CN110736621A - 径向动压空气轴承动态冷却测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空气轴承技术领域，具体涉及一种径向动压空气轴承动态冷却测量装置。所述径向动压空气轴承动态冷却测量装置包括：径向动压空气轴承试验器、试验装置控制系统、信号采集处理系统、空气供给系统、水冷系统；其采用动压空气轴承支撑的测量装置，最高转速可达10万转，可实现测量径向动压轴承气膜冷却特性、转子轴心轨迹、轴承套温度梯度特性等功能，可用于考核空气轴承温度特性，为冷却气路的设计提供基础。
Description
技术领域
本发明属于空气轴承技术领域，具体涉及一种径向动压空气轴承动态冷却测量装置。
背景技术
径向动压空气轴承是一种弹性支撑自适应动压气体轴承，径向动压空气轴承由轴承套1、弹性箔片2、顶层箔片3组成，如图1所示。径向动压空气轴承是利用气体在转子轴41与轴承表面间的楔形空间产生的压力气膜来支撑载荷，转轴在高速旋转时不断将一定粘度的气体带入楔形空间，气体的不断进入使气膜产生一定压力润滑气膜，浮起转轴，几乎无摩擦运行，其主要特点为振动小、无摩擦、高温稳定性好、无润滑油、免维护，在小型航空发动机、微型燃气轮机、车载涡轮增压器、空气循环机、空气压缩机领域得到了成功应用。
目前对动压空气轴承的研究主要集中在转子动力学分析、箔片力学建模、轴承参数的仿真计算等理论研究方面，动压空气轴承试验研究方面相对较少，且主要集中在动压空气轴承的静态及动态承载力特性试验，缺少对空气轴承气膜冷却特性的研究。
如图2所示为径向动压空气轴承静态刚度测量装置示意图，采用固定支架5支撑测量主轴8，主轴8一端安装径向动压空气轴承1～3，轴承套1外部设有套筒4，螺旋微分头6与套筒连接，通过旋进螺旋微分头6施加径向力，力传感器7与位移传感器9测量力与位移数据，经过信号处理得到静态刚度曲线，静态刚度可以用于指导轴承初步设计。
如图3所示为径向动压空气轴承径向承载力测量装置示意图，测量装置由驱动电主轴带动转子轴41旋转，轴承浮于转轴之上，当轴承工作产生阻力距时通过轴承座顶端的导杆将力矩传到钢丝12上从而改变了拉力传感器11的读数，轴承下方有砝码10用于给轴承施加径向载荷，这样就实现了轴承阻力距测量和施加轴承载荷的问题。目前电主轴转速在3～5万转，低于动压空气轴承的工作转速，因此无法考核工作转速下的稳定性，并且随着载荷的增加，轴承发热严重，影响其动态性能，该装置目前适用于单只轴承短时间承载力及起停特性的试验研究。
径向动压空气轴承的优势是高效长寿命，在长时间运行过程中，轴与气膜之间会产生摩擦热，轴承升温会导致气膜变稀薄，影响承载力，因此轴承的冷却气路设计是影响气膜的稳定性的关键因素，但目前没有相关的轴承冷却特性的测量装置。
目前径向动压空气轴承试验装置主要对轴承的静态刚度及承载力进行试验研究，且受限于驱动电主轴转速，一般小于5万转，远达不到径向动压空气轴承的额定运行转速10万转的实际工况，一般只适用于短时间承载力以及起停特性研究，而且未对空气轴承冷却特性进行测量，因此无法实现动压空气轴承长时间高速稳定性试验研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种径向动压空气动态冷却气路测量装置，要求为其采用动压空气轴承支撑的测量装置，最高转速可达10万转，可实现测量径向动压轴承气膜冷却特性、转子轴心轨迹、轴承套温度梯度特性等功能，可用于考核空气轴承温度特性，为冷却气路的设计提供基础。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种径向动压空气轴承动态冷却测量装置，所述径向动压空气轴承动态冷却测量装置包括：径向动压空气轴承试验器、试验装置控制系统、信号采集处理系统、空气供给系统、水冷系统；
其中，所述径向动压空气轴承试验器，其采用径向动压空气轴承支撑高速永磁同步电机，高速永磁同步电机的转速达10万转，所述径向动压空气轴承试验器内部设置有空气轴承冷却气路、水冷水路，且加装有温度传感器组、压力传感器组、振动传感器、位移传感器来实现冷却特性测量；
所述试验装置控制器系统用于控制径向动压空气轴承试验器在全转速范围内稳定工作；
所述信号采集处理系统用于采集、处理、存储包括温度传感器组、压力传感器组、振动传感器、位移传感器的各类传感器的信号；
所述空气供给系统用于为径向动压空气轴承试验器的空气轴承冷却气路提供温度压力稳定且具备一定调节能力的空气；
所述水冷系统用于为径向动压空气轴承试验器的定子散热。
其中，所述径向动压空气轴承试验器包括：两组径向动压空气轴承1～3、左轴承座17、电机机匣18、水冷套19、电机定子20、右轴承座23、弹性挡圈24、电机转子25、温度传感器组、压力传感器组、流量传感器26、振动传感器30、位移传感器；所述温度传感器组包括：轴承套温度传感器组和试验器温度传感器、进口温度传感器27、出口温度传感器33；所述压力传感器组包括：进口压力传感器28、出口压力传感器32；
其中，所述径向动压空气轴承试验器的电机定子20由两组径向动压空气轴承1～3支撑，两组径向动压空气轴承1～3分别位于电机定子20两端，两组径向动压空气轴承1～3分别安装在左轴承座17和右轴承座23中，在左轴承座17和右轴承座23之间设有电机机匣18，电机定子20与水冷套19组成定子组件，安装在电机机匣18内部，这样就构成径向动压空气轴承试验器的本体；
径向动压空气轴承试验器的发热部件包括：径向动压空气轴承1～3与电机定子20，为实现轴承冷却气路的测量，需要对电机定子20采用单独散热的方式，通过水冷水路实施水冷的方式来冷却电机定子20，这样就保证了轴承冷却气流不受定子散热的影响，所述水冷水路包括：水冷套19、冷却水进口29与冷却水出口31；其中，水冷套19铺设在电机定子20外壁，水冷套19外壁与电机机匣18内壁形成冷却水道，分别连通水冷套19的冷却水进口29与冷却水出口31位于电机机匣18顶部；
在通过空气轴承冷却气路对径向动压空气轴承1～3进行空气冷却的过程中，空气轴承冷却气路包括：空气进口管路、冷却作用管路、空气出口管路；冷却空气从电机转子25与径向动压空气轴承1～3之间的间隙34通过，即间隙34用作冷却作用管路；
所述轴承套温度传感器组中的多个温度传感器从不同的部位插入轴承套1，通过测量轴承套温升分析径向动压空气轴承的发热，在电机机匣18内部安装试验器温度传感器，用以监测试验器内部温度；
其中，所述空气进口管路与左轴承座17相连，空气进口管路上安装流量传感器26、进口温度传感器27、进口压力传感器28；
所述空气出口管路与右轴承座23相连，空气出口管路上安装出口压力传感器32、出口温度传感器33，进而可以测得冷却空气流经空气轴承后的温度、压力参数，通过进出口的温度、流量、压力计算冷却特性，通过调节气源压力和温度，研究冷却空气对空气轴承性能的影响；
所述电机机匣18上在横向和纵向方向上分别安装一个位移传感器，用于测量电机转子25动态运行过程中的位移量，可得到电机转子的动态特性，包括稳态振幅和轴心轨迹，用于研究不同冷却条件下轴承的动态特性；
并且，通过在电机机匣18上安装振动传感器30用于检测试验器振动特性。
其中，所述信号采集处理系统采集、处理、存储的各类传感器的信号包括：温度传感器信号、压力传感器信号、振动传感器信号、位移传感器信号。
其中，所述轴承套温度传感器组包括：第一温度传感器15、第二温度传感器16、第三温度传感器22；所述第一温度传感器15、第二温度传感器16、第三温度传感器22从三个不同的部位插入轴承套1，通过测量轴承套温升分析径向动压空气轴承的发热。
其中，所述试验器温度传感器为第四温度传感器21；在电机机匣18内部安装第四温度传感器21，用以监测试验器内部温度。
其中，所述两组径向动压空气轴承1～3分别安装在左轴承座17和右轴承座23中的情况下，分别通过弹性挡圈24进行轴向固定。
其中，铺设在电机定子20外壁的水冷套19外壁与电机机匣18内壁形成螺旋型冷却水道。
其中，所述位移传感器为电涡流位移传感器14。
其中，所述水冷系统分别连接冷却水进口29与冷却水出口31。
其中，所述空气供给系统分别连接空气进口管路、空气出口管路。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下区别技术特征：
(1)径向动压空气轴承动态冷却测量装置采用动压空气轴承支撑，最高转速可达10万转。
(2)径向动压空气轴承动态冷却测量装置通过螺旋水冷槽将定子热量散出，冷却空气只从电机转子与箔片之间的空间通过，进而通过温度、压力、流量传感器精确测量空气轴承前后的空气特性参数。
(3)径向动压空气轴承动态冷却测量装置可实现测量不同冷却条件下轴承的动态特性。
根据上述区别技术特征，本发明相对于现有技术的技术效果在于：通过采用径向动压空气轴承支撑的试验器，实现了10万转的高速动态冷却特性测量。利用螺旋槽水冷结构将定子热量散发以剔除对轴承冷却空气的影响，通过电机转子与轴承箔片之间的间隙建立单独的冷却流道，并对冷却流道前后的空气温度进行测量，结合轴承温升测量数据、转子动态运行轴心轨迹及振幅数据，可对径向动压空气轴承气路动态冷却特性对轴承性能的影响研究提供基础数据，用于轴承气膜间隙的优化设计。
附图说明
图1-图3为现有技术结构示意图。
图4为本发明技术方案原理图。
图5-图8为本发明技术方案结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种径向动压空气轴承动态冷却测量装置，如图4所示，所述径向动压空气轴承动态冷却测量装置包括：径向动压空气轴承试验器简称试验器、试验装置控制系统、信号采集处理系统、空气供给系统、水冷系统；
其中，所述径向动压空气轴承试验器是装置的核心，其采用径向动压空气轴承支撑高速永磁同步电机，高速永磁同步电机的转速高达10万转，所述径向动压空气轴承试验器内部设置有空气轴承冷却气路、水冷水路，且加装有温度传感器组、压力传感器组、振动传感器、位移传感器来实现冷却特性测量；
所述试验装置控制器系统用于控制径向动压空气轴承试验器在全转速范围内稳定工作；
所述信号采集处理系统用于采集、处理、存储包括温度传感器组、压力传感器组、振动传感器、位移传感器的各类传感器的信号；
所述空气供给系统用于为径向动压空气轴承试验器的空气轴承冷却气路提供温度压力稳定且具备一定调节能力的空气；
所述水冷系统用于为径向动压空气轴承试验器的定子散热。
其中，如图5～8所示，所述径向动压空气轴承试验器包括：两组径向动压空气轴承1～3、左轴承座17、电机机匣18、水冷套19、电机定子20、右轴承座23、弹性挡圈24、电机转子25、温度传感器组、压力传感器组、流量传感器26、振动传感器30、位移传感器；所述温度传感器组包括：轴承套温度传感器组和试验器温度传感器、进口温度传感器27、出口温度传感器33；所述压力传感器组包括：进口压力传感器28、出口压力传感器32；
其中，所述径向动压空气轴承试验器的电机定子20由两组径向动压空气轴承1～3支撑，两组径向动压空气轴承1～3分别位于电机定子20两端，两组径向动压空气轴承1～3分别安装在左轴承座17和右轴承座23中，在左轴承座17和右轴承座23之间设有电机机匣18，电机定子20与水冷套19组成定子组件，安装在电机机匣18内部，这样就构成径向动压空气轴承试验器的本体；
径向动压空气轴承试验器的发热部件包括：径向动压空气轴承1～3与电机定子20，为实现轴承冷却气路的测量，需要对电机定子20采用单独散热的方式，通过水冷水路实施水冷的方式来冷却电机定子20，这样就保证了轴承冷却气流不受定子散热的影响，所述水冷水路包括：水冷套19、冷却水进口29与冷却水出口31；其中，水冷套19铺设在电机定子20外壁，水冷套19外壁与电机机匣18内壁形成冷却水道，分别连通水冷套19的冷却水进口29与冷却水出口31位于电机机匣18顶部；
在通过空气轴承冷却气路对径向动压空气轴承1～3进行空气冷却的过程中，空气轴承冷却气路包括：空气进口管路、冷却作用管路、空气出口管路；冷却空气从电机转子25与径向动压空气轴承1～3之间的间隙34通过，即间隙34用作冷却作用管路；
所述轴承套温度传感器组中的多个温度传感器从不同的部位插入轴承套1，通过测量轴承套温升分析径向动压空气轴承的发热，在电机机匣18内部安装试验器温度传感器，用以监测试验器内部温度；
其中，所述空气进口管路与左轴承座17相连，空气进口管路上安装流量传感器26、进口温度传感器27、进口压力传感器28；
所述空气出口管路与右轴承座23相连，空气出口管路上安装出口压力传感器32、出口温度传感器33，进而可以测得冷却空气流经空气轴承后的温度、压力参数，通过进出口的温度、流量、压力计算冷却特性，通过调节气源压力和温度，研究冷却空气对空气轴承性能的影响；
所述电机机匣18上在横向和纵向方向上分别安装一个位移传感器，用于测量电机转子25动态运行过程中的位移量，可得到电机转子的动态特性，包括稳态振幅和轴心轨迹，用于研究不同冷却条件下轴承的动态特性；
并且，通过在电机机匣18上安装振动传感器30用于检测试验器振动特性。
其中，所述信号采集处理系统采集、处理、存储的各类传感器的信号包括：温度传感器信号、压力传感器信号、振动传感器信号、位移传感器信号。
其中，所述轴承套温度传感器组包括：第一温度传感器15、第二温度传感器16、第三温度传感器22；所述第一温度传感器15、第二温度传感器16、第三温度传感器22从三个不同的部位插入轴承套1，通过测量轴承套温升分析径向动压空气轴承的发热。
其中，所述试验器温度传感器为第四温度传感器21；在电机机匣18内部安装第四温度传感器21，用以监测试验器内部温度。
其中，所述两组径向动压空气轴承1～3分别安装在左轴承座17和右轴承座23中的情况下，分别通过弹性挡圈24进行轴向固定。
其中，铺设在电机定子20外壁的水冷套19外壁与电机机匣18内壁形成螺旋型冷却水道。
其中，所述位移传感器为电涡流位移传感器14。
其中，所述水冷系统分别连接冷却水进口29与冷却水出口31。
其中，所述空气供给系统分别连接空气进口管路、空气出口管路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述径向动压空气轴承动态冷却测量装置包括：径向动压空气轴承试验器、试验装置控制系统、信号采集处理系统、空气供给系统、水冷系统；
其中，所述径向动压空气轴承试验器，其采用径向动压空气轴承支撑高速永磁同步电机，高速永磁同步电机的转速达10万转，所述径向动压空气轴承试验器内部设置有空气轴承冷却气路、水冷水路，且加装有温度传感器组、压力传感器组、振动传感器、位移传感器来实现冷却特性测量；
所述试验装置控制器系统用于控制径向动压空气轴承试验器在全转速范围内稳定工作；
所述信号采集处理系统用于采集、处理、存储包括温度传感器组、压力传感器组、振动传感器、位移传感器的各类传感器的信号；
所述空气供给系统用于为径向动压空气轴承试验器的空气轴承冷却气路提供温度压力稳定且具备一定调节能力的空气；
所述水冷系统用于为径向动压空气轴承试验器的定子散热。
2.如权利要求1所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述径向动压空气轴承试验器包括：两组径向动压空气轴承(1～3)、左轴承座(17)、电机机匣(18)、水冷套(19)、电机定子(20)、右轴承座(23)、弹性挡圈(24)、电机转子(25)、温度传感器组、压力传感器组、流量传感器(26)、振动传感器(30)、位移传感器；所述温度传感器组包括：轴承套温度传感器组和试验器温度传感器、进口温度传感器(27)、出口温度传感器(33)；所述压力传感器组包括：进口压力传感器(28)、出口压力传感器(32)；
其中，所述径向动压空气轴承试验器的电机定子(20)由两组径向动压空气轴承(1～3)支撑，两组径向动压空气轴承(1～3)分别位于电机定子(20)两端，两组径向动压空气轴承(1～3)分别安装在左轴承座(17)和右轴承座(23)中，在左轴承座(17)和右轴承座(23)之间设有电机机匣(18)，电机定子(20)与水冷套(19)组成定子组件，安装在电机机匣(18)内部，这样就构成径向动压空气轴承试验器的本体；
径向动压空气轴承试验器的发热部件包括：径向动压空气轴承(1～3)与电机定子(20)，为实现轴承冷却气路的测量，需要对电机定子(20)采用单独散热的方式，通过水冷水路实施水冷的方式来冷却电机定子(20)，这样就保证了轴承冷却气流不受定子散热的影响，所述水冷水路包括：水冷套(19)、冷却水进口(29)与冷却水出口(31)；其中，水冷套(19)铺设在电机定子(20)外壁，水冷套(19)外壁与电机机匣(18)内壁形成冷却水道，分别连通水冷套(19)的冷却水进口(29)与冷却水出口(31)位于电机机匣(18)顶部；
在通过空气轴承冷却气路对径向动压空气轴承(1～3)进行空气冷却的过程中，空气轴承冷却气路包括：空气进口管路、冷却作用管路、空气出口管路；冷却空气从电机转子(25)与径向动压空气轴承(1～3)之间的间隙(34)通过，即间隙(34)用作冷却作用管路；
所述轴承套温度传感器组中的多个温度传感器从不同的部位插入轴承套(1)，通过测量轴承套温升分析径向动压空气轴承的发热，在电机机匣(18)内部安装试验器温度传感器，用以监测试验器内部温度；
其中，所述空气进口管路与左轴承座(17)相连，空气进口管路上安装流量传感器(26)、进口温度传感器(27)、进口压力传感器(28)；
所述空气出口管路与右轴承座(23)相连，空气出口管路上安装出口压力传感器(32)、出口温度传感器(33)，进而可以测得冷却空气流经空气轴承后的温度、压力参数，通过进出口的温度、流量、压力计算冷却特性，通过调节气源压力和温度，研究冷却空气对空气轴承性能的影响；
所述电机机匣(18)上在横向和纵向方向上分别安装一个位移传感器，用于测量电机转子(25)动态运行过程中的位移量，可得到电机转子的动态特性，包括稳态振幅和轴心轨迹，用于研究不同冷却条件下轴承的动态特性；
并且，通过在电机机匣(18)上安装振动传感器(30)用于检测试验器振动特性。
3.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述信号采集处理系统采集、处理、存储的各类传感器的信号包括：温度传感器信号、压力传感器信号、振动传感器信号、位移传感器信号。
4.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述轴承套温度传感器组包括：第一温度传感器(15)、第二温度传感器(16)、第三温度传感器(22)；所述第一温度传感器(15)、第二温度传感器(16)、第三温度传感器(22)从三个不同的部位插入轴承套(1)，通过测量轴承套温升分析径向动压空气轴承的发热。
5.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述试验器温度传感器为第四温度传感器(21)；在电机机匣(18)内部安装第四温度传感器(21)，用以监测试验器内部温度。
6.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述两组径向动压空气轴承(1～3)分别安装在左轴承座(17)和右轴承座(23)中的情况下，分别通过弹性挡圈(24)进行轴向固定。
7.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，铺设在电机定子(20)外壁的水冷套(19)外壁与电机机匣(18)内壁形成螺旋型冷却水道。
8.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述位移传感器为电涡流位移传感器(14)。
9.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述水冷系统分别连接冷却水进口(29)与冷却水出口(31)。
10.如权利要求2所述的径向动压空气轴承动态冷却测量装置，其特征在于，所述空气供给系统分别连接空气进口管路、空气出口管路。
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