试验台，科学地解决试验工作中遇到的问题，具有重要和现实的意义，主要体现在以下几个方面。

第一，正确地设计试验工装。试验件是通过转接工装安装到悬挂轴下端的。工装与试验件一起组成的组合体的惯性参数必须遵从上面提到的转子动力学规律。如果可能，尽量把组合体设计成盘形特征的，这样就可以在较低的转速上仅通过一阶临界转速，可以避免许多难以对付的振动问题，试验工作顺利，对设备也有好处。如果不能，则需将组合件设计成柱形特征的，它有两阶临界转速，也应能顺利通过。千万要避免设计成球形特征的，绕两个轴的转动惯量Jx和Jz之差必须大于30%。

第二，正确地平衡转子加工装组合件，并正确地安装到悬挂轴的下端，尽量使转子的惯性主轴与旋转轴线之间的误差控制到最小，这里尤其要强调的是控制角度误差。它有两层含义，一是对于柱形特征转子偶不平衡量一定要平衡到最小；二是连接到主轴接口法兰时端面一定要贴合好。

第三，要在合适规格的机器上试验合适大小的转子。机器的技术规格书上一般给出最大转子重量和最高试验转速，难以给出适用的最小转子重量，但这并不意味着多小的转子都合适。在大规格机器上试验很小的转子容易导致临界转速太高，特别是二阶临界转速（柱形特征转子）太高，甚至高于最高试验转速，这就违背了挠性轴设计的初衷。有可能因振动大试验难以顺利进行，即使能够进行，轴内弯矩太大，驱动系统动载荷太大，也对设备不利。

第四，试验过程中遇到轴振偏大问题要有正确的逻辑思维，在众多的可能原因中去分析和判断，是转子平衡问题、工装定心问题、转子安装问题、转子变形问题、阻尼轴承磨损问题、还是某处碰磨问题等？分析判断的主要依据就在于对挠性主轴系统动力学特性的理解。

总之，转子旋转试验是具有一定技术含量的工作，不仅要明白试验任务，对试验设备也应充分了解。