CN103437992B - 五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，属于化工机械振动领域。由五平行转子轴承系统、支撑五平行转子轴承系统的箱体（100）、电机（309）、泵站（306）、连接泵站和五平行转子轴承系统闭合的管路系统组成，五平行转子轴承系统通过齿轮啮合；电机（309）的输出轴与五平行转子轴承系统输入轴（201）通过膜片联轴器（307）相连，并通过变频器（310）对输入轴（201）进行调速控制；泵站（306）通过油压管路向五平行转轴施压径向和轴向的压力；本发明具备五平行轴齿式压缩机动力学特性的实验验证、临界负荷特性的研究、滑动轴承油膜刚度对系统临界转速影响研究等三大功能，实验功能多，工作稳定，为相关理论研究的试验验证提供了载体。

Description

五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置

技术领域

本发明属于化工机械振动领域，涉及五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验。

技术背景

压缩机是能源工业的核心装备，也是耗能巨大的动力装备，广泛应用于天然气、石油和煤化工等领域。而多平行轴系高端压缩机组是适应现代炼油、石化等工艺流程要求，在变工况、极端工况与多干扰下具有高参数(高速、高压、大流量)、高性能(高效率、工况自适应)、高可靠性(稳定、长周期运行)特征的压缩机装置或系统，也是国际上能源等装备领域发展的前沿技术。其重要特征是原本相互独立的多个转子-轴承系统通过齿轮啮合而相互作用，由于齿轮的啮合效应，齿轮传动，齿坯刚度、轮齿刚度及其啮合刚度的时变性将改变各子系统的弯曲振动、扭转振动，并可能激发新的弯扭耦合振动，各转子的振动也不再相互独立，而是相互影响、相互制约的，整个轴系成为一个不可分割的整体，使整体系统的动力学特性变得更加复杂，具有强耦合的特点。

长期以来，压缩机行业在对此类转子系统进行动力学设计时，普遍采用各个转子单独设计并且将转子的弯曲振动与扭转振动分割开来的设计方法，致使国内自行设计制造的某些离心压缩机在工作中经常出现严重的异常振动，有的甚至发生了断轴的恶性事故，严重影响生产，进而造成重大的经济损失。只有掌握齿轮耦合多转子系统的动力学特性，才能实现该类机组动态优化设计、故障监测与诊断。

目前国内外研究者已经开始对齿轮耦合的转子轴承系统及各子系统的动力学特性进行研究，但是缺乏相应的模拟实验装置。

发明内容

为了更好地解决对五平行轴齿式压缩机齿轮耦合的转子轴承系统的动力学特性的实验研究问题，本发明提出了五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，由五平行转子轴承系统、密封的箱体、电机、泵站、闭合油压管路系统、轴向加载装置、径向加载装置、和油压加载系统组成；五平行转子系统固定在密封的箱体上，并通过齿轮啮合，电机的输出轴与五平行转子轴承系统输入轴通过膜片联轴器相连，并通过变频器对输入轴进行调速控制；泵站分别通过进油管和出油管与每个密封的轴承座的进油孔和出油孔连通构成闭合油压管路系统；需要加载实验的平行轴端伸出箱体，并在其的端点处通过键和锁紧螺母固定配重盘，泵站分别通过进油管和出油管与固定在配重盘轴线上的轴向加载装置的液压缸连通，向平行轴施加轴向压力；泵站分别通过进油管和出油管与固定在配重盘轮缘处的径向加载装置的液压缸连通，向平行轴施加径向压力。

所述的箱体为金属制成的底面为矩形，两个相对的侧面垂直于地面的立方体的密封箱体，在箱体的顶端安装有空气过滤器，箱体的下部，留有用于观察油位的油标，在油标的上方安装用于灌入润滑油的进油口及其管堵，在靠近箱体的底部侧边上，安装有卸油口及其端盖；箱体的侧壁有若干采用透明有机玻璃制成的窥视窗；在箱体垂直于地面的两个相对的侧壁上，对称留有五个供水平轴穿过的圆形孔及安装在圆形孔上的轴承座；每个轴承座靠近箱体的外侧端安装有法兰和密封圈将箱体密封住，其中平行轴伸出箱体端的法兰采用环形法兰密封，平行轴不伸出箱体端的法兰采用盲法兰密封；每个轴承座靠近箱体的内侧端的边沿有一圈向内的轴承座台阶。每个轴承座的顶端留有通向轴承座内的轴承座进油孔，每个轴承座的底端留有通向轴承座内的轴承座出油孔。

五平行转子轴承系统主要由相互平行的输入轴、中间传动轴、1号输出齿轮轴、2号输出齿轮轴和3号输出齿轮轴组成，五个平行轴的中间部位都固定有齿轮；输入轴水平穿过箱体下部的圆形孔，两端通过安装于轴承座中的滑动轴承和推力轴承安装在其圆形孔的轴承座上，位置处于使输入轴上的输入轴齿轮的底部浸入油位2-3个齿高；中间传动轴两端通过安装于轴承座中的滑动轴承和推力轴承安装在箱体中间位置的圆形孔的轴承座上，1号输出齿轮轴和2号输出齿轮轴的两端通过安装于轴承座中的滑动轴承和推力轴承安装在中间传动轴两侧的圆形孔的轴承座上，3号输出齿轮轴的两端通过安装于轴承座中的滑动轴承和推力轴承固定于中间传动轴正上方的圆形孔的轴承座上；输入轴、中间传动轴、1号输出齿轮轴、2号输出齿轮轴和3号输出齿轮轴相互位置处于使固定于中间传动轴上的中间传动轴齿轮与输入轴齿轮、1号输出齿轮轴上的齿轮、2号输出齿轮轴上的齿轮、和3号输出齿轮轴上的齿轮啮合；输入轴齿轮与中间传动轴齿轮之间的传动比在2.3-2.5之间，中间传动轴齿轮与1号输出齿轮轴之间的传动比在0.2-0.25之间，中间传动轴齿轮与2号输出齿轮轴的传动比在0.15-0.2之间，中间传动轴齿轮与3号输出齿轮轴之间的传动比在0.1-0.15之间；1号输出齿轮轴远离电机端、2号输出齿轮轴的两端、和3号输出齿轮轴的两端伸出箱体，并在端点处分别通过键和锁紧螺母固定配重盘，且在其伸出箱体处用环形法兰和密封圈将箱体密封；1号输出齿轮轴靠近电机端、中间传动轴的两端和远离电机的输入轴端不伸出箱体，在其轴承座的外端采用盲法兰和密封圈将箱体密封；在靠近电机端输入轴伸出箱体处用环形法兰和密封圈将箱体密封。

所述的连接泵站和五平行转子系统的轴承座的油压管路系统由轴承座、推力轴承、滑动轴承、推力轴承隔环、滑动轴承隔环、唇形密封、两根分别接通轴承座进油孔和轴承座出油孔和泵站的闭合管路系统组成；推力轴承的外侧端由固定于轴承座外侧端的法兰向内压紧，推力轴承的内侧端通过轴承座中的推力轴承隔环向外将推力轴承压紧，推力轴承隔环的外侧端压紧推力轴承，内侧端卡在平行轴凸起处；滑动轴承安装在推力轴承的内侧端；滑动轴承隔环隔在滑动轴承外侧端和轴承座台阶之间，使滑动轴承与推力轴承之间留有间隙；在每个推力轴承和滑动轴承所在的区域两端用固定在平行轴上的唇形密封将该区域密封住；在每个滑动轴承两侧的凹槽上安装滑动轴承密封圈，以确保轴承内部油压，并通过流入轴承座内的润滑油润滑。

所述的轴向加载装置由液压缸、Y型接头、定位压块、轴向滑块、角接触轴承、顶针组成；Y型接头的根部与液压缸输出接头固定连接，另一端通过固定销与轴向滑块铰接；顶针通过角接触轴承固定在轴向滑块的另一端上，位置处于使顶针的加载方向为配重盘的轴线方向；定位压块压住轴向滑块，保证其只能沿着配重盘的轴向运动。

所述的径向加载装置由液压缸、Y型接头、定位压块、径向滑块、深沟球轴承、销轴、压轮组成；Y型接头的根部与液压缸输出的接头固定连接，另一端通过固定销与径向滑块铰接；压轮通过深沟球轴承和销轴固定在径向滑块的另一端上，位置处于使压轮的加载方向为配重盘的径向；定位压块压住径向滑块，保证其只能沿着配重盘的径向运动。

所述的箱体可以是底面为矩形，两个非垂直侧面为对称的一个或多个坡面。

本发明的有益效果是：

1、五平行轴齿式压缩机动力学特性的实验验证：通过变频器调节电机转速可测量出该系统的临界转速，配重盘的端面留有螺纹孔，通过添加不平衡质量可测得系统的振动响应，可与理论计算结果相比较，进而对含有齿轮啮合的多平行轴转子的动力学理论进行验证分析。

2、五平行轴齿式压缩机临界负荷特性的研究：通过调节泵站的输出油压，可以单独控制所有的径向加载装置和轴向加载装置对轴端的加载力，观察负荷增加对轴系振动的影响，对临界负荷产生的机理及规律进行实验验证。

3、滑动轴承油膜刚度对系统临界转速影响的研究：通过泵站调节滑动轴承的油压，进而改变滑动轴承的油膜刚度，通过对轴端的振动测量，观测油压变化对系统临界转速的影响规律，对理论进行试验验证。

综上，本发明具备五平行轴齿式压缩机动力学特性的实验验证、临界负荷特性的研究、滑动轴承油膜刚度对系统临界转速影响研究等三大功能，实验功能多，工作稳定，为相关理论研究的试验验证提供了载体。

附图说明

图1是本发明的三维图。

图2是本发明除去动力系统后，从电机方向观看箱体的视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的B-B剖视图。

图5是图2中轴承座区域的局部放大图。

图6是径向加载装置结构示意图。

图7是轴向加载装置结构示意图。

图中：100箱体，101轴承座，102轴承座台阶，103轴承座进油孔，104轴承座出油孔，105盲法兰，106环形法兰，107平行轴轴肩，108唇形密封圈，109滑动轴承密封圈，110滑动轴承隔环，111端面密封圈，201输入轴，202输入轴齿轮，203中间传动轴，204中间传动轴齿轮，2051号输出齿轮轴，2062号输出齿轮轴，2073号输出齿轮轴，209推力轴承，210滑动轴承，212配重盘，213推力轴承隔环，301管堵，302空气过滤器，303油标，304窥视窗，305端盖，306泵站，307膜片联轴器，309电机，310变频器，312径向加载装置，313轴向加载装置，401液压缸，402 Y型接头，403定位压块，405径向滑块，406加载支架，407深沟球轴承，408销轴，409压轮，401液压缸，402 Y型接头，403定位压块，415轴向滑块，417角接触轴承，418顶针，419压盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置由齿轮耦合的转子轴承系统、支撑轴承系统的箱体、和动力系统组成，其中：

箱体为金属制成的底面为矩形，两个相对的侧面垂直于地面，且可以分为上下三截内部贯通的密封箱体100，三截箱体用螺栓和密封条连接并密封；在箱体100的顶端安装有空气过滤器302，箱体100的下部，留有用于观察油位的油标303，在油标303的上方安装用于灌入润滑油的进油口及其管堵301，在靠近箱体100的底部侧边上，安装有卸油口及其端盖305；箱体100的侧壁有若干采用透明有机玻璃制成的窥视窗304；在箱体100垂直于地面的两个相对的侧壁上，每截箱体的接缝处对称开有五个供水平轴穿过的圆形孔及安装在圆形孔上的轴承座101；每个轴承座靠近箱体的外侧端安装有法兰和密封圈将箱体100密封住，其中平行轴伸出箱体100端的法兰采用环形法兰106密封，平行轴不伸出箱体100端的法兰采用盲法兰105密封；每个轴承座靠近箱体的内侧端的边沿有一圈向内的轴承座台阶102；每个轴承座101的顶端留有通向轴承座101内的轴承座进油孔103，每个轴承座的底端留有通向轴承座内的轴承座出油孔104，两根分别接通轴承座进油孔103和轴承座出油孔104的输油管将轴承座和泵站306连通构成闭合的输油管路。

五平行转子轴承系统主要由相互平行的输入轴201、中间传动轴203、1号输出齿轮轴205、2号输出齿轮轴206和3号输出齿轮轴207组成，五个平行轴的中间部位都固定有齿轮；输入轴201水平穿过箱体下部的圆形孔，两端通过安装于轴承座中的滑动轴承210和推力轴承209安装在其圆形孔的轴承座101上，位置处于使输入轴201上的输入轴齿轮202的底部浸入油位2-3个齿高；中间传动轴203两端通过安装于轴承座中的滑动轴承210和推力轴承209安装在箱体100中间位置的圆形孔的轴承座101上，1号输出齿轮轴205和2号输出齿轮轴206的两端通过安装于轴承座中的滑动轴承210和推力轴承209安装在中间传动轴203两侧的圆形孔的轴承座101上，3号输出齿轮轴207的两端通过安装于轴承座中的滑动轴承210和推力轴承209固定于中间传动轴203正上方的圆形孔的轴承座101上；输入轴201、中间传动轴203、1号输出齿轮轴205、2号输出齿轮轴206和3号输出齿轮轴207相互位置处于使固定于中间传动轴203上的中间传动轴齿轮204与输入轴齿轮202、1号输出齿轮轴205上的齿轮、2号输出齿轮轴206上的齿轮、和3号输出齿轮轴207上的齿轮啮合；输入轴齿轮202与中间传动轴齿轮204之间的传动比在2.3-2.5之间，中间传动轴齿轮204与1号输出齿轮轴205之间的传动比在0.2-0.25之间，中间传动轴齿轮204与2号输出齿轮轴206的传动比在0.15-0.2之间，中间传动轴齿轮204与3号输出齿轮轴207之间的传动比在0.1-0.15之间；1号输出齿轮轴205远离电机309端、2号输出齿轮轴206的两端、和3号输出齿轮轴207的两端伸出箱体100，并在端点处分别通过键和锁紧螺母固定配重盘212，且在其伸出箱体100处用环形法兰106和密封圈将箱体100密封；1号输出齿轮轴205靠近电机309端、中间传动轴203的两端和远离电机309的输入轴201端采用盲法兰105和密封圈将箱体100密封；靠近电机端输入轴201伸出箱体100处采用环形法兰106和密封圈将箱体密封。

动力系统由驱动系统和加载系统组成；驱动系统由电机309、膜片联轴器307、变频器310组成；电机309的输出轴与输入轴201通过膜片联轴器307相连，并通过变频器310对输入轴201进行调速控制；加载系统由泵站306、径向加载装置312和轴向加载装置313组成；径向加载装置312固定在配重盘212的轮缘处，泵站306通过径向加载装置312向配重盘212径向施加油压；轴向加载装置313固定在配重盘212外侧轴端，泵站306通过轴向加载装置313向配重盘212施加轴向油压。

径向加载装置312由液压缸401、Y型接头402、定位压块403、径向滑块405、加载支架406、深沟球轴承407、销轴408、压轮409组成；Y型接头402的根部与液压缸401输出的接头固定连接，另一端通过固定销与径向滑块405铰接；压轮409通过深沟球轴承407、销轴408固定在径向滑块405的另一端上，位置处于使压轮409的加载方向为配重盘212的径向；定位压块403压住径向滑块405，保证其只能沿着配重盘的径向运动。

轴向加载装置313由液压缸401、Y型接头402、定位压块403、轴向滑块415、加载支架406、角接触轴承417、顶针418、压盖419组成。Y型接头402的根部与液压缸401输出接头固定连接，另一端通过固定销与轴向滑块415铰接；顶针418通过角接触轴承417固定在轴向滑块415的另一端上，位置处于使顶针418的加载方向为配重盘212的轴线方向。定位压块403压住轴向滑块415，保证其只能沿着配重盘的轴向运动。

实验时，

1 首先检查箱体100内油位，如油位过低，将管堵301取下，在箱体100内注入润滑油至油标303处，将管堵301拧上。将径向加载装置312、轴向加载装置313调正并固定；

2 分别按照需求在五个平行轴、配重盘212以及箱体100等处安装振动位移传感器、转速传感器；

3 通过变频器310调节电机309转速、调整配重盘310的偏心质量、通过泵站306调整滑动轴承210的油膜压力、径向加载装置312和轴向加载装置313的加载大小，并进行各项实验；

4 实验完成后，关闭电机309，将泵站306的油压调零，并拆下传感器。

Claims (7)

1.五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，由五平行转子轴承系统、密封的箱体(100)、电机(309)、泵站(306)、闭合油压管路系统、轴向加载装置、径向加载装置、和油压加载系统组成；其特征在于五平行转子轴承系统固定在密封的箱体(100)上，并通过齿轮啮合，电机(309)的输出轴与五平行转子轴承系统输入轴(201)通过膜片联轴器(307)相连，并通过变频器(310)对输入轴(201)进行调速控制；泵站(306)分别通过进油管和出油管与每个密封的轴承座(101)的进油孔和出油孔连通构成闭合油压管路系统；需要加载实验的平行轴端伸出箱体(100)，并在其的端点处通过键和锁紧螺母固定配重盘(212)，泵站(306)分别通过进油管和出油管与固定在配重盘轴线上的轴向加载装置的液压缸连通，向平行轴施加轴向压力；泵站(306)分别通过进油管和出油管与固定在配重盘轮缘处的径向加载装置的液压缸连通，向平行轴施加径向压力。

2.根据权利要求1所述的五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，其特征在于箱体(100)为金属制成的底面为矩形，两个相对的侧面垂直于地面的立方体的密封箱体，在箱体(100)的顶端安装有空气过滤器(302)，箱体(100)的下部，留有用于观察油位的油标(303)，在油标(303)的上方安装用于灌入润滑油的进油口及其管堵(301)，在靠近箱体(100)的底部侧边上，安装有卸油口及其端盖(305)；箱体(100)的侧壁有若干采用透明有机玻璃制成的窥视窗(304)；在箱体(100)垂直于地面的两个相对的侧壁上，对称留有五个供水平轴穿过的圆形孔及安装在圆形孔上的轴承座(101)；每个轴承座靠近箱体的外侧端安装有法兰和密封圈将箱体(100)密封住，其中平行轴伸出箱体端的法兰采用环形法兰(106)密封，平行轴不伸出箱体端的法兰采用盲法兰(105)密封；每个轴承座靠近箱体的内侧端的边沿有一圈向内的轴承座台阶(102)；每个轴承座(101)的顶端留有通向轴承座(101)内的轴承座进油孔(103)，每个轴承座的底端留有通向轴承座内的轴承座出油孔(104)。

3.根据权利要求1所述的五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，其特征在于五平行转子轴承系统主要由相互平行的输入轴(201)、中间传动轴(203)、1号输出齿轮轴(205)、2号输出齿轮轴(206)和3号输出齿轮轴(207)组成，五个平行轴的中间部位都固定有齿轮；输入轴(201)水平穿过箱体下部的圆形孔，两端通过安装于轴承座中的滑动轴承(210)和推力轴承(209)安装在其圆形孔的轴承座(101)上，位置处于使输入轴(201)上的输入轴齿轮(202)的底部浸入油位2-3个齿高；中间传动轴(203)两端通过安装于轴承座中的滑动轴承(210)和推力轴承(209)安装在箱体(100)中间位置的圆形孔的轴承座(101)上，1号输出齿轮轴(205)和2号输出齿轮轴(206)的两端通过安装于轴承座中的滑动轴承(210)和推力轴承(209)安装在中间传动轴(203)两侧的圆形孔的轴承座(101)上，3号输出齿轮轴(207)的两端通过安装于轴承座中的滑动轴承(210)和推力轴承(209)固定于中间传动轴(203)正上方的圆形孔的轴承座(101)上；输入轴(201)、中间传动轴(203)、1号输出齿轮轴(205)、2号输出齿轮轴(206)和3号输出齿轮轴(207)相互位置处于使固定于中间传动轴(203)上的中间传动轴齿轮(204)与输入轴齿轮(202)、1号输出齿轮轴(205)上的齿轮、2号输出齿轮轴(206)上的齿轮、和3号输出齿轮轴(207)上的齿轮啮合；输入轴齿轮(202)与中间传动轴齿轮(204)之间的传动比在2.3-2.5之间，中间传动轴齿轮(204)与1号输出齿轮轴(205)之间的传动比在0.2-0.25之间，中间传动轴齿轮(204)与2号输出齿轮轴(206)的传动比在0.15-0.2之间，中间传动轴齿轮(204)与3号输出齿轮轴(207)之间的传动比在0.1-0.15之间；1号输出齿轮轴(205)远离电机(309)端、2号输出齿轮轴(206)的两端、和3号输出齿轮轴(207)的两端伸出箱体(100)，并在端点处分别通过键和锁紧螺母固定配重盘(212)，且在其伸出箱体(100)处用环形法兰(106)和密封圈将箱体(100)密封；1号输出齿轮轴(205)靠近电机(309)端、中间传动轴(203)的两端和远离电机(309)的输入轴(201)端不伸出箱体，在其轴承座的外端采用盲法兰(105)和密封圈将箱体(100)密封；在靠近电机端输入轴(201)伸出箱体处用环形法兰(106)和密封圈将箱体密封。

4.根据权利要求1所述的五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，其特征在于连接泵站(306)和五平行转子系统的轴承座的油压管路系统由轴承座(101)、推力轴承(209)、滑动轴承(210)、推力轴承隔环(213)、滑动轴承隔环(110)、唇形密封(108)、两根分别接通轴承座进油孔(103)和轴承座出油孔(104)和泵站(306)的闭合管路系统组成；推力轴承(209)的外侧端由固定于轴承座外侧端的法兰向内压紧，推力轴承(209)的内侧端通过轴承座中的推力轴承隔环(213)向外将推力轴承(209)压紧，推力轴承隔环的外侧端压紧推力轴承(209)，内侧端卡在平行轴轴肩(107)处；滑动轴承(210)安装在推力轴承(209)的内侧端；滑动轴承隔环(110)隔在滑动轴承(210)外侧端和轴承座台阶(102)之间，使滑动轴承(210)与推力轴承(209)之间留有间隙；在每个推力轴承(209)和滑动轴承(210)所在的区域两端用固定在平行轴上的唇形密封(108)将该区域密封住；在每个滑动轴承(210)两侧的凹槽上安装滑动轴承密封圈(109)；轴承座(101)，盲法兰(105)，环形法兰(106)的把合面用端面密封圈(111)密封。

5.根据权利要求1所述的五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，其特征在于轴向加载装置(313)由液压缸(401)、Y型接头(402)、定位压块(403)、轴向滑块(415)、角接触轴承(417)、顶针(418)组成；Y型接头(402)的根部与液压缸(401)输出接头固定连接，另一端通过固定销与轴向滑块(415)铰接；顶针(418)通过角接触轴承(417)固定在轴向滑块(415)的另一端上，位置处于使顶针(418)的加载方向为配重盘(212)的轴线方向；定位压块(403)压住轴向滑块(415)，保证其只能沿着配重盘的轴向运动。

6.根据权利要求1所述的五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，其特征在于径向加载装置(312)由液压缸(401)、Y型接头(402)、定位压块(403)、径向滑块(405)、深沟球轴承(407)、销轴(408)、压轮(409)组成；Y型接头(402)的根部与液压缸(401)输出的接头固定连接，另一端通过固定销与径向滑块(405)铰接；压轮(409)通过深沟球轴承(407)和销轴(408)固定在径向滑块(405)的另一端上，位置处于使压轮(409)的加载方向为配重盘(212)的径向；定位压块(403)压住径向滑块(405)，保证其只能沿着配重盘(212)的径向运动。

7.根据权利要求1所述的五平行轴齿式压缩机动力学特性模拟实验装置，其特征在于箱体(100)可以是底面为矩形，两个非垂直侧面为对称的一个或多个坡面。