转子旋转试验中转接工装的设计
在旋转试验台上进行转子的各种旋转试验，包括超速试验、爆裂试验、低周疲劳试验和超速预应力处理等，第一步工作就是设计一套转接工装，将被试验转子安装到试验台高速旋转轴的接口端。作为一种机械装置，转接工装的设计除了必须满足常规的强度、刚度、稳定性、以及经济性和加工工艺性等要求外，还需针对其功能特点满足一些特殊的要求，简单归纳有如下几点：一是惯性参数要求；二是定心保证要求；三是最小附加约束要求；四是简洁性要求。下面分别予以说明。
1.惯性参数要求
此前在《谈谈转子旋转试验台的挠性悬挂系统》一文中曾讲到，之所以将试验台驱动轴设计成挠性，是为了避免转子上不平衡在高速旋转时产生巨大离心动载荷，从而导致机器的剧烈振动，还提到根据转子动力学理论，为了得到更好的系统动态特性，尽量避免和减少振动问题，最好是将转子设计成盘形特征，其绕旋转轴的转动惯量大于绕通过质心的直径轴的转动惯量，因为这样的系统仅有一阶临界转速，并且很低，很容易通过；次好的方案是将转子设计成柱形特征的，转子细长，绕通过质心直径轴的转动惯量大于绕旋转轴的，系统有两阶临界转速，在系统阻尼器工作良好，转子动平衡状态良好的条件下，通过临界转速也没问题；最不好的、应当避免的情况是把转子设计成球形特征，即绕两个轴的转动惯量接近相等，系统过了一阶临界转速后，会贴近却难以通过二阶临界转速，振动持续维持在高水平。
这里所说的转子是指吊挂在试验台输出轴端的整个旋转体，包括被试验件和转接工装两部分。实际工作中，被试件是盘形还是柱形就摆在那，是不得不面对的，所能做的事情是在工装设计上做做文章。
首先，如果被试件是盘形特征的，就尽量不要设计工装在长度方向上叠加过大的质量体，使得试验件加工装变成柱形特征，否则会给试验带来许多不必要的麻烦。下面通过一例来说明。
图1为某试验件两级涡轮盘和转接工装，其上边还有一根延长轴，它是为了加温试验穿过加热炉顶板而不得不加的一段延长轴，它的上端与机器的挠性悬挂轴的接口法兰连接。
图1 某试验件两级涡轮盘和转接工装
很显然，只看涡轮盘的话它是典型的盘形特征转子，但由于增加了转接工装和延长轴，则整个旋转件变成了柱形特征的了，它的绕通过质心的直径轴的转动惯量大于绕旋转轴的，安装到挠性悬挂轴上构成的旋转系统就有两阶临界转速了。
试验任务是将该涡轮盘加热至500°C进行500-10000-500RPM的低周疲劳循环试验，但试验过程发现二阶临界转速上振动偏大，循环了23次因轴振动过大报警而停机，如图2。图中横坐标为时间，纵坐标为多个物理量，其中红线为转速，蓝线为轴振动。后来再经过反复分析、检查和调整，试验还是因为同样问题进行不下去。
图2 试验数据记录曲线
为了弄清原因，客户对系统动力学模型进行了计算，得到第一阶临界转速65.7RPM，第二阶临界转速6679RPM，与实测数据相符，力学模型和两阶振型如图3。由振型图可以看出，一阶振型时轴振幅值（在阻尼轴承下面监测）很小，而二阶振型时轴振幅值很大。可以设想，如果工装设计使得旋转体为盘形特征，则在500-10000RPM转速范围内没有临界转速，循环试验可以在完全平稳顺畅的状态下进行。
图3 力学模型和两阶振型分析
本实例中问题的根源在于那个延长轴段，它是远离轮盘质心的一个大质量体，在转子由盘形特征变为柱形特征上起了决定性作用，但为了穿过加热炉顶板，它似乎又不可避免，这种情况在实践中几乎是个普遍问题。显然这个环节的设计需要改进，要由设备厂家来综合考虑挠性悬挂和加热系统，优化设计，给客户的工装留出更大的设计空间。
如果转子本来就是柱形的，或者加上工装怎么也做不成盘形特征怎么办？那就只有正确面对了，一是要做好转子动平衡，尤其是要把偶不平衡量尽量平衡掉，二是尽量把质心的位置设计得高一点，使质心到转接面的高度越小越好，三是从严把握与轴端接口的公差，尤其是轴向跳动公差。
从上面的第二阶振型图中可见，振型的下段直线代表转子为刚性体，直线的倾斜角度是由偶不平衡量与转子绕两个轴的转动惯量之差所决定的，偶不平衡量越小倾斜角度越小，倾斜角度一定直线段越短监测点轴的振动幅值就越小。
2.定心保证要求
转子要高速旋转，工装与试验件之间的定心精度必须保证，这是不言而喻的。这里强调的是，在高速旋转试验中，旋转件在离心载荷作用下会有径向膨胀，尤其是中心孔的膨胀量最大，如果用中心孔定心，定心结构必须能追随孔的膨胀。
超速预应力处理时转子的中心孔会产生塑性变形，因此膨胀量很大，用锥体来定心是个不错的结构，如图4。下锥体固定，当转速升高时试验件中心孔膨胀会贴着锥面下移，上锥体在蝶形弹簧组推动下也下移，转速下降时锥体回缩，锥面始终与中心孔面贴合。锥面除了起定心作用还要通过摩擦力传递扭矩，所以锥顶角和弹簧的预紧力等参数都要正确计算。
图4 锥体定心结构工装设计模型
还有一种径向销结构也能够补偿很大的中心孔膨胀量而保持良好的定心精度，如图5。试验件的中心孔可以膨胀不再与转接段的柱面贴合，但有径向销约束，定心精度并不失去。径向销承受试件重力，传递扭矩载荷，同时起定心作用。理论上讲，有互成90°的四个径向销就可以，实际中多几个也无妨。应用此结构的条件是试验件本身具有径向销孔。
图5 径向销结构工装设计模型
与定心问题相关，转子高速旋转时由于离心载荷作用会产生径向膨胀，同时产生轴向缩短，符合材料的泊松比关系。因此，如果工装结构中有轴向夹紧功能的，这个轴向缩短因素必须予以补偿。
3. 工装对试验件产生的附加约束要尽量小
这句话的另一种表达是，工装对试验件产生的约束力要尽量与试验件工作状态受到的约束力相当，否则强度寿命试验就会因载荷误差太大而失去了意义。
飞机发动机单轮盘的超转试验和破裂试验都有具体的载荷与约束状态要求，一般还要配装发动机台架状态下的全部装配零件陪试，转接工装的刚度设计不能对轮盘起到明显加强或削弱作用，以免试验结果失真。对任何装配零件的改动及转接工装的使用，都应专门地进行计算分析，以证明其对试验结果的影响可以忽略。
图6是一压缩机叶轮，轮后背有一个凸台，如果设计一个如图所示的转接工装卡住该凸台实现定心，再用一根拉杆螺母轴向固定。叶轮膨胀会使凸台柱面与工装定心柱面贴得更紧，定心效果倒是挺好，但试验效果难以达到，因为工装成为一个强附加约束，叶轮不能自由膨胀，无论是超速、爆裂、或其它哪种旋转试验，都不会得到正确的结果。
图6 叶轮转接工装的不当设计模型
4.工装设计要简洁
工装设计越简洁越好，设计得复杂了会带来一系列弊端。首先，工装设计得越复杂试验过程中出现问题的风险性就越大，转子高速旋转不是简单的事儿，否则也没必要做这么多试验了。复杂的工装不知道哪个环节会出问题。第二，复杂的工装势必增加了转动体的质量和转动惯量，加大了设备载荷，降低了试验效率。如果转子自身的转动惯量只有1kgm2，加上工装后增加到2kgm2了，本来循环一个周期只要1分钟，现在变成了2分钟，效率降低一倍，能耗增加一倍。第三，通常工装选用的材料较好，甚至是与转子相同的高温合金，加工精度要求也高，工装越复杂成本就越高。第四，如果做低周疲劳试验带着裂纹在线监测，工装复杂后监测灵敏度会大大降低，对于一个单体转子，其状态的变化（如产生裂纹）容易被监测到，如果配上了许多附加的东西，转子状态的变化就被淹没在“噪声”里，监测不到了。第五，工装复杂了，附加的东西多了，很可能会把本来盘形特征的转子变成柱形特征的，如前面所述及，这就要面对二阶临界转速带来的问题了。
因此，追求简洁，避免繁杂，应成为工装设计的原则。
5.小结
总而言之，工装是连接试验件与试验机之间的装置，对试验机和试验任务两方面理解得越透彻，工装设计得才能越科学、越合理。实践中几十千克以上的大中型转子的工装设计相对容易些，因为转子越大转速越低，工装的质量和转动惯量在整个旋转体中所占的比重越小。相反，几千克以下的小转子的工装设计则要难得多。加热试验的工装设计比常温的要难，除了前面提到的延长轴问题之外，不同部位的温度以及不同材料的热膨胀系数问题也必须予以考虑。
由于转子和试验任务的多样性和复杂性，工装设计工作是一个通过经验积累而不断提高的过程，是在满足基本功能的基础上不断优化的过程。
