一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统及方法

摘要

本发明公开了一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统及方法，所述实验测试系统，包括：移动平板；移动平板上固定安装有压电保持装置和运动变送机构；压电保持装置和运动变送机构通过压电致动器相连接；运动变送机构固定安装有第一模拟件夹具；第一模拟件夹具安装有第一叶根平台模拟件；固定平板；固定平板固定安装有信号保持装置；信号保持装置安装有压电力传感器；压电力传感器通过力变送机构与第二模拟件夹具相连接，第二模拟件夹具安装有第二叶根平台模拟件；激光测振仪。本发明将实验研究和接触参数估计相结合，对摩擦阻尼器的运动特性进行具体量化评估，能够对燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼的动力学特性进行系统研究。

权利要求

1.一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，包括：

移动平板(1)，用于可拆卸的固定安装在预定的底板或基座上；所述移动平板(1)上固定安装有压电保持装置(2)和运动变送机构(3)；所述压电保持装置(2)和所述运动变送机构(3)通过压电致动器(4)相连接；所述运动变送机构(3)固定安装有第一模拟件夹具(6)；

所述第一模拟件夹具(6)安装有第一叶根平台模拟件(5)；其中，所述第一叶根平台模拟件(5)设置有接触面，用于与摩擦阻尼器相接触；

固定平板(9)，用于固定安装在预定的底板或基座上；所述固定平板(9)固定安装有信号保持装置(10)；所述信号保持装置(10)安装有压电力传感器(11)；所述压电力传感器(11)通过力变送机构(12)与第二模拟件夹具(14)相连接，所述第二模拟件夹具(14)安装有第二叶根平台模拟件(13)；其中，所述第二叶根平台模拟件(13)设置有接触面，用于与摩擦阻尼器相接触；

静负载模拟装置，用于为摩擦阻尼器施加离心力载荷；

激光测振仪(15)，用于测量所述第一叶根平台模拟件(5)与摩擦阻尼器的接触区域以及所述第二叶根平台模拟件(13)与摩擦阻尼器的接区域的位移量。

2.根据权利要求1所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，所述第一叶根平台模拟件(5)与所述第二叶根平台模拟件(13)的接触面上均设置有接触轨道(17)。

3.根据权利要求1所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，所述移动平板(1)、所述压电保持装置(2)和所述运动变送机构(3)上均设置有安装滑槽。

4.根据权利要求1所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，所述力变送机构(12)为两个相互垂直的中空几何体，在轴向上为刚性，在横向上为柔性。

5.根据权利要求1所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，还包括：摩擦阻尼器(16)，所述摩擦阻尼器(16)为球体、圆柱体、单侧半圆柱体或双侧半圆柱体。

6.根据权利要求5所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，所述第一叶根平台模拟件(5)与所述摩擦阻尼器(16)接触以及所述第二叶根平台模拟件(13)与所述摩擦阻尼器(16)接触的接触形式为点‑面、线‑面或面‑面。

7.根据权利要求5所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，其特征在于，所述激光测振仪(15)发射的激光分别垂直照射到所述第一叶根平台模拟件(5)与所述摩擦阻尼器(16)以及所述第二叶根平台模拟件(13)与所述摩擦阻尼器(16)的接触区域上。

8.一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试方法，其特征在于，基于权利要求1所述的实验测试系统，包括以下步骤：依据平面直角坐标，竖直方向为y轴方向，水平方向为x轴方向；调整移动平板和固定平板的相对安装位置，使得压电致动器输出竖直方向或水平方向的正弦简谐位移信号，使得力变送机构将接收的力学信号分解为法向正压力信号和水平方向信号，使得所述压电力传感器采集所述法向正压力信号；

获得不同预设接触面材料、离心载荷、输入位移条件下对应的摩擦迟滞回线；

基于获得的摩擦迟滞回线，得到反映接触面运动特性的特征参数；

基于所述特征参数，建立摩擦接触特性参数数据库；其中，基于所述摩擦接触特性参数数据库实现干摩擦阻尼动态特性的线性等效与量化评价。

9.根据权利要求8所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试方法，其特征在于，所述反映接触面运动特性的特征参数包括：切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数；

其中，切向接触刚度系数计算表达式为：

kd＝(kd1+kd2)/2，

式中，kd为切向接触刚度系数，kd1为测量得到的迟滞曲线中加载过程中的微动滑移初始阶段的斜率，kd2为测量得到的迟滞曲线中卸载过程中的微动滑移初始阶段的斜率；

根据实验测量获得的摩擦迟滞回线，对整体宏观滑动阶段的摩擦力的正负绝对值f′m和取进行平均得到fm，再除以对应的正压力载荷N计算得到材料摩擦系数μ，表达式为：计算第一叶根平台模拟件的接触面的摩擦系数μL时，N＝FL；当计算第二叶根平台模拟件的接触面的摩擦系数μR时，N＝FR；其中，FL为第一叶根平台模拟件法向力，FR为第二叶根平台模拟件法向力；

根据线性化准则，将接触面简化为一个无质量弹簧阻尼系统，接触面间的摩擦力由弹性力和阻尼力叠加来计算，表达式为：其中，Keq为摩擦接触面间等效刚度系数，Ceq为摩擦接触面间等效阻尼系数，f为接触面间的摩擦力，u为接触面间的相对位移；

根据能量耗散原理，摩擦耗散能为迟滞回线包围的面积，对摩擦迟滞回线求取面积分得到摩擦接触面间的等效刚度系数Keq和等效阻尼系数Ceq，表达式分别为：式中，f(t,θ)表示摩擦迟滞回线，Tm迟滞回线对应的相对位移幅值。

10.根据权利要求8所述的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试方法，其特征在于，用于燃气轮机叶片高温镍基合金材料的干摩擦阻尼动态特性的实验测试。

说明书

一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料干摩擦阻尼机理测试技术领域，特别涉及一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统及方法。

背景技术

[0002] 对于具有干摩擦阻尼结构的燃气轮机压气机和透平叶片而言，接触面间的摩擦作用是耗散叶片振动能量的关键，对接触面间的摩擦阻尼动态特性展开深入研究对于揭示汽轮机叶片的干摩擦阻尼振动特性十分重要。由于干摩擦的高度复杂的非线性特性，理论分析提出的摩擦模型都有一定程度的简化，难以准确对其进行求解，因此实验测试仍然是确定叶根平台‑摩擦阻尼器接触面动力学特性的重要手段。

[0003] 目前，已有学者采用实验方法对金属材料接触面间摩擦阻尼动态特性进行了初步研究，但是一方面，其研究大多是针对普通碳钢及铝合金等材料，而对于燃气轮机叶片常用的高温镍基合金钢材料的研究较少。高温镍基合金钢材料比强度高，弹性模量高，热膨胀系数小，相同激励条件下，比普通碳钢更不易变形，因此位移信号采用普通采集方法难以精准捕捉；且对普通碳钢材料测试得到的摩擦迟滞曲线与高温镍基合金的特性差异较大，无法直接套用，因此有必要针对燃气轮机高温镍基合金材料设计一套能够精确产生和测量其干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统。另外一方面，目前的实验大多从减振幅度和共振频移两个方面研究摩擦阻尼器对叶片的整体影响，这种类似黑匣子的方法用于评估摩擦阻尼器减少共振位移的能力，而没有在直接实验研究的基础上获取接触特性参数，因此无法对摩擦阻尼器的运动特性进行具体量化评估；且各实验只针对各自工况进行了测量研究，难以形成适用于工程技术的摩擦接触特性参数数据库，而这些参数对燃气轮机叶片干摩擦阻尼振动特性具有重要的影响，尚需要进一步深入研究。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提出了一种能够精确测量燃气轮机叶片高温镍基合金材料的干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，将实验研究和接触参数估计相结合，对摩擦阻尼器的运动特性进行具体量化评估，能够对燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼的动力学特性进行系统研究。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 本发明的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，包括：

[0007] 移动平板，用于可拆卸的固定安装在预定的底板或基座上；所述移动平板上固定安装有压电保持装置和运动变送机构；所述压电保持装置和所述运动变送机构通过压电致动器相连接；所述运动变送机构固定安装有第一模拟件夹具；所述第一模拟件夹具安装有第一叶根平台模拟件；其中，所述第一叶根平台模拟件设置有接触面，用于与摩擦阻尼器相接触；

[0008] 固定平板，用于固定安装在预定的底板或基座上；所述固定平板固定安装有信号保持装置；所述信号保持装置安装有压电力传感器；所述压电力传感器通过力变送机构与第二模拟件夹具相连接，所述第二模拟件夹具安装有第二叶根平台模拟件；其中，所述第二叶根平台模拟件设置有接触面，用于与摩擦阻尼器相接触；静负载模拟装置，用于为摩擦阻尼器施加离心力载荷；

[0009] 激光测振仪，用于测量所述第一叶根平台模拟件与摩擦阻尼器的接触区域以及所述第二叶根平台模拟件与摩擦阻尼器的接区域的位移量。

[0010] 本发明的进一步改进在于，所述第一叶根平台模拟件与所述第二叶根平台模拟件的接触面上均设置有接触轨道。

[0011] 本发明的进一步改进在于，所述移动平板、所述压电保持装置和所述运动变送机构上均设置有安装滑槽。

[0012] 本发明的进一步改进在于，所述力变送机构为两个相互垂直的中空几何体，在轴向上为刚性，在横向上为柔性。

[0013] 本发明的进一步改进在于，还包括：摩擦阻尼器，所述摩擦阻尼器为球体、圆柱体、单侧半圆柱体或双侧半圆柱体。

[0014] 本发明的进一步改进在于，所述第一叶根平台模拟件与所述摩擦阻尼器接触以及所述第二叶根平台模拟件与所述摩擦阻尼器接触的接触形式为点‑面、线‑面或面‑面。

[0015] 本发明的进一步改进在于，所述激光测振仪发射的激光分别垂直照射到所述第一叶根平台模拟件与所述摩擦阻尼器以及所述第二叶根平台模拟件与所述摩擦阻尼器的接触区域上。

[0016] 本发明的一种干摩擦阻尼动态特性的实验测试方法，基于本发明上述的实验测试系统，包括以下步骤：

[0017] 依据平面直角坐标，竖直方向为y轴方向，水平方向为x轴方向；调整移动平板和固定平板的相对安装位置，使得压电致动器输出竖直方向或水平方向的正弦简谐位移信号，使得力变送机构将将接收的力学信号分解为法向正压力信号和水平方向信号，使得所述压电力传感器采集所述法向正压力信号；

[0018] 获得不同预设接触面材料、离心载荷、输入位移条件下对应的摩擦迟滞回线；

[0019] 基于获得的摩擦迟滞回线，得到反映接触面运动特性的特征参数；

[0020] 基于所述特征参数，建立摩擦接触特性参数数据库；其中，基于所述摩擦接触特性参数数据库实现干摩擦阻尼动态特性的线性等效与量化评价。

[0021] 本发明的进一步改进在于，所述反映接触面运动特性的特征参数包括：切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数；

[0022] 其中，切向接触刚度系数计算表达式为：

[0023] kd＝(kd1+kd2)/2，

[0024] 式中，kd为切向接触刚度系数，kd1为测量得到的迟滞曲线中加载过程中的微动滑移初始阶段的斜率，kd2为测量得到的迟滞曲线中卸载过程中的微动滑移初始阶段的斜率；

[0025] 根据实验测量获得的摩擦迟滞回线，对整体宏观滑动阶段的摩擦力的正负绝对值f′m和f″m取进行平均得到fm，再除以对应的正压力载荷N计算得到材料摩擦系数μ，表达式为：

[0026]

[0027] 计算第一叶根平台模拟件的接触面的摩擦系数μL时，N＝FL；当计算第二叶根平台模拟件的接触面的摩擦系数μR时，N＝FR；其中，FL为第一叶根平台模拟件法向力，FR为第二叶根平台模拟件法向力；

[0028] 根据线性化准则，将接触面简化为一个无质量弹簧阻尼系统，接触面间的摩擦力由弹性力和阻尼力叠加来计算，表达式为：

[0029]

[0030] 其中，Keq为摩擦接触面间等效刚度系数，Ceq为摩擦接触面间等效阻尼系数，f为接触面间的摩擦力，u为接触面间的相对位移；

[0031] 根据能量耗散原理，摩擦耗散能为迟滞回线包围的面积，对摩擦迟滞回线求取面积分得到摩擦接触面间的等效刚度系数Keq和等效阻尼系数Ceq，表达式分别为：

[0032]

[0033] 式中，f(t,θ)表示摩擦迟滞回线，Tm迟滞回线对应的相对位移幅值。

[0034] 本发明的进一步改进在于，用于燃气轮机叶片高温镍基合金材料的干摩擦阻尼动态特性的实验测试。

[0035] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0036] 本发明的系统中，采用压电致动器、压电传感器和激光测振仪分别作为信号的发生、接收和测量装置，可确保实验毫米级位移信号和力学信号的高精度产生与采集；采用压电保持装置、信号保持装置、运动变送机构和力变送机构，可确保实验信号的无损稳定传输。本发明直接对叶根平台‑阻尼器接触面上的位移和力信号进行测量和采集，从而更好地了解摩擦阻尼器的运动特性。具体的，本发明的系统中，压电致动器安装在压电保持装置和运动变送机构之间，用于产生所需正弦简谐位移信号；压电保持装置用于确保压电致动器输入位移信号的方向单一稳定，传送至第一叶根平台模拟件处；运动变送机构用于确保压电致动器输入位移信号的大小精确无损，传送至第一叶根平台模拟件处。

[0037] 本发明中，接触面设置接触轨道用于与摩擦阻尼器轴向面‑面接触，可将中压负载转化为摩擦阻尼器接触平面上的高压载荷；接触轨道用于与摩擦阻尼器轴向定位接触。

[0038] 本发明中，力变送机构为两个相互垂直的两侧细长的中空几何体，其在轴向上是刚性的，在横向上可看作是柔性的(轴向与横向刚度比>>100)，分别与压电力传感器相连，确保输出力学信息的准确传递；压电力传感器有足够的负载范围且信号损失小，接收第二叶根平台模拟件的力学信号并将结果输出。

[0039] 本发明中，摩擦阻尼器为为球体、圆柱体、单侧半圆柱体或双侧半圆柱体，用于与两侧模拟件形成面‑面接触、线‑面、点‑面接触。

[0040] 本发明的干摩擦阻尼动态特性的实验测试方法中，将实验与参数分析结合，量化摩擦阻尼器的评价指标；实验数据及分析参数形成数据库方便工程应用。具体的，本发明直接对叶根平台‑阻尼器接触面上的位移和力信号进行测量和采集，从而更好地了解摩擦阻尼器的运动特性，并可以基于获得摩擦迟滞回线及摩擦系数、切向接触刚度系数、等效摩擦系数和等效阻尼系数等接触参数，实现了直接实验研究和接触参数估计的双重目标。

[0041] 本发明的方法中，将摩擦接触的复杂非线性问题转化成等效线性参数进行量化评估，实现直接实验研究与接触参数估计的结合，揭示燃气轮机叶片高温镍基合金材料干摩擦阻尼的动力学特性，并形成适用于工程技术的摩擦接触特性参数数据库，为燃气轮机叶片摩擦阻尼器的设计与应用提供重要参考。

[0042] 本发明提出了一种能够精确测量燃气轮机高温镍基合金材料的摩擦阻尼动态特性的实验测试方法。本发明的方法能够实现对燃气轮机叶片高温镍基合金材料的干摩擦阻尼接触面特征参数的精准测量，可分析激励频率、接触压力、几何形状、离心载荷、运动方向等输入条件变化对接触状态的影响。

附图说明

[0043] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0044] 图1是本发明实施例的一种燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼动态特性测试系统的俯视示意图；

[0045] 图2是图1实施例所示系统的前视示意图；

[0046] 图3是本发明实施例中，相邻叶片同相运动布置形式示意图；其中，图3(a)是相邻叶片同相运动的测试系统示意图，图3(b)是摩擦阻尼器运动位移局部示意图；图3(c)是相邻叶片同相运动位移分解图；

[0047] 图4是本发明实施例中，相邻叶片异相运动布置形式示意图；其中，图4(a)是相邻叶片异相运动的测试系统示意图，图4(b)是摩擦阻尼器运动位移局部示意图；图4(c)是相邻叶片异相运动位移分解图；

[0048] 图5是本发明实施例中，叶根平台模拟件接触轨道局部示意图；

[0049] 图6是本发明实施例中，各式摩擦阻尼器和叶根平台配合示意图；其中，图6(a)是摩擦阻尼器形式为球体或圆柱体时的示意图，图6(b)是摩擦阻尼器形式为单侧半圆柱体时的示意图，图6(c)是摩擦阻尼器形式为单侧半圆柱体时的示意图，图6(d)是摩擦阻尼器形式为双侧半圆柱体时的示意图；

[0050] 图7是本发明实施例中，选择叶根平台模拟件为研究对象，给出的两侧叶根平台之间同相(异相)相对运动的分析示意图；其中，图7(a)是叶根平台受力分析示意图，图7(b)是叶根平台力与位移关系图，图7(c)是获得的两侧叶根平台之间同相(异相)相对运动的摩擦迟滞回线；

[0051] 图8是本发明实施例中，选择摩擦阻尼器为研究对象，给出的摩擦阻尼器与叶根平台接触面相对运动的分析示意图；其中，图8(a)是对接触面受力分析示意图，图8(b)是接触面受力与位移关系图，图8(c)是获得的摩擦阻尼器与叶根平台接触面间相对运动的摩擦迟滞回线；

[0052] 图9是本发明实施例的一种燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼动态特性测试方法的流程示意图；

[0053] 图1至图9中，1‑移动平板；2‑压电保持装置；3‑运动变送机构；4‑压电致动器；5‑第一叶根平台模拟件；6‑第一模拟件夹具；7‑第一滑槽；8‑第二滑槽；9‑固定平板；10‑信号保持装置；11‑压电力传感器；12‑力变送机构；13‑第二叶根平台模拟件；14‑第二模拟件夹具；15‑激光测振仪；16‑摩擦阻尼器；17‑接触轨道；18‑钢丝。

具体实施方式

[0054] 为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

[0055] 本发明提出了一种能够精确测量燃气轮机叶片高温镍基合金材料的干摩擦阻尼动态特性的实验测试系统，将实验研究和接触参数估计相结合，对摩擦阻尼器的运动特性进行具体量化评估，能够对燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼的动力学特性进行系统研究，并将实验数据及接触参数构建成摩擦接触特性参数数据库，在航空级叶片的工业设计分析和减振阻尼研究上方便直接调取应用。

[0056] 请参阅图1和图2，本发明实施例的一种燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼动态特性测试系统，整体系统可以搭建在带有定位螺孔的底板上，主要由运动发生模块、信号测量模块和摩擦阻尼器组成。示例性的，在平面直角坐标系，垂直方向改为y方向，水平方向改为x方向。

[0057] 所述运动发生模块包括：移动平板1、压电保持装置2、运动变送机构3、压电致动器4、第一叶根平台模拟件5以及第一模拟件夹具6。其中，移动平板1上设置第一滑槽7(可为水平滑槽)，用螺栓连接在底板上，可通过调节连接位置改变两侧叶根平台模拟件的相对运动方向；压电致动器4安装在压电保持装置2和运动变送机构3之间，用于产生所需正弦简谐位移信号；压电保持装置2用于确保压电致动器4输入位移信号的方向单一稳定，传送至第一叶根平台模拟件5处；运动变送机构3用于确保压电致动器4输入位移信号的大小精确无损，传送至第一叶根平台模拟件5处；压电保持装置2和运动变送机构3都设置了第二滑槽8，可通过螺栓连接在移动平板1上；第一模拟件夹具6与运动变送机构3刚性连接，并通过螺栓夹持第一叶根平台模拟件5，用于确保输入位移信息的精准传送。

[0058] 第一叶根平台模拟件5设有一组接触轨道17，用于与摩擦阻尼器轴向面‑面接触，可将中压负载转化为摩擦阻尼器接触平面上的高压载荷。

[0059] 信号测量模块包括固定平板9、信号保持装置10、压电力传感器11、力变送机构12、第二叶根平台模拟件13、第二模拟件夹具14以及激光测振仪15。其中，固定平板9通过底部螺栓安装定位在底板上；信号保持装置10通过螺栓安装在固定平板9上，并与压电力传感器11垂直刚性连接，确保输出方向单一稳定的力学信号；力变送机构12为两个相互垂直的两侧细长的中空几何体，其在轴向上是刚性的，在横向上可看作是柔性的(轴向与横向刚度比>>100)，分别与两个压电力传感器11相连，确保输出力学信息的准确传递；压电力传感器11有足够的负载范围且信号损失小，接收第二叶根平台模拟件13的力学信号并将结果输出。
第二叶根平台模拟件13设有一组接触轨道17，用于与摩擦阻尼器轴向定位接触。可选的，第二模拟件夹具14与力变送机构12为一体，并通过螺栓夹持第二叶根平台模拟件13，确保输出力学信息的无损传输；激光测振仪15垂直于实验系统平台安装，发射的激光分别垂直照射到阻尼器模拟件接触面上接触区域的位置。

[0060] 摩擦阻尼器16为半圆柱体，分别与两侧模拟件形成面‑面接触和线‑面接触。摩擦阻尼器16垂直方向与钢丝18相连，通过施加静负载模拟受到的离心力载荷。

[0061] 本发明实施例中，通过改变运动发生模块的安装位置，可实现与同相(平台之间的y方向相对运动)和异相(x方向相对运动)叶片弯曲模态相对应的平面内摩擦阻尼器的位移。

[0062] 本发明实施例中，运动发生模块的各部件通过双向滑槽设计可灵活安装、移动与定位。运动变送机构在不引入噪声成分的情况下传输运动信息，保护传送信号免受不良负载的干扰。两侧的叶根平台模拟件可使用多种燃气轮机常用的高温合金钢材料进行加工，并加工成不同接触角度，以研究不同材料、加工角度对叶根平台‑阻尼器摩擦接触特性的影响。示例性的，摩擦阻尼器可加工成圆柱体、半圆柱体、球体等几何形式，与两侧叶根平台模拟件形成点‑面、线‑面、面‑面等多种接触形式，以研究不同接触状态对叶根平台‑摩擦阻尼特性的影响。

[0063] 本发明实施例中，力变送机构为两个相互垂直的两侧细长几何体，将力学信号分解为法向信号和横向信号，由于其法向方向刚度远远大于横向刚度，法向正压力信号将被力传感器捕获，避免了其他分量的干扰。压电力传感器具有足够的负载范围且信号损失小，可在高频范围内保持良好的信号捕获能力。

[0064] 本发明实施例中，对法向力信号沿x方向和y方向的分解，可得到两侧叶根平台之间同相(异相)相对运动的摩擦迟滞回线。对摩擦阻尼器沿两侧接触面方向的分解，可得到叶根平台与摩擦阻尼器之间接触面相对运动的摩擦迟滞回线。改变激振频率、接触面材料、离心载荷、输入位移等条件，可测得不同输入条件下对应的摩擦迟滞回线。对摩擦迟滞回线进行分析可以得到切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数等反映接触面运动特性的特征参数，形成摩擦接触特性参数数据库，实现摩擦接触特征的线性等效及量化评估。

[0065] 本发明实施例的系统中，采用压电致动器、压电传感器和激光测振仪分别作为信号的发生、接收和测量装置，可确保实验毫米级位移信号和力学信号的高精度产生与采集；采用压电保持装置、信号保持装置、运动变送机构和力变送机构，可确保实验信号的无损稳定传输。本发明直接对叶根平台‑阻尼器接触面上的位移和力信号进行测量和采集，从而更好地了解摩擦阻尼器的运动特性，并可以获得摩擦迟滞回线及摩擦系数、切向接触刚度系数、等效摩擦系数和等效阻尼系数等接触参数，实现了直接实验研究和接触参数估计的双重目标。

[0066] 参数说明：yLP‑yRP‑y方向上两侧叶根平台的相对运动位移，xLP‑xRP‑x方向上两侧叶根平台的相对运动位移，dlp、drp‑左、右两侧叶根平台模拟件与摩擦阻尼器接触面的位移，θLP、θRP‑‑左、右两侧叶根平台模拟件角度，FC‑离心力载荷，FL‑第一叶根平台模拟件法向力，FR‑第二叶根平台模拟件法向力，FRv‑第二叶根平台模拟件法向力y方向分量，FRh‑第二叶根平台模拟件x方向分量，uLD‑uLP‑第一叶根平台与摩擦阻尼器接触面相对位移量，uRD‑uRP‑第二叶根平台与摩擦阻尼器接触面相对位移量；TDL‑第一叶根平台模拟件与摩擦阻尼器接触面摩擦力；TDR‑第二叶根平台模拟件与摩擦阻尼器接触面摩擦力；kd、kd1、kd2‑切向接触刚度系数；fm、f′m、f″m‑摩擦力绝对值；N‑正压力载荷；μ、μL、μR‑摩擦系数；Keq‑摩擦接触面间等效刚度系数；Ceq‑摩擦接触面间等效阻尼系数；f(t,θ)‑摩擦迟滞回线，Tm‑迟滞回线对应的相对位移幅值。

[0067] 请参阅图3，本发明实施例中通过改变运动发生模块的安装位置，可实现与同相(平台之间的y方向相对运动)叶片弯曲模态相对应的平面内摩擦阻尼器的位移运动。如图3(a)所示的系统布置方式，当压电制动器4产生y方向的相对运动信号时，通过运动变送机构3传递至叶根平台处，两侧叶根平台模拟件会产生y方向上的相对运动位移yLP‑yRP如图3(b)所示，则根据矢量分解原则得到两侧叶根平台模拟件与摩擦阻尼器接触面的位移分别为dlp和drp如图3(c)所示，此时相邻叶根平台接触面具有同相的相对位移，可模拟实际工作中燃气轮机叶片在弯曲振动中的同相运动状态。

[0068] 请参阅图4，将图3运动发生模块旋转90度获得如图4(a)所示的系统布置方式，可实现和异相(x方向相对运动)叶片弯曲模态相对应的平面内摩擦阻尼器的位移运动。如图4(a)所示的系统布置方式，当压电制动器4产生水平方向的相对运动信号时，通过运动变送机构3传递至叶根平台处，两侧叶根平台模拟件会产生水平方向上的相对运动位移xLP‑xRP如图4(b)所示，同样地，根据矢量分解原则得到两侧叶根平台模拟件与摩擦阻尼器接触面的位移分别为dlp和drp如图4(c)所示，此时相邻叶根平台接触面具有异相的相对位移，可模拟实际工作中燃气轮机叶片在弯曲振动中的异相运动状态。且由于运动发生模块的各部件通过x方向和y方向的双向滑槽设计，安装在具有螺栓孔的底板上，可灵活实现布置方式的移动与变换。

[0069] 请参阅图5，本发明实施例中，两侧叶根平台模拟件均设有一组接触轨道，与摩擦阻尼器建立轴向定位接触面，并可将中压负载转化为摩擦阻尼器接触平面上的高压载荷，并可根据轨道接触面上的控制长度痕迹和磨损痕迹判断接触压力的具体分布区域。

[0070] 请参阅图6，本发明实施例中给出了各形式摩擦阻尼器与叶根平台配合示意图。当叶根平台两侧角度相同时(θLP＝θRP)，摩擦阻尼器可选择为球体或圆柱体，与两侧均形成点‑面接触或线‑面接触，如图6(a)所示；也可选择为单侧半圆柱体，与两侧分别形成线‑面接触和面‑面接触，如图6(b)所示。当叶根平台两侧角度不同时(θLP≠θRP)，摩擦阻尼器可选择为单侧半圆柱体，与两侧分别形成线‑面接触和面‑面接触，如图6(c)所示；也可选择为双侧半圆柱体，与两侧均形成面‑面接触，如图6(d)所示。通过改变摩擦阻尼器的几何形式与对应叶根平台的型线角度，可以对不同接触角度及接触特征的摩擦阻尼特性进行测量研究。

[0071] 请参阅图7，本发明实施例中选择叶根平台模拟件为研究对象，给出了两侧叶根平台之间同相(异相)相对运动的摩擦迟滞回线。如图7(a)所示，通过受力分析，根据已知量FC和测量量FR求解得到第一叶根平台模拟件切向力FL。如图7(b)所示，通过图3和图4所述的不同布置方式，压电制动器可以产生位移量xLP‑xRP和yLP‑yRP；同时对压电力传感器直接测量得到的第二叶根平台模拟件法向力FR在y和x方向分解可以获得分量FRv和分量FRh。如图7(c)所示，可得到FRv(FRh)随两侧叶根平台相对位移yLP‑yRP(xLP‑xRP)的变化曲线，即两侧叶根平台之间同相(异相)相对运动的摩擦迟滞回线。

[0072] 请参阅图8，本发明实施例中选择摩擦接触面为研究对象，给出了接触面间相对运动的摩擦迟滞回线。如图8(a)所示，通过受力分析，根据已知量FC和接触面角度求解得到两侧接触面摩擦力TDL和TDR。如图8(b)所示，通过激光测振仪15可以测量两侧接触面位移量uLD‑uLP和uRD‑uRP。如图8(c)所示，可得到TDL(TDR)随摩擦阻尼器和叶根平台之间相对位移uLD‑uLP(uRD‑uRP)的变化曲线，即两侧接触面各自的摩擦迟滞回线。

[0073] 本发明实施例中，对图8(b)测量得到的迟滞曲线中加载和卸载起始过程中的微动滑移初始阶段的斜率进行平均，从而计算出对应的切向接触刚度系数：

[0074] kd＝(kd1+kd2)/2，

[0075] 根据实验测量获得的迟滞曲线，对曲线中整体宏观滑动阶段的摩擦力的正负绝对值f′m和f″m取进行平均得到fm，再除以对应的正压力载荷N计算得到摩擦系数μ，即：

[0076]

[0077] 当计算第一叶根平台接触面的摩擦系数μL时，N＝FL；当计算第二叶根平台接触面的摩擦系数μR时，N＝FR。

[0078] 根据线性化准则，将摩擦接触面简化为一个无质量弹簧阻尼系统，接触面间的摩擦力可以由弹性力和阻尼力叠加来计算，即：

[0079]

[0080] 其中，Keq为摩擦接触面间等效刚度系数，Ceq为摩擦接触面间等效阻尼系数。根据能量耗散原理，摩擦耗散能即为迟滞回线包围的面积，因此对摩擦迟滞回线求取面积分可以得到摩擦接触面间的等效刚度系数Keq和等效阻尼系数Ceq：

[0081]

[0082] 其中，f(t,θ)表示摩擦迟滞回线，Tm迟滞回线对应的相对位移幅值，Keq摩擦接触面间等效刚度系数，Ceq摩擦接触面间等效阻尼系数。

[0083] 改变接触面材料、施加离心载荷大小、压电制动器输入位移等参数，会测得不同的摩擦迟滞回线，判别摩擦阻尼器所处的接触状态，并根据上述分析得到不同输入条件下的切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数，并形成工程适用的摩擦接触特性参数的数据库。

[0084] 请参阅图9，本发明实施例的一种燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼动态特性测试方法，包括以下步骤：

[0085] 首先由运动发生模块根据不同布置方式，产生稳定无损的正弦简谐位移信号，经精准传送至摩擦阻尼器，通过与两侧叶根平台接触面作用，传送至信号测量模块，输出方向单一稳定的法向力学信号。

[0086] 根据输入输出信号测得不同接触面材料、离心载荷、输入位移等条件下对应的摩擦迟滞回线，并进行数据处理，得到切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数等反映接触面运动特性的特征参数，建立摩擦接触特性参数数据库，实现叶片材料干摩擦阻尼动态特性的线性等效与量化评价。

[0087] 示例性的，给出某特定离心载荷下摩擦接触特性参数数据库中的一组工况的测量数据参数：

[0088] 对于同相相对运动，摩擦阻尼器材料1Cr13，在测量相对位移区间为0～6μm时，数据库中对应的切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数线性化计算公式为：

[0089] 切向接触刚度系数：

[0090] 材料摩擦系数：

[0091] 等效刚度系数：

[0092] 等效阻尼系数：

[0093] 对于异相相对运动，摩擦阻尼器材料1Cr13，在测量相对位移区间为0～6μm时，数据库中对应的切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数线性化计算公式为：

[0094] 切向接触刚度系数：

[0095] 材料摩擦系数：

[0096] 等效刚度系数：

[0097] 等效阻尼系数：

[0098] 在工程应用中，若想获得高温镍基合金材料叶片同相运动时接触面相对位移为1μm时的运动特性，只需将输入位移1μm代入数据库中计算可得到此时切向接触刚度系数为‑1 ‑1260618.4N·m ，材料摩擦系数为0.28783，等效刚度系数为117559.2N·m ，等效阻尼系数‑1 ‑1
为247433.2N·s ·m ，根据接触参数可快速判断接触面处于粘滞状态；若想获得高温镍基合金材料叶片异相运动时接触面相对位移为3μm时的运动特性，只需将输入位移3μm代入‑1
数据库中计算可得到此时切向接触刚度系数为258399.2N·m ，材料摩擦系数为0.26536，‑1 ‑1 ‑1
等效刚度系数为349098.0N·m ，等效阻尼系数为89559.4N·s ·m ，接触面处于微动滑
移状态。将接触参数代入数值分析模型中可进一步对叶片进行模态及谐响应分析。

[0099] 本发明的核心创新点包括：航空用材料的摩擦特性无人研究，因此提出本发明实施例的测试系统，实现对燃气轮机叶片材料的干摩擦阻尼接触面特征参数的精准测量，可分析激励频率、接触压力、几何形状、离心载荷、运动方向等输入条件变化对接触状态的影响；二是具体性，将摩擦接触的复杂非线性问题转化成等效线性参数进行量化评估，实现直接实验研究与接触参数估计的结合，揭示燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼的动力学特性；三是普适性，形成适用于工程技术的摩擦接触特性参数数据库，工程上方便直接获取应用。

[0100] 本发明公开了一种燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼动态特性测试系统，由运动发生模块根据不同布置方式，产生稳定无损的正弦简谐位移信号，经精准传送至摩擦阻尼器，通过与两侧叶根平台接触面作用，传送至信号测量模块，输出方向单一稳定的法向力学信号，根据输入输出信号获得不同激振频率、接触面材料、离心载荷、输入位移等条件下对应的摩擦迟滞回线，并进行数据处理，得到切向接触刚度系数、材料摩擦系数、等效刚度系数和等效阻尼系数等反映接触面运动特性的特征参数。

[0101] 本发明能够实现对材料的干摩擦阻尼接触面特征参数的精准测量，分析激励频率、接触压力、几何形状、离心载荷、运动方向等输入条件变化对接触状态的影响，将摩擦接触的复杂非线性问题转化为等效线性参数进行量化评估，实现直接实验研究与接触参数估计的结合，揭示燃气轮机叶片材料干摩擦阻尼的动力学特性，并形成适用于工程技术的摩擦接触特性参数数据库，为燃气轮机叶片摩擦阻尼器的设计与应用提供重要参考。

[0102] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。