CN103278327B - 一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统以及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，包括用于测试轴承系统的参数的仪器系统，以及用于标定仪器系统的标定装置；标定装置和轴承系统上均安装有力传感器和电涡流传感器，且标定装置和轴承系统上的力传感器和电涡流传感器分别连接到仪器系统上；本发明通过设计标定装置来标定用于测量轴承系统的仪器系统，在进行动态标定时，由于电磁铁上缠绕有两组分别连接交流电源和直流电源的线圈，因此可以同时提供动态激振力和稳定悬浮力；本发明通过弹性部件将振子与支架连接，补偿了电磁力造成的系统负刚度，从而使系统稳定运行；本发明具有无接触激励特点的电磁激振力方案避免了常规接触式标定方案容易引起激振杆断裂的问题。

Description

一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统以及标定方法

技术领域

本发明属于滑动轴承测试领域，涉及一种标定系统，特别是一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统以及标定方法。

背景技术

滑动轴承刚度识别的过程，实际是通过测试确定激振力与位移之间的关系，求解液膜频响函数的过程。滑动轴承在测试过程中激振力与位移之间的幅值误差和相位误差是造成刚度识别误差大，甚至得到错误结果的根本原因。尤其是相位误差对于滑动轴承刚度识别精度的影响最为突出。因此对滑动轴承刚度识别过程中的仪器系统进行动态标定是提高刚度识别精度的关键技术。

针对提高测试精度这一命题，提出一种在测试结果分析中计入仪器系统误差的精度增长方法。其原因在于：实际测试过程由于仪器系统的有其固有的频响函数，势必影响测试精度，因此测试结果的分析中必须计入仪器系统的影响。通过对仪器系统的标定，确定仪器系统的动态灵敏度及频响范围，为实验数据的深层次处理奠定基础。在传统的仪器移传感器标定中，通常采用两种方法，一是采用简易的悬挂质量法，二是采用专用的动态标定仪。前者操作简易，但在精度方面受到了限制，尤其当操作不正确时经常导致的相关备件（如激振杆）的损坏；后者虽然保证了一定的标定精度，但操作复杂，尤其是费用较高。

发明内容

本发明的目的是克服目前两种传统滑动轴承刚度识别的仪器系统动态标定方法中出现的损坏标定装置和费用过高等难题，提出一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统以及标定方法，从而实现电涡流位移传感器的高精度动态标定。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，包括用于测试轴承系统参数的仪器系统，以及用于标定仪器系统的标定装置；标定装置和轴承系统上均安装有力传感器和电涡流传感器，且标定装置和轴承系统上的力传感器和电涡流传感器分别连接到仪器系统上；

其中，标定装置包括支架，以及安装在支架上的电磁铁；所述电磁铁上缠绕有两组线圈，其中一组线圈连接交流电源，另一组连接直流电源；电磁铁的上方安装有力传感器；电磁铁的下方设置有振子，所述振子通过起限位作用的弹性部件连接在支架上；所述振子包括自上而下依次设置的受力块、支撑板以及电涡流感应块；电涡流感应块的下方还设置有用于获取振子位移信息的电涡流传感器；

轴承系统的电涡流传感器安装在轴承座上，激振器通过激振杆将激振力施加在轴承系统上，力传感器安装在激振杆上。

上述力传感器为压电式或压变式测力装置。

上述受力块采用硅钢片叠置而成。

上述电涡流感应块采用铁磁性材料。

上述受力块和电涡流感应块采用粘结的方式固定在支撑板的正中央上。

上述支撑板的两端开设有用于安装弹性部件的安装孔。

上述弹性部件为限位弹簧，限位弹簧为螺旋弹簧、涡卷弹簧或蝶型弹簧。

上述支撑板与电涡流感应块之间设置有用于隔离电磁铁和电涡流传感器所产生的磁场的隔磁块。

上述交流电源为正弦激振电源。

一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定方法，包括以下步骤：

（1）标定装置的频响函数

先接通电磁铁上缠绕连接直流电源的线圈，电磁铁只对振子施加稳态的悬浮电磁力F_B1，弹簧处于压缩状态弹簧力大小为F_k0，系统平衡时有力学关系mg+F_k0=F_B1；再接通电磁铁上缠绕连接交流电源的线圈，电磁铁对振子施加的电磁力中增加了正弦激振力F_B2，其幅值为A，角频率为ω，则有F_B2=Asinωt，振子在平衡位置周围振动，则系统振动的微分方程其中y为系统在激振力作用下的振动位移；对系统振动的微分方程进行傅里叶变换后得到(k-mω²)·Y(jω)=F_B2(jω)，其中，F_B2(jω)正弦为激振力的傅里叶变换，Y(jω)为振动位移的傅里叶变换；则根据传递函数的定义，有H₁(jω)=Y(jω)/F_B2(jω)，得到标定装置的频响函数为

$H_1\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{k-m{\mathrm{\ω}}^2};$

其中m为振子的质量；k为弹性组件的刚度；ω为角频率；

（2）仪器系统的频响函数

从仪器系统中得到标定装置中的力传感器（8）和电涡流传感器（1）测得的力信号和位移信号，对位移信号进行傅里叶变换后得到X₁(jω)，对力信号进行傅里叶变换后得到Y₁(jω)；结合标定装置的频响函数H₁(jω)以及X₁(jω)和Y₁(jω)，根据传递函数的计算方法，获得仪器系统的频响函数为

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{X_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}\frac{1}{H_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{X_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}(k-m{\mathrm{\ω}}^2);$

（3）轴承系统的频响函数

从仪器系统中得到轴承系统中的力传感器和电涡流传感器测得的力信号和位移信号，对位移信号进行傅里叶变换后得到X₂(jω)，对力信号进行傅里叶变换后得到Y₂(jω)，结合仪器系统的频响函数H(jω)以及X₂(jω)和Y₂(jω)，根据传递函数的计算方法，获得轴承系统的频响函数为

$H_{\mathrm{bearings}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{X_2\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_2\left(\mathrm{j\ω}\right)}\frac{1}{H\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

根据轴承系统的频响函数，结合滑动轴承单频两次激励法刚度识别算法，最终得到消除仪器系统测量误差的轴承系统的刚度系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设计标定装置来标定用于测量轴承系统的仪器系统，在进行动态标定时，由于电磁铁上缠绕有两组分别连接交流电源和直流电源的线圈，因此可以同时提供动态激振力和稳定悬浮力，故该标定装置可以提供两种工作模式；另外，本发明通过弹性部件将振子与支架连接，一方面弹性部件起到了限位作用，另一方面补偿了电磁力造成的系统负刚度，从而使系统稳定运行；最后，本发明具有无接触激励特点的电磁激振力方案避免了常规接触式标定方案容易引起激振杆断裂的问题，这种利用电磁悬浮和激振方法的标定方法具有操作简易、精度高等优点。

本发明的标定方法，通过设计标定装置，可以得到标定装置的频响函数，进而根据标定装置上的力传感器和电涡流传感器结合标定装置的频响函数可以获得仪器系统的频响函数，再去根据轴承系统上的力传感器和电涡流传感器结合仪器系统的频响函数就可以得到轴承系统的频响函数，进而得到轴承系统的刚度，通过这种方法可以最大限度的消除轴承系统上各传感器测量值的误差，提高精度。

附图说明

图1是本发明标定装置的电磁工作原理图；

图2是本发明标定装置的结构示意图；

图3是本发明标定方法的原理图。

其中，1为第一电涡流传感器；2为电涡流感应块；3为隔磁块；4为支撑板；5为质量块；6为限位弹簧；7为电磁铁；8为第一力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

参见图1，本发明一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，包括用于测试轴承系统的参数的仪器系统，以及用于标定仪器系统的标定装置；标定装置和轴承系统上均安装有力传感器和电涡流传感器，且标定装置和轴承系统上的力传感器和电涡流传感器分别连接到仪器系统上；

其中，标定装置包括支架，以及安装在支架上的电磁铁7；所述电磁铁7上缠绕有两组线圈，其中一组线圈连接交流正弦激振电源，另一组连接直流电源；电磁铁7的上方安装有第一力传感器8，第一力传感器8为压电式或压变式测力装置。；电磁铁7的下方设置有振子，所述振子通过起限位作用的弹性部件连接在支架上；所述振子包括自上而下依次设置的受力块5、支撑板4以及采用铁磁性材料制成的电涡流感应块2，其中，受力块5采用硅钢片叠置而成；支撑板4的两端开设有用于安装弹性部件的安装孔，弹性部件为限位弹簧，采用螺旋弹簧、涡卷弹簧或者蝶型弹簧；受力块5和电涡流感应块2采用粘结的方式固定在支撑板4的正中央上，电涡流感应块2的下方还设置有用于获取振子位移信息的第一电涡流传感器1；支撑板4与电涡流感应块2之间设置有用于隔离电磁铁7和第一电涡流传感器1所产生的磁场的隔磁块3。

轴承系统的电涡流传感器安装在轴承座上，激振器通过激振杆将激振力施加在轴承系统上，力传感器安装在激振杆上。

参见图3，本发明还提出了一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定方法，包括以下步骤：

（1）标定装置的频响函数

先接通电磁铁上缠绕连接直流电源的线圈，电磁铁只对振子施加稳态的悬浮电磁力F_B1，弹簧处于压缩状态弹簧力大小为F_k0，系统平衡时有力学关系mg+F_k0=F_B1；再接通电磁铁上缠绕连接交流电源的线圈，电磁铁对振子施加的电磁力中增加了正弦激振力F_B2，其幅值为A，角频率为ω，则有F_B2=Asinωt，振子在平衡位置周围振动，则系统振动的微分方程其中y为系统在激振力作用下的振动位移；对系统振动的微分方程进行傅里叶变换后得到(k-mω²)·Y(jω)=F_B2(jω)，其中，F_B2(jω)正弦为激振力的傅里叶变换，Y(jω)为振动位移的傅里叶变换；则根据传递函数的定义，有H₁(jω)=Y(jω)/F_B2(jω)，得到标定装置的频响函数为

$H_1\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{k-{\mathrm{m\ω}}^2};$

其中m为振子的质量；k为弹性组件的刚度；ω为角频率；；由此可见标定装置的频响函数仅与振子质量、弹性元件刚度以及激振频率相关，其中，通过角频率可以的到激振频率；

（2）仪器系统的频响函数

从仪器系统中得到标定装置中的第一力传感器8和第一电涡流传感器1测得的力信号和位移信号，对位移信号进行傅里叶变换后得到X₁(jω)，对力信号进行傅里叶变换后得到Y₁(jω)；结合标定装置的频响函数H₁(jω)以及X₁(jω)和Y₁(jω)，根据传递函数的计算方法，获得仪器系统的频响函数为

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{X_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}\frac{1}{H_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{X_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}(k-{\mathrm{m\ω}}^2);$

利用该函数即可为校正测量结果，消除仪器系统的误差；

（3）轴承系统的频响函数

利用激振法识别轴承刚度系数时，通常给轴承系统一个小的激励，并获得该激励下轴承及轴系的振动位移；从仪器系统中得到轴承系统中的力传感器和电涡流传感器测得的力信号和位移信号，对位移信号进行傅里叶变换后得到X₂(jω)，对力信号进行傅里叶变换后得到Y₂(jω)，结合仪器系统的频响函数H(jω)以及X₂(jω)和Y₂(jω)，根据传递函数的计算方法，获得轴承系统的频响函数为

$H_{\mathrm{bearings}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{X_2\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_2\left(\mathrm{j\ω}\right)}\frac{1}{H\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

根据轴承系统的频响函数，结合滑动轴承单频两次激励法刚度识别算法，最终得到消除仪器系统测量误差的轴承系统的刚度系数。该结果是消除了仪器系统测量误差，利用该结果识别滑动轴承刚度系数具有更高的准确度。

本发明的电磁工作原理：装置中的电磁铁有两个作用：一是当电磁铁线圈中通过稳态电流时，对振子施加稳定的电磁力，使振子处于悬浮状态；二是当电磁铁线圈中通过交变电流时，对振子施加交变的电磁力，使振子产生标定所需的振动。因此，在电磁铁铁芯上缠绕两层线圈，分别通入稳态电流和简谐电流，则会同时产生上述两种类型的电磁力。当缠绕有N₁匝的直流线圈，在该线圈中通入直流电流I₁，就会在电磁铁和振子之间产生稳态的电磁场，从而就会有稳态的电磁悬浮力作用在振子上。电磁铁上还缠绕有N₂匝的交流线圈，在该线圈中通入简谐变化的电流I₂=i₂sinωt（i₂为电流的峰值），则会在电磁铁和振子之间的间隙中产生简谐变化的电磁场。稳态悬浮力和动态激振力构成了仪器系统标定的必要条件。

参见图2，本发明标定装置的结构示意图。它由电涡流传感器1、电涡流感应块2、支撑板3、隔磁块4、受力块5、限位弹簧6、电磁铁7和力传感器8组成。电涡流感应块2与隔磁块3采用粘结的方式固定在支撑板3的正中央；受力块5作为振子的受力部分，采用硅钢片叠制而成；电涡流传感器1布置在标定装置的正下方，电涡流感应块2采用铁磁性材料加工而成，作为感应电涡流传感器的感应器；支撑板3的两端上有安装孔，用以限位弹簧6的安装；支撑板3与电涡流感应块2之间间隔一块足够厚的隔磁板4，用以隔离电磁铁和电涡流传感器产生的磁场。在标定系统中，振子作为电涡流传感器的直接测试对象，满足以下要求：a)在能够在电磁场中受到电磁力，且能在交变的磁场下实现快速响应；b)电涡流传感器的正对面为铁磁性材料，能够感应电涡流传感器产生的磁场；c)电磁铁和电涡流传感器互不影响。本实施例中，振子的质量为0.3kg，为了使振子悬浮，电磁力应大于振子所受的重力3N。电磁铁采用E型电磁铁，铁芯采用硅钢片叠置而成以减少铁芯中的涡流损耗。稳定磁场的电磁感应强度为0.24T，悬浮电磁力为25N。选取铜导线外径0.7mm，铜芯直径为0.62mm，使得线圈槽深为33mm，厚度为11mm，线圈缠绕方式为13层每层42圈，则实际线圈匝数为546匝。电磁铁进行温升校核得知线圈的温升在允许范围内，满足要求。弹簧刚度的要求k>1273N/m，当振子达到目标振幅100μm，需要激振力大小约为0.127N。磁铁与振子之间的间距的对磁场的影响非常大。为了减小这种影响，应使间距远大于动态激振所引起的响应振幅，取间距为10mm满足条件。该实施例表明，本发明一种基于电磁悬浮/激振的滑动轴承刚度识别用仪器系统动态标定装置，应用于仪器系统动态标定是可行的，可改善目前传统动态标定方法中出现的损坏标定装置和费用过高等难题。

本发明进行动态标定时电磁铁上绕有交流线圈和直流线圈，可同时提供动态激振力和稳定悬浮力，还可以拓展提供脉冲激振力、阶跃激振力以及随机激振力；测力传感器可采用压电式或压变式传感器对激振力进行实时测量；限位弹簧目的在于补偿电磁力造成的系统负刚度，从而是系统稳定运行，该弹性元件可采用螺旋弹簧、涡卷弹簧以及蝶形弹簧等多种不同结构的弹簧。这种利用电磁悬浮和激振方法的标定方法具有操作简易、精度高等优点。

本发明的标定装置有两种工作模式：模式一是磁悬浮力与弹簧力共同悬浮质量块，电磁铁同时产生电磁激振力；模式二是弹簧力支撑质量块，电磁铁只产生激振力而不产生稳定悬浮力。这两种模式的差异在于前者利用弹簧压缩状态下的刚度，而后者利用弹簧在拉伸状态下的刚度。只要弹簧材料和工艺满足指标需求，根据胡克定律这两种模式均可行。

本发明的标定系统利用电磁法可实现多角度的激振，即可实现垂直和水平激振，使得标定装置的实用性更强；具有无接触激励特点的电磁激振力方案避免了常规接触式标定方案容易引起激振杆断裂的问题；该标定装置具有极强功能拓展潜力。

Claims (8)

1.一种用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：包括用于测试轴承系统参数的仪器系统，以及用于标定仪器系统的标定装置；标定装置上安装有第一力传感器和第一电涡流传感器，轴承系统上安装有第二力传感器和第二电涡流传感器，且标定装置和轴承系统上的力传感器和电涡流传感器分别连接到仪器系统上；

其中，标定装置包括支架，以及安装在支架上的电磁铁(7)；所述电磁铁(7)上缠绕有两组线圈，其中一组线圈连接交流电源，另一组连接直流电源；电磁铁(7)的上方安装有第一力传感器(8)；电磁铁(7)的下方设置有振子，所述振子通过起限位作用的弹性部件连接在支架上；所述振子包括自上而下依次设置的受力块(5)、支撑板(4)以及第一电涡流感应块(2)；所述受力块(5)和第一电涡流感应块(2)采用粘结的方式固定在支撑板(4)的正中央上；所述受力块(5)采用硅钢片叠置而成；第一电涡流感应块(2)的下方还设置有用于获取振子位移信息的第一电涡流传感器(1)；

轴承系统的第二电涡流传感器安装在轴承座上，激振器通过激振杆将激振力施加在轴承系统上，第二力传感器安装在激振杆上。

2.根据权利要求1所述的用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：所述第一、第二力传感器为压电式或压变式测力装置。

3.根据权利要求1所述的用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：所述第一电涡流感应块(2)采用铁磁性材料。

4.根据权利要求1所述的用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：所述支撑板(4)的两端开设有用于安装弹性部件的安装孔。

5.根据权利要求1或4所述的用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：所述弹性部件为限位弹簧，限位弹簧为螺旋弹簧、涡卷弹簧或蝶型弹簧。

6.根据权利要求1所述的用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：所述支撑板(4)与第一电涡流感应块(2)之间设置有用于隔离电磁铁(7)和电涡流传感器(1)所产生的磁场的隔磁块(3)。

7.根据权利要求1所述的用于识别滑动轴承刚度的动态标定系统，其特征在于：所述交流电源为正弦激振电源。

8.一种基于权利要求1所述标定系统的用于识别滑动轴承刚度的动态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)标定装置的频响函数

先接通电磁铁上缠绕连接直流电源的线圈，电磁铁只对振子施加稳态的悬浮电磁力F_B1，弹簧处于压缩状态弹簧力大小为F_k0，系统平衡时有力学关系mg+F_k0＝F_B1；再接通电磁铁上缠绕连接交流电源的线圈，电磁铁对振子施加的电磁力中增加了正弦激振力F_B2，其幅值为A，角频率为ω，则有F_B2＝Asinωt，振子在平衡位置周围振动，则系统振动的微分方程其中y为系统在激振力作用下的振动位移；对系统振动的微分方程进行傅里叶变换后得到(k-mω²)·Y(jω)＝F_B2(jω)，其中，F_B2(jω)正弦为激振力的傅里叶变换，Y(jω)为振动位移的傅里叶变换；则根据传递函数的定义，有H₁(jω)＝Y(jω)/F_B2(jω)，得到标定装置的频响函数为

$H_1\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{k-m{\mathrm{\ω}}^2};$

其中m为振子的质量；k为弹性组件的刚度；ω为角频率；

(2)仪器系统的频响函数

从仪器系统中得到标定装置中的力传感器(8)和电涡流传感器(1)测得的力信号和位移信号，对位移信号进行傅里叶变换后得到X₁(jω)，对力信号进行傅里叶变换后得到Y₁(jω)；结合标定装置的频响函数H₁(jω)以及X₁(jω)和Y₁(jω)，根据传递函数的计算方法，获得仪器系统的频响函数为

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{X_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}\frac{1}{H_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{X_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_1\left(\mathrm{j\ω}\right)}(k-{\mathrm{m\ω}}^2);$

(3)轴承系统的频响函数

从仪器系统中得到轴承系统中的力传感器和电涡流传感器测得的力信号和位移信号，对位移信号进行傅里叶变换后得到X₂(jω)，对力信号进行傅里叶变换后得到Y₂(jω)，结合仪器系统的频响函数H(jω)以及X₂(jω)和Y₂(jω)，根据传递函数的计算方法，获得轴承系统的频响函数为

$H_{\mathrm{bearings}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{X_2\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_2\left(\mathrm{j\ω}\right)}\frac{1}{H\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

根据轴承系统的频响函数，结合滑动轴承单频两次激励法刚度识别算法，最终得到消除仪器系统测量误差的轴承系统的刚度系数。