HCH-RGS 转子径向增长激光测量系统

在高速旋转机械的研发过程中，旋转零件的径向增长测量是必不可少的内容，典型的应用如飞机发动机转子、燃气轮机转子和新能源汽车电机电枢等。

由于测试对象复杂、测试条件苛刻、测试精度要求高，要想得到满意的测量结果并非易事。由于其专业性强，市场上并没有现成的产品可供选择，国际市场上也是如此。一些临时搭建的测试装置其精度和可靠性难以令人信服，并且不具备通用性。

衡超装试（北京）科技有限公司专注于转子超速试验及高速动平衡技术和设备的研发，HCH-RGS转子径向增长测量系统的研发成功为转子高速旋转试验提供了新的测试能力和手段。为我国航空发动机、燃气轮机和新能源汽车电机等先进机械的研发提供助力。

为什么用激光测量？

近年来国内随着超速试验台一起，作为扩展选件，进口过几套径向增长测量系统，但实际应用并不多，其主要原因是采用电涡流传感器进行测量，在对测量对象的适用性、测量空间、高温测量环境、信号抗干扰等方面受到极大限制。

衡超装试选用激光测量传感器显示出了其极大优势，简单地讲有如下几点。

第一，测量部位柱面长度短。电涡流传感器需要柱面长度与传感器直径有关，而传感器直径与测量范围有关，典型地电涡流传感器要求被测零件柱面长度为20毫米左右，图1为电涡流传感器所正对的测量柱面。图2为激光传感器正对转子表面的光斑（红点儿）。激光测量光斑非常小，直径不到1毫米，也就是说，测量对象的柱面长度要求非常短，一毫米左右就足够了。航空发动机轮盘很难找到长度20毫米以上的柱面用来测量。

图1 电涡流传感器测量示意图

图2 激光传感器测量示意图

第二，到被测物体距离远。仍参见上图1和图2，电涡流传感器到被测物体距离一般只有1~2毫米左右，而激光传感器可达几十至上百毫米。这对航空发动机轮盘的测试是非常关键的，不仅是安装空间问题，尤其是在高温环境下测量时传感器的隔热与冷却问题，激光传感器实现起来相对要容易得多。

图3 实际需测量的转子

综合上述两条，电涡流传感器应用到飞机发动机或燃气轮机（图3）测量非常受限制。

第三，适用被测物体材料范围广。电涡流传感器是根据与被测物体形成电磁回路的原理实现测量的，大部分金属材料都有已知的对应的测量灵敏度，但特殊材料需做标定，对于新能源汽车电机转子越来越多地应用的碳纤维材料裹缚表面（如图4）则无能为力。而激光传感器是根据物体表面漫反射来测量的，与被测物体材料性质无关，几乎适用于各种材料。

图4 碳纤维包裹新能源汽车电机转子

第四，不受电磁场干扰。新能源汽车电机转子具有强磁性（如图5），试验时高速旋转会在周围产生高频旋转磁场，电涡流传感器难以测得正确的信号，即使测量出模拟量信号也会受强烈干扰，而激光传感器测量不受磁场影响，数字量输出也不受环境磁场干扰。

图5 新能源汽车电机转子具有强磁性

综合以上两条，电涡流传感器应用到新能源电机转子测量也非常受限制。

第五，测量范围大。电涡流传感器一般测量范围在2毫米左右，到被测物体的静态距离在中点时可得最大测量范围正负1毫米，由于安装调整原因和转子旋转时振动位移的原因，这个范围往往是达不到的。针对上图5所示的表面带沟槽的新能源汽车电机转子则完全不再适用。而激光传感器测量范围通常有几十毫米，一套传感器能适用几乎任何工程应用，安装调整简单。

激光传感器还有其它一些优点，此处不再赘述。

衡超装试径向增长测量系统的主要性能指标

系统组成框图如图6，包括两只激光传感器、一只相位传感器、数据采集系统、计算机硬件、和数据分析系统软件。

图6  HCH-RGS系统组成框图

主要技术参数如下：

测量范围：                50 mm

中点距离：                70 mm

线性度：                     +0.02%FSO，即10 µm

分辨率：                     1 µm

光斑直径：                70 µm

测量功能：                直径增长量

                                      圆周轮廓变形

        测量画面显示包括：径向增长量（2K以上数据的平均值）、实时转速、径向增长直角坐标图、径向增长极坐标图（即圆周轮廓变形图）、测量转速步骤、日期和时间等，参见图7。

图7  HCH-RGS测量界面

径向增长测量典型应用

径向增长测量是高速旋转机械研发过程中的一项基本测试项目，通过测量在工作环境条件（室温或高温）下、在高速旋转（工作转速或超速）状态下，转子在离心力载荷等工作载荷及热膨胀等因素引起的径向增长量，以验证数值仿真计算结果，为强度设计和提高效率提供试验数据依据。工程中典型的应用如：

(1)                      发动机轮盘研发过程中径向增长测量，以测得因温度升高引起的增长量、因轮盘自身离心力载荷引起的增长量、和因叶片离心载荷引起的增长量各为多少，从而为轮盘强度设计、叶尖间隙设计等提供数据支撑；

(2)                      在疲劳寿命试验或爆裂试验前进行径向增长测量以获得更多的试验数据。发动机轮盘造价昂贵，一个试件样本在做破坏性试验前应多做一些试验测量，这期间径向增长测量就如同应变测量一样成为最基本的测量手段，但它比应变测量要方便得多；

(3)                      预应力处理试验中的径向增长测量。预应力处理就是要将轮盘坯料或近成品件旋转到指定转速，使轮盘中心孔附近产生塑性变形而外围仍为弹性变形，转速低了达不到预期的预应力效果，转速高了会使外围拉应力层太薄，反而适得其反。这个试验转速是能够计算出来的，但计算结果是否准确可靠，要通过试验来验证，通过试验来找到最理想的转速；

(4)                      在轮盘低周疲劳试验中，随着循环次数的累积，轮盘经历着从完好到裂纹萌生、裂纹生长、再到最后破裂的过程。一旦轮盘中出现裂纹，其径向增长变形就会偏离正圆，参见图8。通过观察变形轮廓的畸变程度，可以识别裂纹的出现和生长，从而获得轮盘疲劳寿命过程的更详细信息；

图8 轮盘外形轮廓畸变

(5)                      为了提高功重比（功率/重量），新能源汽车电机的转速越来越高，用碳纤维裹缚转子能显著提高转速，但能提高到多少，裹缚层最佳厚度是多少，要靠试验数据来证明，此试验也要测量电枢的径向增长。

希望这套转子径向增长测量系统为中国的航空发动机、燃气轮机、新能源汽车电机，及其它高速旋转机械的发展做出贡献。