CN108225655B - 一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置及测试方法，包括机架、可旋转轴承座、测试轴承、测试主轴、电磁加载装置以及信息采集系统，可旋转轴承座通过轴承设置在机架上，可旋转轴承座上安装有两个测试轴承，测试主轴与涡轮驱动装置传动连接，测试轴承上设置有引气孔，可旋转轴承座对应两个测试轴承的引气孔处分别设置有测试孔，测试孔处设置有与压力传感器相连的引气管，电磁加载装置设置在待测主轴的正下方，转角传感器和两个压力传感器采集通过转接模块和数据采集卡与工控计算连接。本发明的测试装置及方法适用范围广泛，能够测量主轴在任意转速范围内周向流场内部气膜压力，获得气体轴承周向上准确、连续的流场内部气膜压力值。

Description

一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置与测试方法

技术领域

本发明涉及气体轴承检测技术领域，具体涉及一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置及测试方法。

背景技术

近年来随着航空航天、国防装备、高端医疗及空间探测等高端装备的快速发展，高速旋转机械已经成为这些高端装备重要组成部分。作为高端装备不可或缺的重要组成部分，气体轴承具有工作运行时转速高、精度高、摩擦小、无噪声、振动轻微、不产生摩擦热、效率高、寿命长、清洁环保、不受恶劣环境影响等传统轴承不可替代的优点，但承载力较低，刚性差等缺点却又极大地限制了气体轴承的应用。研究气体轴承的动静态特性，进一步提高气体轴承的性能至关重要。气体轴承气膜压力，是气体轴承的基本参数之一，通常在气体轴承的性能计算中，采用有限元法或有限差分法求解雷诺方程的方法获得气膜压力，但在计算中，必须在物理和数学上进行近似，所以计算得到的气膜压力以及由气膜压力压力决定的其他重要参数，如气膜承载力、气膜刚度、气膜阻尼等，都不能真实反映出实际情况。这就需要一套测试装置及测试方法来准确地获取所需气膜压力值。

目前，径向动静压气体轴承试验台在测试气体轴承内部、主轴周向流场的气膜压力分布主要用四种方法。一、采用砝码对主轴施加承载力，在主轴内部周向位置安装传感器测试气膜压力，但因转轴的转动，存在信号输出不便的问题，目前采用最多的办法是采用无线传输，但也仅仅用在轴承静态或者主轴转速不高的情况下，应用范围相对较窄；二、在轴承上施加承载力，并在轴承周向上连续安装多个传感器，这个方案适用于主轴高速旋转的场合，但测试内容仅限于传感器安装位置气膜压力分布情况，无法反映周向连续气膜压力值；同时过多的安装孔一定程度上破坏了轴承间隙的流场分布，导致测量数据不够准确；三、在主轴上施加方向可控的承载力，在轴承上加工小孔，通过气压引出管，连接远传压力表对气膜压力测量，改变承载力的方向实现对周向所需位置气膜压力的测试，这种方法承载力施加方向改变操作复杂，测试效率较低。四、在轴承内部表面放置压力胶片，利用在胶片上形成压痕灰度密度来确定供气压力，此种方法能够正确有效的测量气膜压力的分布情况，但只能测试稳态条件下的压力分布，同时测试方法难度较大，测试成本较高，限制了此种方法的应用。

发明内容

本发明的目的是为解决上述技术问题，提供一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置及测试方法。

本发明为解决上述技术问题，所提供的技术方案是：一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，包括机架、可旋转轴承座、测试轴承、测试主轴、电磁加载装置以及信息采集系统，所述信息采集系统包括转角传感器、压力传感器、转接模块、数据采集卡和工控计算机，所述可旋转轴承座通过两个轴承座支承轴承水平设置在机架上，机架上设置有可防止轴承座转动的限位组件以及可检测可旋转轴承座角位移的转角传感器，可旋转轴承座上安装有两个测试轴承，测试主轴通过两个测试轴承进行支承并与涡轮驱动装置传动连接，涡轮驱动装置和测试轴承分别连接至供气系统，且涡轮驱动装置和测试轴承与供气系统之间的供气管路上均设置有控制阀，所述测试轴承上设置有引气孔，可旋转轴承座对应两个测试轴承的引气孔处分别设置有测试孔，测试孔处设置有与压力传感器相连的引气管，所述电磁加载装置设置在待测主轴的正下方，转角传感器和两个压力传感器采集的信号依次经过转接模块和数据采集卡输入至工控计算机进行处理。

作为本发明一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置的进一步优化：所述限位组件为穿设在机架上的紧固螺栓，紧固螺栓旋设在机架的螺纹通孔内，且紧固螺栓的头端朝向可旋转轴承座的外壁设置。

作为本发明一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置的进一步优化：所述转角传感器为非接触式转角传感器，压力传感器为高频动态压力传感器。

作为本发明一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置的进一步优化：所述测试轴承的引气孔设置在其两排节流孔之间的位置。

一种动静压气体轴承动态气膜压力测试方法，利用上述装置进行测试，具体包括以下步骤：

步骤一：制定测试工况，启动电磁加载装置，对测试主轴施加重力方向的载荷，在测试过程中，加载载荷的大小及方向均保持不变。

步骤二：旋转可旋转轴承座，使测试孔位于最下端，通过限位组件将可旋转轴承座固定，防止其转动，设定此时的转角传感器角位移为0度，压力传感器测试位置即为初始测试位置。

步骤三：启动供气系统，调节气体轴承供气控制阀使气体轴承供气压力达到预设工况，此时，测试主轴悬浮起来，再调节涡轮供气控制阀，稳定提高供气压力使测试主轴逐渐达到预设转速。

步骤四：观察工控计算机对转轴沿轴承周向运动轨迹的实时显示，根据测试需求选取转子某一运行状态作为气膜压力测试起始时间，并在同一时刻对轴承座的角位移和气膜动态压力值进行采集，多次匀速转动轴承座后获取多组气膜压力-轴承座角位移-时间的数据；

步骤五：在工控计算机保存好测试数据之后，关闭涡轮供气控制阀，停止为主轴提供驱动力，逐渐降低测试轴承供气压力，直至关闭轴承供气压力控制阀，关闭电磁加载装置和供气系统，断开电源，针对要分析的问题，利用工控计算机内保存的测试数据处理得到测试结果。

上述步骤一中制定的测试工况包括轴承供气压力、涡轮供气压力、偏心率、数据采集率以及数据存储路径。

有益效果

一、本发明的测试装置将轴承座通过滚动轴承设置在机架上，使轴承座能够沿测试主轴周向转动，即气膜压力测试点能够绕轴做周向转动，从而在承载力方向不做出改变的情况下满足对测试气体轴承转轴周向气膜压力周向连续测量地需求，机械结构简单，操作方便，同时不破坏流场压力分布情况，为后续气膜力、气膜动态特性、非线性的相关问题研究提供测试数据；

二、本发明的测试装置及方法适用范围广泛，能够测量主轴在任意转速范围内周向流场内部气膜压力，获得气体轴承周向上准确、连续的流场内部气膜压力值。

附图说明

图1为本发明动态气膜压力测试装置的结构示意图；

图2为本发明动态气膜压力测试装置的剖面部分剖面结构示意图；

图3为本发明动静压气体轴承动态气膜压力测试方法的流程框图；

图中标记：1、机架，2、可旋转轴承座，3、测试轴承，4、测试主轴，5、电磁加载装置，6、轴承座支撑轴承，7、限位组件，8、转角传感器，9、涡轮驱动装置，10、供气系统，11、控制阀，12、压力传感器，13、转接模块，14、数据采集卡，15、工控计算机。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1和2所示：一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，包括机架1、可旋转轴承座2、测试轴承3、测试主轴4、电磁加载装置5以及信息采集系统，所述信息采集系统包括转角传感器8、压力传感器12、转接模块13、数据采集卡14和工控计算机15，所述可旋转轴承座2通过两个滚动轴承水平设置在机架1上，机架1上设置有可防止轴承座转动的限位组件7以及可检测可旋转轴承座2角位移的转角传感器8，限位组件7为穿设在机架1上的紧固螺栓，紧固螺栓旋设在机架1的螺纹通孔内，且紧固螺栓的头端朝向可旋转轴承座2的外壁设置，可旋转轴承座2上安装有两个测试轴承3，测试主轴4通过两个测试轴承3进行支承并与涡轮驱动装置9传动连接，涡轮驱动装置9和测试轴承3分别连接至供气系统10，且涡轮驱动装置9和测试轴承3与供气系统10之间的供气管路上均设置有控制阀11，所述测试轴承3上设置有引气孔，引气孔设置在其两排节流孔之间的位置，可旋转轴承座2对应两个测试轴承3的引气孔处分别设置有测试孔，测试孔处设置有与压力传感器12相连的引气管，所述电磁加载装置5设置在测试主轴4的正下方，转角传感器8和两个压力传感器12均与数据处理系统的输入端连接，转角传感器8为非接触式转角传感器，压力传感器12为高频动态压力传感器，数据处理系统包括转接模块13、数据采集卡14和工控计算机15，转角传感器8和两个压力传感器12采集的信号依次经过转接模块13和数据采集卡14输入至工控计算机15进行处理。

本测试装置基本原理为保持测试气体轴承承载力方向不变，通过使压力测试点沿转轴周向连续转动的方式实现单测试点对气体轴承周向气膜压力连续测量。根据测试测得连续气膜压力值可以分析气膜动态压力分布情况，测试分析运行参数如偏心率，转轴转速对气膜压力分布的影响，并根据动态压力分布的分析情况，去分析气体轴承动静压耦合效应，分析承载方向的气膜承载力的动态变化，计算出不同方向的气膜力分量，分析气膜压力变化对涡动稳定性的影响规律等，具体如下：

（1）气膜压力压力分布在周向的分布特点

对气膜压力分布在周向上的探索主要是体现在转速、偏心量、轴承供气压力等运行参数对气膜压力分布的影响。具体地，运用控制变量法，通过控制涡轮供气压力的方法控制主轴转速，通过调节加载力的方法来提供不同的偏心条件，以及直接控制轴承供气压力的方法，控制其中两运行参数不变，探索另一运行参数变化对稳定运行状态下气膜压力分布的影响；

（2）压力分布对动静压耦合效应的影响

测量静压、动压以及动静压运行状态下气膜压力分布，对比分析压力分布与动静压耦合效应之间的相应关系，探究压力分布对动静压耦合效应的影响。具体地，当轴承供气压力较高，转速相应较低时，轴承运转以静压效应为主；当转速较高，而供气压力较低时，轴承运转以动压效应为主；当轴承一定的供气压力及一定转速条件下运行时，会兼具两中效应，形成动静压耦合效应；通过控制气体轴承供气压力、转轴转速两运行参数的数值由低到高，合理设置实验参数间隔，通过研究在不同动静压耦合效应下周向气膜力的分布状况，研究压力分布对动静压耦合效应的影响。

（3）分析偏心率对承载力的影响规律；

调取实验采集的气膜压力的数据，结合转子运行轨迹图，提取转子稳定运行状态下轴承转子某一位置的气膜压力分布数据，即获取转子在某一运行状态下，某一位置的周向气膜压力值即相应的角度坐标，获得该位置的所有周向压力值；结合气膜压力值及相应气膜压力的相位，计算出沿承载方向气膜力的合力从而得到某一运行状态下轴承的承载力；对比不同偏心下承载力得到偏心率对承载力的影响规律。

（4）分析压力分布情况与气膜刚度的关系；

调取实验采集的气膜压力的数据，得到某一运行状态下，转子在某一置的气膜压力分布情况，结合转轴自身重力和加载力，计算出转子所受合力；结合转子涡动轨迹图以及转子涡动产生的位移数据，算出气膜刚度；对比分析不同压力分布状况下气膜的刚度，得出压力分布情况与气膜刚度的关系。

（5）根据得到的轴承气膜压力分布，计算出各点气膜力的切向分量和径向分量，分析压力分布与涡动力（气膜力的切向分量）的关系，分析气膜压力变化对涡动稳定性的影响规律。

（6）对比分析动力端和非动力端测试轴承气膜压力分布状况，通过对比分析两端压力分布情况验证实验分析的有效性。

实施例2

一种动静压气体轴承动态气膜压力测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一：制定测试工况，启动电磁加载装置，对测试主轴施加重力方向的载荷，在测试过程中，加载载荷的大小及方向均保持不变。

步骤二：旋转可旋转轴承座，使测试孔位于最下端，通过限位组件将可旋转轴承座固定，防止其转动，设定此时的转角传感器角位移为0度，压力传感器测试位置即为初始测试位置。

步骤三：启动供气系统，调节气体轴承供气控制阀使气体轴承供气压力达到预设工况，此时，测试主轴悬浮起来，再调节涡轮供气控制阀，稳定提高供气压力使测试主轴逐渐达到预设转速。

步骤四：观察工控计算机对转轴沿轴承周向运动轨迹的实时显示，根据测试需求选取转子某一运行状态作为气膜压力测试起始时间，并在同一时刻对轴承座的角位移和气膜动态压力值进行采集，多次匀速转动轴承座后获取多组气膜压力-轴承座角位移-时间的数据；

步骤五：在工控计算机保存好测试数据之后，关闭涡轮供气控制阀，停止为主轴提供驱动力，逐渐降低测试轴承供气压力，直至关闭轴承供气压力控制阀，关闭电磁加载装置和供气系统，断开电源，针对要分析的问题，利用工控计算机内保存的测试数据处理得到测试结果。

实施例3

一种动静压气体轴承动态气膜压力测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一：制定测试工况：轴承供气压力、涡轮供气压力（转轴转速）、偏心率、数据采集率、数据存储路径。

步骤二：启动电磁加载装置，对测试主轴施加重力方向一定大小的载荷，用以调节轴承转子运行初始状态的偏心率，在轴承运行过程中，加载载荷大小方向保持不变。

步骤三：对信号采集设备供电，将输入信号接入数据采集卡。

步骤四：调出数据采集程序，设置采集通道、速率、存储路径进行设定。数据的采集速率根据转轴的转速而定，从而保证数据采集量。

步骤五：设定气体轴承周向气膜压力初始测试位置。具体地，为了便于对采集数据的分析计算，设置竖直方向最低点为初始采集点，首先旋转轴承座，使测试孔位于最轴承最下端，用紧固螺栓固定轴承座，设定此时的转角传感器角位移为0度，此时压力传感器测试位置即为初始测试位置。

步骤六：启动试验机，使系统在所需工况下运行。启动供气系统，先后调节轴承供气压力阀和涡轮供气压力阀使测试系统在所需工况条件下运行。具体地，打开供气系统，调节气体轴承供气阀，使气体轴承供气压力达到预设工况，使测试主轴悬浮起来，调节涡轮供气阀，稳定提高供气压力使测试主轴逐渐达到所需转速。

步骤七：获取轴承运行周向气膜压力数据。观察工控计算机对转轴沿轴承周向运动轨迹的实时显示，根据需求选取转子某一运行状态作为气膜压力测试起始时间，并在同一时刻对轴承座的角位移和气膜动态压力值进行采集，手动（根据需要引入外驱动）匀速转动轴承座15一周（大于等于一周），获取气膜压力-轴承座角位移-时间的一组数据（根据需要可连续旋转轴承座获取更多运行状态下的气膜压力数据）。

步骤八：在工控计算机保存好测试数据之后，关闭涡轮供气阀，降低主轴转速，等主轴转速降到只由轴承动压效应维持低速转动，手动降低主轴转速至零，逐渐关闭测试轴承供气阀，关闭电磁加载装置，关闭供气系统，断开电源结束测试。保存测试数据，并针对要分析的问题，利用matlab编制的程序提取所需数据，并得到相应的压力分布云图，对比不同运行参数、不同运行状态下的的压力分布情况得出测试结果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，其特征在于：包括机架（1）、可旋转轴承座（2）、测试轴承（3）、测试主轴（4）、电磁加载装置（5）以及信息采集系统，所述信息采集系统包括转角传感器（8）、压力传感器（12）、转接模块（13）、数据采集卡（14）和工控计算机（15），所述可旋转轴承座（2）通过两个轴承座支承轴承（6）水平设置在机架（1）上，机架（1）上设置有可防止轴承座转动的限位组件（7）以及可检测可旋转轴承座（2）角位移的转角传感器（8），可旋转轴承座（2）上安装有两个测试轴承（3），测试主轴（4）通过两个测试轴承（3）进行支承并与涡轮驱动装置（9）传动连接，涡轮驱动装置（9）和测试轴承（3）分别连接至供气系统（10），且涡轮驱动装置（9）和测试轴承（3）与供气系统（10）之间的供气管路上均设置有控制阀（11），所述测试轴承（3）上设置有引气孔，可旋转轴承座（2）对应两个测试轴承（3）的引气孔处分别设置有测试孔，测试孔处设置有与压力传感器（12）相连的引气管，所述电磁加载装置（5）设置在测试主轴（4）的正下方，转角传感器（8）和两个压力传感器（12）采集的信号依次经过转接模块（13）和数据采集卡（14）输入至工控计算机（15）进行处理。

2.如权利要求1所述的一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，其特征在于：所述轴承座支承轴承（6）为滚动轴承。

3.如权利要求1所述的一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，其特征在于：所述限位组件（7）为穿设在机架（1）上的紧固螺栓，紧固螺栓旋设在机架（1）的螺纹通孔内，且紧固螺栓的头端朝向可旋转轴承座（2）的外壁设置。

4.如权利要求1所述的一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，其特征在于：所述转角传感器（8）为非接触式转角传感器，压力传感器（12）为高频动态压力传感器。

5.如权利要求1所述的一种动静压气体轴承动态气膜压力测试装置，其特征在于：所述测试轴承（3）的引气孔设置在其两排节流孔之间的位置。

6.一种动静压气体轴承动态气膜压力测试方法，其特征在于：利用权利要求1所述装置进行测试，具体包括以下步骤：

步骤一：制定测试工况，启动电磁加载装置，对测试主轴施加重力方向的载荷，在测试过程中，加载载荷的大小及方向均保持不变；

步骤二：旋转可旋转轴承座，使测试孔位于最下端，通过限位组件将可旋转轴承座固定，防止其转动，设定此时的转角传感器角位移为0度，压力传感器测试位置即为初始测试位置；

步骤三：启动供气系统，调节气体轴承供气控制阀使气体轴承供气压力达到预设工况，此时，测试主轴悬浮起来，再调节涡轮供气控制阀，稳定提高供气压力使测试主轴逐渐达到预设转速；

步骤四：观察工控计算机对转轴沿轴承周向运动轨迹的实时显示，根据测试需求选取转子某一运行状态作为气膜压力测试起始时间，并在同一时刻对轴承座的角位移和气膜动态压力值进行采集，多次匀速转动轴承座后获取多组气膜压力-轴承座角位移-时间的数据；

步骤五：在工控计算机保存好测试数据之后，关闭涡轮供气控制阀，停止为主轴提供驱动力，逐渐降低测试轴承供气压力，直至关闭轴承供气压力控制阀，关闭电磁加载装置和供气系统，断开电源，针对要分析的问题，利用工控计算机内保存的测试数据处理得到测试结果。

7.如权利要求6所述的一种动静压气体轴承动态气膜压力测试方法，其特征在于：所述步骤一中制定的测试工况包括轴承供气压力、涡轮供气压力、偏心率、数据采集率以及数据存储路径。