CN103604587A - 高速旋转试验机及测试转子高速旋转强度性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速旋转试验机及测试转子高速旋转强度性能的方法，包括试验腔体，容纳于试验腔体内供试验转子进行试验的转子系统，驱动转子系统的驱动系统及控制转子系统转速的转速控制系统；驱动系统包括：驱动电机；与驱动电机连接并带动转子系统高速转动的增速装置；转子系统包括：试验转子固定件；主轴，与试验转子固定件连接并由增速装置带动转动；阻尼器，套在主轴外支承主轴；试验腔体带有抽真空口；试验腔体内环绕转子系统设有多层包容环，各包容环之间通过设置在包容环末端的隔离块连接。本发明以高速旋转转子作为试验对象，通过增速系统对转子进行加速，模拟转子在高速旋转下的工作状态，测试转子耐高速离心载荷作用的性能要求。

Description

高速旋转试验机及测试转子高速旋转强度性能的方法

技术领域

本发明涉及旋转试验机，尤其是涉及一种高速旋转试验机及测试转子高速旋转强度性能的方法。

背景技术

高速旋转机械在国民经济的各个领域中得到广泛应用。随着我国社会发展进步，对生产安全的要求进一步提高，高速旋转机械的安全性成为重要的问题。对汽车发动机飞轮、离心压缩机叶轮、医用离心分离机转头、涡轮增压器转子、离心分离机转鼓、航空发动机转子、航天推进器燃料泵转子等高速转子进行超速旋转强度测试和爆裂强度极限测试成为考核其强度和安全性的一种重要手段。转子高速旋转试验对于转子产品的设计和结构优化也有重要意义，通过实验对理论分析所用模型的验证与改进，有助于建立更准确的计算模型，提高新型转子研究的效率。对于制造厂而言，单个转子零件的安全可靠性是转子系统整机安全可靠的前提。如离心压缩机叶轮的超速试验是值得十分重视的，通过超速试验检测可以避免在制造工艺过程中存在缺陷的叶轮被安装到最终的压缩机产品中去。

公开号为CN 201173849的中国专利文献公开了一种转子试验台。该试验台包括底板，所述底板一端安装有电机，另一端安装有油膜震荡轴承支架，所述油膜震荡轴承支架上设有油杯；所述电机与油膜震荡轴承支架之间设有含油轴承支架、配重盘和传感器支架，所述传感器支架上安装有传感器;被测试主轴通过软接头分别连接到所述电机的输出轴和油膜震荡轴承支架上。该转子试验台可以在设计阶段对机械产品的转动部件进行测试，以根据测试结果修改设计参数，保证设计出的机械产品可以实现高速旋转而不产生震动或只产生极微小的震动，从而保证产品的安全。

公开号为CN202903475U的中国专利文献公开了一种油封测试用高速旋转试验机，电机的输出轴上套装第一主动轮，第一主动轮通过第一皮带与第一从动轮连接，第一从动轮套装于第一转换轴的一端，在第一转换轴的另一端安装第二主动轮，第二主动轮通过第二皮带与第二从动轮连接，第二从动轮安装于第二转换轴的一端，该第二转换轴的另一端伸入试验仓内，并与试验主轴相连接。虽然上述油封测试用高速旋转试验机经过电器设备和机械方式改变旋转速度，产生旋转速度为15000转/分钟的转速，但其仅适用于油封测试且高速旋转容易产生共振。

发明内容

本发明提供了一种高速旋转试验机，该试验机以高速旋转转子作为试验对象，通过增速系统对待测转子进行加速，模拟转子在高速旋转下的工作状态，测试转子耐高速离心载荷作用的性能要求。

本发明还提供了一种测试转子高速旋转强度性能的方法，利用本发明提供的试验机，通过设定加速度，目标转速，保持时间，循环次数等，模拟转子实际的工作状态，考核转子在高速下的性能。

一种高速旋转试验机，包括试验腔体，容纳于该试验腔体内供试验转子进行试验的转子系统，驱动该转子系统的驱动系统及控制该转子系统转速的转速控制系统；

所述驱动系统包括：

驱动电机；

与驱动电机连接并带动所述转子系统高速转动的增速装置；

所述转子系统包括：

试验转子固定件；

主轴，与所述试验转子固定件连接并由所述增速装置带动转动；

阻尼器，套在所述主轴外支承所述主轴；

所述试验腔体带有抽真空口；

所述试验腔体内环绕所述转子系统设有多层包容环，各包容环之间通过设置在所述包容环末端的隔离块连接。

所述主轴为高速柔性轴。

所述转子系统和所述驱动电机为倒立式结构，所述试验转子固定件连接在所述主轴下端，所述主轴上端与所述增速装置连接，所述阻尼器设置在所述试验转子固定件上方，如此形成倒立式结构。所述驱动电机带有输出轴，该输出轴与所述增速装置连接，且两者的连接点设置在所述驱动电机的下方，如此形成倒立式结构。转子系统和驱动电机为倒立式结构能克服传统上立式结构带来的承载能力小、稳定性差的问题，同比条件下承载能力提高5倍以上。

所述增速装置包括：

大带轮，其与所述驱动电机连接；

小带轮，其与所述主轴连接；

传动带，连接所述大带轮和所述小带轮。

所述增速装置可更换不同外径的小带轮，以在驱动电机输出轴转速不变的情况下，实现主轴转速不同，其为可变速比增速装置。所述增速装置可达到5～10的增速传动比，通过一级增速即可使小带轮安装轴的最高转速超过30000r/min。作为优选，所述小带轮处设置有高速齿轮增速器，通过在小带轮处增加一个高速齿轮增速器，可使小带轮安装轴的最高转速达到更高。

所述阻尼器为可变刚度阻尼器，其是一种利用橡胶材料具有粘弹性的原理和挤压油膜阻尼器而发展起来的，它能在较高的频率和温度下表现出较强的阻尼特性，可以有效控制试验转子因不平衡引起的振动，并通过改变挤压油膜的供油油压来改变阻尼器的支承刚度，使转子系统顺利通过临界转速区。

所述阻尼器包括依次绕设在所述主轴外的内振子，橡胶阻尼层，中间振子，挤压油膜阻尼层以及阻尼器座，所述挤压油膜阻尼层连接带有油压调节阀的油管且所述挤压油膜阻尼层两端设有油封。在试验过程中通过改变挤压油膜阻尼层的供油压力来改变阻尼器的支承刚度，从而使系统成功避开转子临界转速，避免共振的产生。所述阻尼器座用来安装阻尼器。

所述主轴上设有提供支承的上限位保护支承和下限位保护支承，所述上限位保护支承和下限位保护支承分设于所述试验转子固定件两侧。上限位保护支承和下限位保护支承是用来防止主轴产生过大的振动而造成的主轴损坏。

所述转速控制系统包括：

测量试验转子振动的测振传感器；

测量主轴转速的测速传感器；

通过所述测振传感器和测速传感器获得信号调控所述驱动电机转速的计算机控制器。作为优选，所述计算机控制器带有改进PID控制原理的算法器，其通过设定的PID控制原理控制试验转子的转速，有效避免试验机在升速过程中的超调。

包容环是一种安装于试验腔体内部的金属环形结构件，所述包容环底部设有保持包容环静止的刹车器，当包容环周向旋转时，通过刹车器控制其为静止态。

包容环的材料可采用防弹钢板圈焊而成圆筒形，高速转子爆裂碎片撞击包容环中部，包容环抵挡住高速碎片沿径向飞出，隔离块作为包容环两端的支撑点，允许包容环中部产生弹塑性变形吸收碎片动能。在碎片撞击下包容环沿周向旋转，刹车器通过运动件与静止件的摩擦吸收包容环的动能，最终控制包容环的运动。为保护试验器腔体和试验人员的安全，通过包容环弹塑性变形能够吸收的最大能量及刹车器动静部件摩擦能够吸收的最大能量的总和通常是试验件最大爆裂能量的2～5倍。

所述高速旋转试验机以高速旋转转子作为试验对象，转子通过转子固定件安装在主轴下端，主轴通过增速装置达到所需要的目标转速。主轴上设有阻尼器；试验转子安装在试验腔体内，在转子加速前对试验腔体进行抽真空处理，可减小转子在高速旋转过程中产生的空气阻力，减轻对驱动电机功率的需求；另外，试验腔体内抽真空，可以避免转子爆裂过程中碎片与包容环高速接触引发起火。

一种利用上述高速旋转试验机测试转子高速旋转强度性能的方法，包括以下步骤：

（1）在主轴上安装试验转子，检测试验转子表面的径向跳动度，控制跳动度小于5微米；

（2）通过转速控制系统设定升速加速度a[r/min]，目标转速N[r/min]与目标转速保持时间T[min]；

（3）对试验腔体进行抽真空处理，使试验腔体真空度小于设定真空度P[Pa]；

（4）控制转速按照设定的加速度升速至设定的目标转速后，保持一定的时间后，降速至零转速；

（5）对试验腔体放气，使试验腔体内压力恢复常压；

（6）取下试验转子，整个高速旋转试验过程结束，并考核试验后的试验转子的情况。

其中，步骤（4）中，若在转子升速过程中发生主轴振动超过设定的报警值，或是发生转子由于强度不足而爆裂，则试验机自动停机。

若需要，步骤（4）可重复多次，直至循环次数达到预定的次数M。

其中目标转速N根据不同的行业要求，转子超速试验时设定为额定工作转速N额的1.1倍，或1.2倍，或3.0倍，或其它转速；转子爆裂试验时，通过对待测转子的力学计算，事先估算出转子的破裂转速值n_计，取试验的目标转速适当大于此计算值。

升速加速度a根据试验转子的重量、转动惯量，以及驱动电机的驱动能力确定，并尽可能地模拟转子在实际工况下运行加速度。

目标转速保持时间T，可以设定为0秒至2小时之间的任一值。

所述试验方法以转子在所需的目标转速下的高速旋转状态，模拟待测转子的实际工作状态，以“升速加速度a”、“目标转速N”、“目标转速保持时间T”作为三个相对独立的重要影响因素，并通过对试验结束后的试验转子的状态进行考核，考察待测转子在高速下旋转的性能。利用本试验机及试验方法可实现高速旋转转子实际工况的高速旋转的性能，可以获得与实际转子运行状态特性相一致的结果。

转速控制系统可以实现对试验机的全自动化控制，通过计算机控制器的可视化操作完成试验转子的升速、保载及降速控制，并设有振动振幅限位保护功能，若升速过程中振幅超过限定值则试验台自动停机保护，试验过程中若有试验转子碎片飞出，试验台也实现自动停机保护。

本发明的有益效果是：

（1）针对高速旋转零部件强度测试试验机要求单轴承载能力大、转子系统稳定性好、适用范围广的特点，设计倒立式转子试验机结构，克服了传统上立式结构带来的承载能力小、稳定性差的问题，同比条件下承载能力提高5倍以上。

（2）本发明的高速旋转试验机采用高速传动带增速，与传统的齿轮增速或高速电机相比，使用成本低、运行更加平稳、维护与安装简单。而且作为一种柔性传动，具有较强的抗冲击载荷的能力，在试验转子爆裂瞬间，皮带传动自动打滑，有效保护电机等动力部件免受损伤。本发明的转子高速旋转系统能够实现汽车发动机飞轮、离心压缩机叶轮、医用离心分离机转头、涡轮增压器转子、离心分离机转鼓、航空发动机转子、航天推进器燃料泵转子等的高速旋转，真实反映转子高速旋转的运行情况，并能通过高于转子额定工作转速的超速旋转试验来测试转子在高速下的强度性能。

（3）阻尼器通过调节挤压油膜供油压力，实现了转子系统临界转速可在线调节的目的，通过转子在过临界点前快速控制临界点移动，有效避免了升速过程中过临界时的共振响应，达到了主动减振的目的；同时在试验机的转子支承部位设置阻尼器，实现了转子本底剩余振动的高效吸收。

（4）本发明采用适用于转子超高速试验机转速控制的改良PID算法，采用分段变PID控制方法，实现了试验转速的无超调控制，避免试验转子由于不正确的升速控制引起转速超调而爆裂。

附图说明

图1为本发明的高速旋转试验机的结构图。

图2为图1中的可变刚度阻尼器的结构图。

图3为转子系统临界转速调节示意图。

图4为PID算法的示意图。其中，图4a为传统的PID算法示意图；图4b为改进的PID算法示意图。

图中：1、下限位支承，2、基座底板，3、刹车器，4、隔离块，5、试验转子、6、包容环，7、试验转子固定件，8、试验腔体，9、试验腔体盖，10、可变刚度阻尼器，11、高速柔性轴，12、支承轴承，13、小带轮安装轴，14、小带轮，15、测速压盖，16、锁紧螺钉，17、测速传感器，18、高速传动带，19、倒立式直流电机，20、大带轮，21、电机支座，22、抽真空接口，23、上限位支承，24、测振传感器，25、阻尼器座，26、挤压油膜，27、中间振子，28、橡胶阻尼层，29、内振子，30油封，31、油压调节阀。

具体实施方式

如图1所示，一种倒立式高速旋转试验机，包括基座底板2，设置在基座底板2上的试验腔体8，容纳于试验腔体8内供试验转子5进行试验的转子系统及驱动转子系统的驱动电机，与驱动电机连接并带动转子系统转动的增速装置，设置在试验腔体8内的安全防护装置及控制旋转试验机操作的转速控制系统。其中，试验腔体8上配置有试验腔盖9和抽真空口22，抽真空口22与真空泵连接用于对试验腔体8进行抽真空处理。驱动电机为倒立式直流电机19，增速装置为可变速比增速装置，转子系统为倒立式高速转子系统，其包括试验转子固定件7；与试验转子固定件7连接并由增速装置带动转动的高速柔性轴11，高速柔性轴11上设有上限位保护支承23和下限位保护支承1，上限位保护支承23和下限位保护支承1分设于试验转子固定件7的两侧；套在高速柔性轴11外支承该高速柔性轴11的阻尼器，阻尼器为可变刚度阻尼器10。试验时转子通过试验转子固定件7连接在高速柔性轴11上，形成一种倒立式的结构，如此改变了传统的上立式结构，提高了轴的稳定性；同时，通过上限位保护支承23和下限位保护支承1来控制高速柔性轴11的振动大小，在主轴振动过大时及时停车，保护主轴不受损坏。

倒立式直流电机19设置在电机支座21上，倒立式直流电机19的电机输出轴连接有增速装置，增速装置包括与电机输出轴相连接的大带轮20，高速传动带18与小带轮14。大带轮20位于倒立式直流电机19的正下方；倒立式直流电机19通过键连接传递扭矩，直接带动大带轮20转动；大带轮20通过高速传动带18将扭矩传递给小带轮安装轴13，实现高传动比的增速，小带轮安装轴13与试验腔盖9之间设置有支承轴承12，小带轮安装轴13与高速柔性轴11的末端通过三角形配合传递扭矩，实现同步旋转。小带轮14的上方设有测速压盖15，测速压盖15通过锁紧螺钉16与高速柔性轴11固定。小带轮14可以更换，通过选择不同大小的带轮来改变增速系统的增速比，可以使小带轮安装轴13可以达到最高30000r/min的转速。

如图2所示，可变刚度阻尼器10包括内振子29，橡胶阻尼层28，中间振子29，挤压油膜阻尼层26，油封30，油压调节阀31，以及阻尼器座25；内振子29，橡胶阻尼层28，中间振子29，挤压油膜阻尼层26以及阻尼器座25依次绕设在高速柔性轴11外，阻尼器座25倒挂安装在试验腔体8的中间隔板上，可变刚度阻尼器10安装在阻尼器座25的腔室内，通过螺栓固定在小带轮安装轴13的下方；阻尼器座25位于可变刚度阻尼器10的最外面，起到支承和保护的作用。中间振子27与内振子29之间设有橡胶阻尼层28；通过橡胶阻尼层28的阻尼减振作用，控制高速柔性轴11的振动；挤压油膜阻尼层26连接带有油压调节阀30的油管且挤压油膜阻尼层26两端设有油封30。通过油压调节阀30调节从油泵中出来的油，以控制阻尼器10的刚度。

试验腔盖9、可变刚度阻尼器10、阻尼器座25可以整体装配后，再安装在试验腔体8中，整体拆装非常方便；而高速柔性轴11可以直接从顶端向下安装，直到顶端的三角轴卡紧在小带轮安装轴13的三角孔内，因此高速柔性轴11的更换也非常简单。

安全防护装置包括设置在试验腔体8内环绕转子系统的多层圆筒形包容环6，设置在包容环6底部的刹车器3，以及包容环6之间的隔离块4。隔离块4设置在包容环6末端，使各包容环6通过隔离块4连接。高速转子爆裂碎片撞击包容环6中部，包容环6抵挡住高速碎片沿径向飞出，隔离块4作为两端的支撑点，允许包容环6中部产生弹塑性变形吸收碎片动能。在碎片撞击下包容环6沿周向旋转，刹车器3通过运动件与静止件的摩擦吸收包容环6的动能，最终控制包容环6的运动。

转速控制系统包括测量试验转子转速的测振传感器24，测量主轴转速的测速传感器17以及通过测振传感器24和测速传感器17所获得信号调控驱动电机19转速的计算机控制器。如图3所示，图中实线部分是升速过程中振动实际走过的过程示意图，在待测转子运转时，转子一直升速至目标转速，升速过程中，一开始使系统处于大刚度K₁的情况下，这样系统的临界转速较高，对转子系统进行升速，到快要达到临界转速时，通过调节油封30的压力降低系统的刚度至K₂，此时转子系统的临界转速减小，可以给转子系统继续升速，此过程可以使高速转子一直处于振动较小的状态，防止振动过大造成的主轴损坏。因此通过改变转子系统的刚度，可以使得系统稳速升速至目标转速，避开临界转速。在降速的过程中，可以通过先调小系统刚度，再增大系统刚度，来使系统避免共振的产生。其中，刚度K₁、K₂和试验转子5的直径、质量有关。转速控制系统可以实现对试验机的全自动化控制，通过计算机控制器的可视化操作完成试验转子的升速、保载及降速控制，并设有振动振幅限位保护功能，若升速过程中振幅超过限定值则试验台自动停机保护，试验过程中若有试验件碎片飞出，试验台也实现自动停机保护。

转速控制系统的工作原理说明如图4所示，图4a为传统的PID算法示意图，在转速的升速过程中，由于惯性作用，会产生一段超调，升至更高转速，再缓慢降至目标转速。控制不稳将导致试验机的转速超调严重，试验机运行不平稳，甚至出现转速上下窜动的现象，从而使试验机故障率提高。转速的超调还会导致试验转子意外爆裂。而改进的PID算法，如图4b，能够实现转速的平稳控制，其算法及各控制参数意义如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}1,t\&GreaterEqual;0\\ 0,t<0\end{array}\right.\\ \mathrm{\&Delta;}{u}_k=K_p{e}_k\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&Delta;}{V}_a-\mathrm{\&Delta;V})-K_d{(e_k-e_{k-1})}^2\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&Delta;V}-\mathrm{\&Delta;}{V}_a)\end{array}\right.;$

式中Δ_uk为控制量增量；K_p为比例系数；K_d为回调系数；e_k、e_k-1为当前偏差和前一次偏差；ΔV_a、ΔV分别为加速度允许最大值和实际值。K_p、K_d、ΔV_a等控制参数均根据试验转子5的转动惯量大小并利用相关经验公式计算获得。采用此控制方案，转速在升速过程中，会经过一段变PID调节后稳定在目标转速范围内，能够使试验机连续稳定运行，具有非常高的抗干扰性能和可靠性能。

利用上述倒立式转子高速旋转试验机测试转子高速性能的方法，包括以下步骤：

（1）打开试验腔体盖9，将试验转子5通过转子固定件7安装在高速柔性轴11上，利用百分表检测试验转子5表面的径向跳动度，控制跳动度小于5微米；

（2）闭合试验腔体盖9并锁紧，启动计算机控制器，输入升速加速度300r/min，目标转速15000r/min与目标转速保持时间10min。

（3）启动真空泵，对试验腔体8进行抽真空处理，使试验腔体8真空度小于2Pa；

（4）启动润滑油站油泵，对支承轴承12和阻尼器10供油。

（5）启动倒立式直流电机19，控制转速按照设定的加速度300r/min升速至设定的目标转速15000r/min后，保持10min时间后，降速至零转速；关闭直流电机19。

（6）关闭真空泵和油泵。打开真空放气阀（即抽真空口22），使试验腔体8内压力恢复常压。关闭计算机控制器。

（7）打开试验腔体盖9，取下试验转子5，整个高速旋转试验过程结束。

（8）若在第（5）步试验转子5升速过程中发生主轴振动超过设定的报警值，或是发生试验转子5由于强度不足而爆裂，则试验机自动停机。

其中，步骤（5）中，若在转子升速过程中发生主轴振动超过设定的报警值，或是发生转子由于强度不足而爆裂，则试验机自动停机。

若需要，步骤（5）可重复多次，直至循环次数达到预定的次数M。

升速过程中，观察试验转子是否在达到目标转速之前发生破裂导致试验中止。试验前以及试验后，测量试验转子内孔以及外径等关键部位的尺寸变化量，一般要求小于0.25%。试验结束后，可以对试验转子进行肉眼观察或者无损探伤方法检查，查看转子是否有裂纹等缺陷。通过上述手段考核试验转子是否具有承受高速旋转的能力。

Claims (8)

1.一种高速旋转试验机，包括试验腔体，容纳于该试验腔体内供试验转子进行试验的转子系统，驱动该转子系统的驱动系统及控制该转子系统转速的转速控制系统；其特征在于：

所述驱动系统包括：

驱动电机；

与驱动电机连接并带动所述转子系统高速转动的增速装置；

所述转子系统包括：

试验转子固定件；

主轴，与所述试验转子固定件连接并由所述增速装置带动转动；

阻尼器，套在所述主轴外支承所述主轴；

所述试验腔体带有抽真空口；

所述试验腔体内环绕所述转子系统设有多层包容环，各包容环之间通过设置在所述包容环末端的隔离块连接。

2.根据权利要求1所述的高速旋转试验机，其特征在于：

所述增速装置包括：

大带轮，其与所述驱动电机连接；

小带轮，其与所述主轴连接；

传动带，连接所述大带轮和所述小带轮。

3.根据权利要求1或2所述的高速旋转试验机，其特征在于：所述阻尼器包括依次绕设在所述主轴外的内振子、橡胶阻尼层、中间振子、挤压油膜阻尼层以及阻尼器座，所述挤压油膜阻尼层连接带有油压调节阀的油管且所述挤压油膜阻尼层两端设有油封。

4.根据权利要求1所述的高速旋转试验机，其特征在于：所述主轴上设有提供支承的上限位保护支承和下限位保护支承。

5.根据权利要求1所述的高速旋转试验机，其特征在于：

所述转速控制系统包括：

测量试验转子振动的测振传感器；

测量主轴转速的测速传感器；

通过所述测振传感器和测速传感器获得信号调控所述驱动电机转速的计算机控制器。

6.根据权利要求1所述的高速旋转试验机，其特征在于：所述包容环底部设有保持包容环静止的刹车器。

7.根据权利要求1所述的高速旋转试验机，其特征在于：所述转子系统和所述驱动电机为倒立式结构。

8.一种利用权利要求1所述高速旋转试验机测试转子高速旋转强度性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在主轴上安装试验转子，检测试验转子表面的径向跳动度，控制跳动度小于5微米；

（2）通过转速控制系统设定升速加速度a，目标转速N与目标转速保持时间T；

（3）对试验腔体进行抽真空处理，使试验腔体真空度小于设定真空度P；

（4）控制转速按照设定的加速度升速至设定的目标转速后，保持一定的时间后，降速至零转速；

（5）对试验腔体放气，使试验腔体内压力恢复常压；

（6）取下试验转子，整个高速旋转试验过程结束，并考核试验后的试验转子的情况。

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