CN103091062B - 一种电机驱动的非接触激振装置及其激振方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱动的非接触激振装置及其激振方法，它包括步进电机，细分驱动器，联轴器，两个支撑轴承，偏心轴，直线导轨及两个滑块，连杆，电永磁铁及衔铁，应变片电桥，应变信号调理电路，AD转换器及工业计算机；激振装置总体上为一个曲柄滑块机构，步进电机带动偏心轴旋转，驱动电永磁铁在直线导轨上做往复运动，改变电永磁铁与衔铁之间的气隙厚度，产生动态激振电磁力。本发明能够对旋转轴施加大幅度周期激振力或正弦激振力，适用于高刚度滑动推力轴承油膜动特性系数测试。

Description

一种电机驱动的非接触激振装置及其激振方法

技术领域

本发明属于动力设备技术领域，具体一种电机驱动的非接触激振装置及其激振方法，主要适用于高刚度推力轴承油膜动刚度测试。

背景技术

机械的稳定性及可靠性日益受到重视，因此在机械设备投入使用前，要充分掌握并能够预测该设备的各项性能。支撑轴承的动特性影响着转子的临界转速，不平衡响应及转子的稳定性。对于滑动轴承-转子系统而言，正确预测滑动轴承油膜动力特性系数是至关重要的。

推力滑动轴承油膜动特性系数受到轴承的几何尺寸、转子速度以及载荷等众多因素的影响，虽然理论计算方面的研究已经取得辉煌的成绩，但由于轴承运行实际工况的复杂性和多变性，仅仅对滑动推力轴承油膜动力特性系数进行理论上计算是远远不够的，为了进一步准确研究，分析和分析实际运行工况对轴承性能的影响对滑动轴承油膜动态性能测试是极有必要的。

推力滑动轴承油膜动特性系数由众多参数确定，不能直接测量，需要做参数识别直接获得。目前滑动轴承动态性能测试主要的实验方法有：①时域工况法；②状态滤波法；③动态激振法。在这些测试方法中，动态激振法最为常用。用力锤对旋转轴进行脉冲激振，一方面，锤击的能量小，对于高刚度大阻尼的轴系，难以产生较明显的振动信号，并且采集到的信号长度有限，难以去掉信号中的噪声；另一方面，锤击的力度与均匀性难以把握，不易得到理想的数据。总之，使用力锤对旋转轴进行动态激振测试油膜动特性系数，信号处理是一个非常繁琐的工作。如果能对旋转轴的轴向施加周期力或者更简单的正弦力，将会使推力轴承油膜动特性系数测试变得简单。

对旋转轴轴向激振的方法有①使用激振器（电动式或电液式）对通过一个小球顶在旋转轴轴心处对旋转轴进行接触加载。②使用电磁激振器对旋转轴进行非接触电磁加载。

前者的缺点是电动式激振器力较小，难以满足高油膜刚度滑动轴承的测试要求；电液激振器，由于油的可压缩性及和调整压力油的摩擦性，使得激振力频率难以达到高频，较高频的电液激振器价格非常昂贵。另外，接触式加载需要保证激振力加在转轴中心线上，对激振器的安装位置需要进行繁琐的调节。后者是通过控制电流的大小进而控制电磁吸力的大小，缺点是由于受到功率放器功率的限制，难以产生高频大幅值电磁激振力，并且电磁铁持续通大电流，耗能发热严重。王亮，陈怀海等人提出利用传统振动发生器（信号发生器控制的电动激振器）带动永磁铁移动，改变永磁铁与被激振物体的距离，进而改变激振力大小（王亮，陈怀海，贺旭东.永磁式非接触激振器及其激振方法，专利号：200910026410.2）。但由于电动激振器力小，也不能产生大的激振力，另外大型永磁铁安装使用极为不方便。

发明内容

本法明旨在针对上述问题，提供一种电机驱动的非接触激振装置及其激振方法，以适用于高刚度推力轴承油膜动刚度测试。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电机驱动的非接触激振装置，包括步进电机、偏心轴、连杆、直线导轨、第一滑块、第二滑块、电永磁铁、衔铁、应变片电桥、应变信号调理电路、AD转换器、工业计算机和细分驱动器；细分驱动器驱动步进电机，步进电机通过联轴器带动偏心轴，间隔设置的第一支撑轴承和第二支撑轴承支撑偏心轴；第一滑块和第二滑块固定在直线导轨上，连杆固定在第一滑块和第二滑块上；连杆的一端与偏心轴形成转动副，另一端固定着电永磁铁；连杆上贴有应变片电桥，应变片电桥、信号调理电路、AD转换器、工业计算机和细分驱动器依次连接；电永磁铁和固定在被激振转轴上的衔铁相对设置。

本发明进一步的改进在于：偏心轴分为两段，与联轴器、第一支撑轴承和第二支撑轴承接触的为第一段，轴心为O；与连杆形成转动副的为第二段，轴心为O'；第一段与第二段的偏心距OO'为e；e＝100～200um；O'的轨迹为以O为圆心以2e为直径的圆。

本发明进一步的改进在于：连杆的运动方向垂直偏心轴的第二段的轴线方向。

本发明进一步的改进在于：连杆的内孔截面为正方形，正方形边长a大于偏心轴的直径D与偏心轴的偏心距e的二倍之和，即a>D+2e。

本发明进一步的改进在于：连杆与偏心轴配合处开有油孔。

一种电机驱动的非接触激振装置的激振方法，包括：将圆柱形的衔铁安装在被激振转轴上后，再给电永磁铁充磁；充磁后的电永磁铁对衔铁产生电磁吸力，电磁吸力迫使连杆与偏心轴始终接触；步进电机带动偏心轴转动时，连杆和电永磁铁在直线导轨上做直线往复运动，改变电永磁铁与衔铁之间的气息厚度，进而改变电磁吸力的大小。

本发明进一步的改进在于：工业计算机通过细分驱动器驱动步进电机以一定的转速转动，以产生周期性激振力；周期性激振力的基频为步进电机的转频。

本发明进一步的改进在于：以工业计算机配合应变片电桥及AD转换器采集到的激振力为负反馈，控制步进电机的转速与转角，以产生预期的正弦激振力。

本发明进一步的改进在于：贴在连杆上的应变片电桥输出的应变信号经信号调理电路放大后，再经AD转换器转换被工业计算机采集，得到激振力大小。

本发明进一步的改进在于：在电永磁铁固定在连杆上后，对应变片电桥进行调零，消除电永磁铁自身重力对电磁吸力测量的影响。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的非接触式激振装置与接触式的激振器相比，不需要对该激振装置的安装位置进行繁琐的调节以保证激振力加在转轴中心线上，故可以更方便地对旋转轴进行轴向激振。

2、本发明的非接触激振装置与现有的非接触激振器相比，不再需要功率放大器，因而不再受到功率放大器功率的限制，可以提供频率更高幅值更大的激振力。

3、本发明的非接触激振装置采用电永磁铁产生电磁吸力，由于电永磁铁仅在充磁退磁时耗能，在工作过程中不耗能，故不存在如传统电磁激振器持续用电发热影响电磁吸力。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为偏心轴运动示意图；

图3为连杆与偏心轴形成的转动副示意图；

图4为本发明激振装置产生正弦激振力时的控制流程图。

图1至图4中附图标记的含义如下：

1、步进电机；2、联轴器；3、偏心轴；4、第一支撑轴承；5、第二支撑轴承；6、连杆油孔；7、连杆；8、直线导轨；9、第一滑块；10、第二滑块；11、应变片电桥；12、电永磁铁；13、衔铁；14、细分驱动器；15、工业计算机；16、AD转换器；17、应变信号调理电路；

O、第一段偏心轴轴心；O'第二段偏心轴轴心；D、偏心轴直径；e、偏心轴偏心距；θ、偏心轴姿态角；F、期望电磁吸力；A、期望电磁吸力幅值；f、期望电磁吸力频率；t、时间变量；F₀、期望电磁吸力均值；R、期望电磁吸力平方根的倒数；σ₀、初始气隙厚度；δ、连杆处于任意位置的气隙厚度；e、偏心轴偏心距；θ、偏心轴期望姿态角；θ'、偏心轴目前姿态角；k、细分驱动器发一个脉冲，步进电机转过的角度；m、给定细分驱动器的脉冲数；F_m、测量的电磁吸力；R_m、测量电磁吸力平方根的倒数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1至图4所示，本发明一种电机驱动的非接触激振装置，包括步进电机1、联轴器2、偏心轴3、第一支撑轴承4、第二支撑轴承5、连杆7、直线导轨8、第一滑块9、第二滑块10、电永磁铁12、衔铁13、应变片电桥11、应变信号调理电路17、AD转换器16、工业计算机15和细分驱动器14。细分驱动器14驱动步进电机1，步进电机1通过联轴器2带动偏心轴3，间隔设置的第一支撑轴承4和第二支撑轴承5用于支撑偏心轴3。第一滑块9和第二滑块10固定在直线导轨8上，连杆7被固定在第一滑块9和第二滑块10上，连杆7既能承受轴向的压力与拉力又能承受弯矩。连杆7的一端与偏心轴3形成转动副，连杆7上开有油孔6，方便转动副润滑，另一端固定着电永磁铁12。连杆7上贴有应变片电桥11，应变片电桥11接其应变信号调理电路17，再配合AD转换器16及工业计算机15得到激振力大小。由于电永磁铁12自身重力的作用，会有一个附加弯矩作用在贴应变片电桥11处的连杆7上，本发明要求在电永磁铁12固定在连杆7上后，对应变片电桥11进行调零，以消除电永磁铁12自身重力对电磁吸力测量的影响。工业计算机15同时控制细分驱动器14，进而控制步进电机1的运动。

所述偏心轴3分为两段，与联轴器2、第一支撑轴承4和第二支撑轴承5接触的为第一段，轴心为O；与连杆7形成转动副的为第二段，轴心为O'；两段的偏心距（OO'的距离）为e（可取100～200um）。O'的轨迹为以O为圆心以2e为直径的圆（图2）。

如图3所示，所述连杆7与偏心轴3形成的转动副，连杆7的内孔截面为正方形，正方形边长a大于偏心轴直径D与偏心轴偏心距e的二倍之和，即a>D+2e。

如图2所示，定义直角坐标系XOY，X轴为水平方向，正向指向电永磁铁端，Y轴为竖直方向，原点为偏心轴第一段的轴心O。定义偏心轴的姿态角θ为OO’与X轴正方向之间的角度。定义偏心轴姿态角θ为0时的位置为偏心轴3及连杆7的初始位置。定义初始气隙厚度δ₀为连杆7处于初始位置时电永磁铁12与衔铁13间的气隙厚度。当偏心轴姿态角为θ时，连杆相对于其初始位置的移动量为ΔL=ecos(θ)-e，气息厚度为δ=δ₀-ΔL=δ₀+e-ecos(θ)。

本发明的非接触式激振装置的工作过程如下：

将圆柱形的衔铁13固定在被激振转轴上，调整电永磁铁12，使电永磁铁12与衔铁的初始间隙δ₀为400～500um，再给电永磁铁12充磁。充磁后的电永磁铁12会对衔铁13产生电磁吸力，电磁吸力迫使连杆7与偏心轴3始终发生线接触，且接触线的位置固定不变。步进电机1带动偏心轴3转动时，连杆7和电永磁铁12就会做直线往复运动，改变电永磁铁12与衔铁13之间的气息厚度，进而改变电磁吸力的大小。

当需要周期性激振力时，仅需让步进电机1以一定的转速转动即可，周期激振力的基频就是步进电机1的转频。

当需要正弦激振力时，要对电磁吸力进行负反馈控制。具体控制流程图如图4所示。本发明将期望电磁吸力F的平方根的倒数R作为PID控制器的输入，采集到的电磁力F_m的平方根的倒数R_m作为PID控制器的负反馈，PID控制器输出为气隙厚度δ，这样PID控制器控制的系统就变成了线性系统，可以更精确地控制电磁吸力。通过气隙厚度δ计算出偏心轴的期望姿态角θ，期望姿态角θ与偏心轴目前姿态角（步进电机1精度高且误差不累计，故可直接用上次计算的姿态角θ'作为偏心轴目前的姿态角，第一次PID控制时，θ'为偏心轴初始状态的姿态角0）的差值Δθ为此次偏心轴与电机该转过的角度，通过Δθ计算出需要给细分驱动器的脉冲数m。

Claims (8)

1.一种电机驱动的非接触激振装置，其特征在于，包括步进电机(1)、偏心轴(3)、连杆(7)、直线导轨(8)、第一滑块(9)、第二滑块(10)、电永磁铁(12)、衔铁(13)、应变片电桥(11)、应变信号调理电路(17)、AD转换器(16)、工业计算机(15)和细分驱动器(14)；细分驱动器(14)驱动步进电机(1)，步进电机(1)通过联轴器(2)带动偏心轴(3)，间隔设置的第一支撑轴承(4)和第二支撑轴承(5)支撑偏心轴(3)；第一滑块(9)和第二滑块(10)固定在直线导轨(8)上，连杆(7)固定在第一滑块(9)和第二滑块(10)上；连杆(7)的一端与偏心轴(3)形成转动副，另一端固定着电永磁铁(12)；连杆(7)上贴有应变片电桥(11)，应变片电桥(11)、应变信号调理电路(17)、AD转换器(16)、工业计算机(15)和细分驱动器(14)依次连接；电永磁铁(12)和固定在被激振转轴上的衔铁(13)相对设置；偏心轴(3)分为两段，与联轴器(2)、第一支撑轴承(4)和第二支撑轴承(5)接触的为第一段，轴心为O；与连杆(7)形成转动副的为第二段，轴心为o'；第一段与第二段的偏心距oo'为e；e＝100～200um；o'的轨迹为以O为圆心以2e为直径的圆。

2.根据权利要求1所述的一种电机驱动的非接触激振装置，其特征在于，连杆(7)的内孔截面为正方形，正方形边长a大于偏心轴(3)的直径D与偏心轴(3)的偏心距e的二倍之和，即a>D+2e。

3.根据权利要求1所述的一种电机驱动的非接触激振装置，其特征在于，连杆(7)与偏心轴(3)配合处开有油孔(6)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种电机驱动的非接触激振装置的激振方法，其特征在于，包括：将圆柱形的衔铁(13)安装在被激振转轴上后，再给电永磁铁(12)充磁；充磁后的电永磁铁(12)对衔铁(13)产生电磁吸力，电磁吸力迫使连杆(7)与偏心轴(3)始终接触；步进电机(1)带动偏心轴(3)转动时，连杆(7)和电永磁铁(12)在直线导轨(8)上做直线往复运动，改变电永磁铁(12)与衔铁(13)之间的气息厚度，进而改变电磁吸力的大小。

5.根据权利要求4所述的激振方法，其特征在于：工业计算机(15)通过细分驱动器(14)驱动步进电机(1)以一定的转速转动，以产生周期性激振力；周期性激振力的基频为步进电机(1)的转频。

6.根据权利要求4所述的激振方法，其特征在于：以工业计算机(15)配合应变片电桥(11)及AD转换器(16)采集到的激振力为负反馈，控制步进电机(1)的转速与转角，以产生预期的正弦激振力。

7.根据权利要求4所述的激振方法，其特征在于，贴在连杆(7)上的应变片电桥(11)输出的应变信号经应变信号调理电路(17)放大后，再经AD转换器(16)转换被工业计算机(15)采集，得到激振力大小。

8.根据权利要求4所述的激振方法，其特征在于，在电永磁铁(12)固定在连杆(7)上后，对应变片电桥(11)进行调零，消除电永磁铁(12)自身重力对电磁吸力测量的影响。