阅读说明：本技术 高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统和使用方法 (Rotor blade shape image snapshot system in high-speed scraping process and use method ) 是由 薛伟海 段德莉 高禩洋 刘阳 杨晓光 李明阳 李曙 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及材料使役行为评价领域,具体地说是一种高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统和使用方法。触发臂安装在高速刮擦试验机的转轴系统上,与高速刮擦试验机的转子叶片同步旋转。光电开关安装在与触发臂相对的位置。工业相机安装在与转子叶片旋转方向垂直的一侧,与转子叶片的位置相对。LED灯安装在与转子叶片旋转方向垂直的另一侧,同样与转子叶片的位置相对。长焦镜头通过螺纹连接到工业相机上。光电开关的输出端与光源控制器的触发信号输入端相连。光源控制器的输出端与LED灯的正负极相连。工业相机通过数据线与计算机相连。本发明适于对高速刮擦进程中转子叶片磨损和封严涂层材料向叶片转移的情况进行研究。(The invention relates to the field of material service behavior evaluation, in particular to a rotor blade shape image snapshot system in a high-speed scraping process and a use method. The trigger arm is installed on a rotating shaft system of the high-speed scraping testing machine and synchronously rotates with a rotor blade of the high-speed scraping testing machine. The photoelectric switch is installed at a position opposite to the trigger arm. The industrial camera is installed at a side perpendicular to a rotation direction of the rotor blade, opposite to a position of the rotor blade. The LED lamp is arranged on the other side perpendicular to the rotating direction of the rotor blade and is also opposite to the position of the rotor blade. The telephoto lens is screwed to the industrial camera. The output end of the photoelectric switch is connected with the trigger signal input end of the light source controller. The output end of the light source controller is connected with the anode and the cathode of the LED lamp. The industrial camera is connected with the computer through a data line. The invention is suitable for researching the conditions of rotor blade abrasion and seal coating material transfer to the blade in the high-speed scraping process.)

高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统和使用方法

技术领域

本发明涉及材料使役行为评价领域，特别涉及高速摩擦磨损工况下材料的使役行为评价，具体地说是一种高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统和使用方法。

背景技术

封严涂层大量应用于航空发动机气路密封中，起到保护叶片、减小气路间隙和提高发动机效率的重要作用。典型的封严涂层应用实例是：封严涂层喷涂在机匣内侧与高速旋转叶片相对应的位置，这样旋转叶片由于热膨胀、高速旋转伸长和装配误差等原因导致与封严涂层的间隙减小时，叶片与封严涂层间产生高速刮擦。封严涂层设计上易于被去除，叶片高速刮擦在涂层内产生与叶尖外形相称的磨痕，从而在不磨损叶片的前提下保证叶尖与封严涂层间的最小间隙。

然而实际应用中，叶片与封严涂层高速刮擦时常常出现叶片磨损和涂层向叶片粘附转移的问题，这均严重威胁发动机的运行安全，同时也影响其效率。为了研究这一特殊工况下的摩擦磨损问题，为发动机的安全运行保驾护航，国内外搭建了模拟叶片与封严涂层间相对刮擦动作的高速刮擦试验机，其简略的基本结构如图1所示。转子叶片4安装到由高速电主轴1驱动的金属转盘6上，为了获得良好的动平衡，与转子叶片4相对的位置安装有配重叶片5，封严涂层2安装到移动平台3上。工作时，开启高速电主轴1，待转速达到设定值时，封严涂层2在移动平台3的带动下以设定好的进给速度和深度向转子叶片4靠近，从而产生刮擦。待刮擦深度达到实验设定值后，封严涂层2在移动平台3的带动下回退，实验结束。实验前后，对叶片和涂层样品的重量、高度和磨痕长度等进行测量，评价对摩副间磨损和粘附情况。

可见，已有高速刮擦试验机对叶片和涂层的磨损行为测试只能获得终态信息，即实验前测一下重量、高度等信息，实验后再测一下重量、高度和长度等信息，用实验前后两个数据的差值评价磨损量。以上常规方法无法评价刮擦进程中叶片磨损和涂层材料向叶片转移的情况。在对转子叶片与封严涂层的高速刮擦研究中发现，实验后粘附了涂层材料的叶片样品，通过腐蚀手段溶解掉粘附层后，叶尖表面也有明显的磨损犁沟。同时，也发现涂层磨痕的长度有时远大于根据刮擦半径计算出来的数值，说明在刮擦进程中叶尖粘附层的高度曾经很大，所以刮擦出的磨痕长度较大，只是在后续刮擦中发生了粘附层的剥落。

总之，高速刮擦进程中涂层向叶片的粘附情况和叶片的磨损信息目前的高速刮擦试验机无法获得，而以上信息对于评价封严涂层叶片体系的相容性至关重要。举个简单的例子，Al-hBN封严涂层在与Ti合金叶片高速刮擦时会向叶片大量粘附，粘附层在叶尖堆积到一定高度时，必然会在刮擦作用下发生剥落。如果仅仅根据高速实验后叶片高度的测量，可能得出Al-hBN涂层粘附叶片并不严重的结论。

然而，目前还没有见到可用的对高速刮擦进程中涂层向叶片粘附和叶片磨损信息进行监测的装置，以满足对封严涂层与转子叶片体系相容性进行有效可靠的评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统(通常线速度达几百米每秒)和使用方法，通过对抓拍到的图片进行计算机处理，可获得转子叶片样品的高度变化情况，从而得到高速刮擦进程中叶片磨损和涂层粘附叶片随刮擦进程的变化情况。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，包括：工业相机、长焦镜头、LED灯、光源控制器、光电开关、触发臂和计算机，具体结构如下：

触发臂安装在高速刮擦试验机的转轴系统上，与高速刮擦试验机的转子叶片同步旋转；光电开关安装在与触发臂相对的位置，工业相机安装在与转子叶片旋转方向垂直的一侧，与转子叶片的位置相对，LED灯安装在与转子叶片旋转方向垂直的另一侧，同样与转子叶片的位置相对，长焦镜头通过螺纹连接到工业相机上，光电开关的输出端与光源控制器的触发信号输入端相连，光源控制器的输出端与LED灯的正负极相连，工业相机通过数据线与计算机相连。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，触发臂采用塑料刚性触发臂，安装位置选择高速电主轴的轴头或者任何与转子叶片同步旋转的部件上。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，光电开关为U形光电开关，触发臂在旋转时会经过光电开关的U形槽。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，光电开关的安装支架独立于高速刮擦试验机的安装台。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，LED灯、工业相机及长焦镜头安装在旋转转子叶片的两侧，并且LED灯及长焦镜头的位置与转子叶片正对。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，通过光源控制器控制接到光电开关触发信号到点亮LED灯的延迟时间。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，通过光源控制器控制LED灯的发光时长。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，通过计算机控制工业相机的曝光时长和频率。

一种高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统的使用方法，包括如下步骤：

(1)将转子叶片安装到高速刮擦试验机的金属转盘外缘上；

(2)设置金属转盘的转速；

(3)设置光源控制器的延迟时间和电流脉冲时长；

(4)设置工业相机的曝光时长和频率；

(5)开启高速刮擦实验；

(6)开启工业相机的图像采集。

所述的高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统的使用方法，使用时，确保实验室内为黑暗环境；与高速旋转转子叶片同步旋转的触发臂经过光电开关时，光电开关工作，光电开关发送一个脉冲触发信号到光源控制器；根据转子叶片旋转速度的不同，设置光源控制器收到触发信号到向LED灯发送电流脉冲的时间，从而保证在转子叶片经过LED灯的位置时，LED灯刚好发光；同时，通过设置光源控制器向LED灯发送电流脉冲的时长，控制LED灯的发光时长；进一步地，通过计算机控制工业相机的曝光时长和频率，保证在转子叶片旋转一周的时间内，工业相机仅曝光一次。

本发明的设计思想是：

采用本发明高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统，当触发臂经过光电开关时，光电开关工作，发送一个脉冲触发信号到光源控制器。通过光源控制器设置接到触发信号到输出电流脉冲到LED灯的延迟时间，使测试叶片转到LED灯的位置时LED灯刚好发光。同时，通过光源控制器控制LED灯发光的持续时间在1μs左右，这一持续时间极短的频闪，使高速旋转测试叶片的影像被定格。通过计算机上工业相机控制工业相机曝光的时长和频率，使叶片旋转一周时间内，工业相机只曝光一次。由于整个测试环境是在黑暗的条件下，只有当LED灯发光时，刚好转过来的测试叶片挡住LED灯的光，产生一个叶片外形的阴影，工业相机此时处于曝光状态，从而将叶片外形影像记录下来。可见，叶片的影像是通过持续时间极短的LED频闪定格下来的，在此期间，工业相机始终处于曝光状态，从而LED发光时就记录下来叶片的影像。因此，工业相机的帧率无需很高，本发明中用的工业相机帧率最高才101fps。同时，通过控制工业相机的曝光频率，可以对高速刮擦进程中的叶尖外形进行间隔性的抓拍，在保证叶片高度变化规律不受影响的前提下，可以有效的降低图片数据量，这不管是对数据处理还是对计算机的能力要求都大有裨益。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、本发明对高速旋转叶片影像的抓拍采用的是普通的工业相机，帧率无需很高，相对于通常抓拍高速运动物体的每秒百万帧的高速摄像机，原理完全不同，成本大大降低。

2、本发明通过控制LED灯光源的点亮持续时间对高速旋转的转子叶片影像进行定格，可以实现在运动方向的尺寸为毫米级的叶片在几百米每秒的速度下旋转时的清晰外形影像。

3、本发明通过控制工业相机的采集设置，可以实现高速旋转叶片外形的选择性抓拍，在保证获取叶片外形变化规律的前提下，能够显著降低图片数据信息量，便于数据的存储和处理。

附图说明

图1为高速刮擦试验机的结构简图。

图2为本发明所述高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统加装到高速刮擦试验机上后总的结构简图。

图中，1、高速电主轴，2、封严涂层，3、移动平台，4、转子叶片，5、配重叶片，6、金属转盘，7、工业相机，8、长焦镜头，9、LED灯，10、光源控制器，11、光电开关，12、触发臂，13、计算机。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，模拟航空发动机中封严涂层与转子叶片间刮擦动作的高速刮擦试验机主要由六部分组成，高速电主轴1、封严涂层2、移动平台3、转子叶片4、配重叶片5和金属转盘6。实验时，模拟转子叶片的转子叶片4安装在金属转盘6的外缘上，金属转盘6在高速电主轴1的带动下进行高速旋转(旋转线速度为10～300m/s)，模拟航空发动机中转子叶片4的高速旋转。为了保证高速旋转时的良好动平衡特性，在金属转盘6上与转子叶片4相对的位置安装有配重叶片5，配重叶片5的高度小于转子叶片4的高度，保证动平衡的同时，不影响转子叶片4的测试。封严涂层2安装在伺服电机控制的移动平台3上，在移动平台3的带动下，以设定好的速率和深度向高速旋转的转子叶片4靠近，产生刮擦。在达到设定好的入侵深度后，封严涂层2在移动平台3的带动下回撤，实验结束。

如图2所示，高速刮擦进程中转子叶片外形影像抓拍系统主要由7部分组成，工业相机7、长焦镜头8、LED灯9、光源控制器10、光电开关11、触发臂12和计算机13。在高速刮擦试验机的转轴系统的某一位置上安装一个质量很轻的塑料刚性触发臂12，安装位置可以选择高速电主轴1的轴头或者任何与转子叶片4同步旋转的部件上。本实施例中，该转轴系统的高速电主轴1一端穿设于金属转盘6中心，高速电主轴1伸至金属转盘6外侧的轴头处安装触发臂12，触发臂12与转子叶片4以相同的角速度同步旋转。U形光电开关11安装在与触发臂12相对的位置，确保触发臂12旋转时经过光电开关11的U形槽；为保证光电开关11的位置稳定，光电开关11的安装支持架独立于高速刮擦试验机的安装台，不受高速刮擦试验机振动的影响。光电开关11的信号输出端与光源控制器10的触发信号输入端通过导线相连。

LED灯9与长焦镜头8分别安放在与转子叶片4旋转方向垂直方向的转子叶片4两侧，与转子叶片4的叶尖位置对齐。LED灯9安装在与转子叶片4旋转方向垂直的一侧，对准转子叶片4的位置，同样为保证LED灯9的稳定，LED灯9的安装支架也独立于高速刮擦试验机的安装台，不受高速刮擦试验机振动的影响。LED灯9的正负极与光源控制器10的输出端通过导线相连。工业相机7安装在与转子叶片4旋转方向垂直的另一侧，长焦镜头8通过螺纹安装到工业相机7上，长焦镜头8对准转子叶片4位置。为了保证画面的稳定，工业相机7的安装支架也独立于高速刮擦试验机的安装台，避免高速刮擦试验机高速旋转时振动的影响。工业相机7通过数据线与计算机13相连。

实验时，确保实验室内为黑暗环境。与高速旋转转子叶片4同步旋转的触发臂12经过光电开关11时，光电开关11工作，光电开关11发送一个脉冲触发信号到光源控制器10。根据转子叶片4旋转速度的不同，设置光源控制器10收到触发信号到向LED灯9发送电流脉冲的时间，从而保证在转子叶片4经过LED灯9的位置时，LED灯9刚好发光。同时，通过设置光源控制器10向LED灯9发送电流脉冲的时长，控制LED灯9的发光时长，通常控制该时长在1μs左右。进一步地，通过计算机13控制工业相机7的曝光时长和频率，保证在转子叶片4旋转一周的时间内，工业相机7仅曝光一次。

由于整个实验在黑暗的环境中进行，当且仅当LED灯9发光时，工业相机7的感光元件接收到光信号，并将光信号转换成图像信号，再通过数据线传输到计算机13内。通过光源控制器10设置的延迟时间，LED灯9发光时，转子叶片4刚好转到LED灯9的位置，遮住了LED灯9的光线，从而形成一个转子叶片4的外形阴影。同样，通过设置光源控制器10的电流脉冲时长，使LED灯9的发光时长在1μs左右，从而可以将高速旋转转子叶片4的外形阴影定格。例如，当转子叶片4的旋转线速度为300m/s时，在LED灯9的发光时长1μs内，转子叶片4的移动距离仅为0.3mm。通常，转子叶片4在旋转方向的尺寸在5到20mm左右，0.3mm的拖影是可以接受的。

如图2所示，本发明的工作方法是：

(1)将转子叶片4安装到金属转盘6上，转子叶片4与触发臂12间的夹角为α，α的范围为90～180°。

(2)金属转盘6的转速根据实验参数设为βrpm，β的范围为30～20000rpm。

(3)设置光源控制器10接到光电开关11触发信号到点亮LED灯9的延迟时间t，t的单位为秒，用公式(1)计算。

(4)设置光源控制器10向LED灯9发送的电流脉冲时长，通常为光源控制器10的极限值，例如1μs。

(5)通过计算机13设置工业相机7的曝光时长T和频率F。T的单位为秒，用公式(2)计算。F的选择可根据实验情况而定，例如：涂层粘附叶片较严重的时候，可以选择每刮擦10次抓拍1次；涂层粘附叶片较轻时，可以选择每刮擦50次抓拍1次。

(6)开启高速刮擦试验机，待高速刮擦试验机转速达到设定值后，开启工业相机7，进行抓拍。

实施例结果表明，本发明适于对高速刮擦进程中转子叶片磨损和封严涂层材料向叶片转移的情况进行研究。