CN113607417A - 基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置 - Google Patents

基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：转子两端各安装四组沿转子周向正交分布的电磁激振器，所述电磁激振器与转子间隙配合，且相邻的电磁激振器之间也具有间隙；所述每组电磁激振器与定子支架之间安装了力传感器；所述转子两端靠近电磁激振器的位置各安装至少两个正交分布的位移传感器，利用电磁激振器对转子施加可控的、非接触的电磁激振力或电磁力矩，利用位移传感器检测转子在径向电磁力或电磁力矩作用下的径向位移，实现径向滑动轴承的可控非接触式激励及动力特性测试。本发明能够实现径向滑动轴承的可控非接触式激励及振动响应检测，可以用于测定径向滑动轴承动力特性系数。

Description

基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置
技术领域
本发明涉及滑动轴承性能测试技术领域，特别是涉及了一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置。
背景技术
滑动轴承作为旋转机械装置中重要的基础零部件，具有工作转速高、负载能力强、振动冲击小的特点，在高速重载、高精度要求的应用场合中占有难以替代的地位。滑动轴承的动力特性是滑动轴承性能的一个关键指标，不仅反映了润滑油膜的承载特性，而且对轴承所支承的整个转子系统的动力学行为有重要影响。承受径向载荷的滑动轴承称为径向滑动轴承，目前通常采用4个径向刚度系数和4个径向阻尼系数表达径向滑动轴承油膜的径向动力特性，采用额外的4个角刚度系数和4个角阻尼系数表达径向滑动轴承油膜在承载倾斜力矩方面的特性，这些系数的实验测定是验证理论建模有效性以及分析转子系统动力学特性的必须手段，如何搭建有效的滑动轴承动力特性测试装置是进行滑动轴承动力特性测试的基础和前提。
目前常见的滑动轴承动力特性测试方法有时域的影响系数法和动态激振法以及频域的频谱分析法，无论是时域方法还是频域方法都需要首先获取时域的激励信号和位移响应信号。其中激励信号可以通过理论定量计算的方法(如基于控制信号和激励信号对应关系)或者传感器直接测定的方法来获取，但通过理论定量计算获得的结果往往与实际激励信号之间存在一定误差，尤其在实验工况与理论模型不吻合时，计算误差会更大；相对而言，采用传感器直接测定激励信号的方法可实施性更强、更为可靠，此时关键问题在于传感器在实验装置中的结构布置方式。
目前常用的滑动轴承动力特性测试装置主要分为正置结构和倒置结构两种，正置结构中试验轴承是固定的，倒置结构中试验轴承是可以浮动的。在正置结构中，由于转子是旋转的，难以直接对转子施加接触式载荷，因而通常采用结构倒置，将接触式载荷作用于轴承上。然而结构倒置难以真实模拟轴承-转子系统的实际运行工况，并且接触式载荷的施加需要额外设置过渡元件，增加了装置结构的复杂程度和不稳定性，通过在正置试验台中采取非接触式激励的方法可以解决以上问题。
在径向滑动轴承的实际运行工况中，通常还会伴随着不同程度的转子轴线倾斜情况，为了表征转子轴线倾斜对轴承油膜动力特性的影响，需要采用额外的4个角刚度系数和4个角阻尼系数表达油膜在承载倾斜力矩方面的特性。目前大多数试验装置或平台仅能进行某一既定方向上的激振力加载，难以使转子承受方向任意的激振力或激振力矩，无法有效模拟转子轴线倾斜时的运行工况，多用于测定油膜的4个刚度系数和4个阻尼系数，难以测定额外的角刚度系数和角阻尼系数，适用工况局限性较大。
发明内容
针对以上问题及技术需求，本发明提出了一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，利用正交均布的可控非接触式电磁激振器对滑动轴承支承的转子施加稳定、可控的载荷，能够测定一般情况下以及转子轴线倾斜状态下径向滑动轴承的动力特性。
本发明的技术方案是：一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，转子两端各安装四组沿转子周向正交分布的电磁激振器，所述电磁激振器与转子间隙配合，且相邻的电磁激振器之间也具有间隙；所述转子两端靠近滑动轴承的位置各安装至少两个正交分布的位移传感器，利用电磁激振器对转子施加可控的、非接触的电磁激振力或电磁力矩，利用位移传感器检测转子在径向电磁力或电磁力矩作用下的径向位移，实现径向滑动轴承的可控非接触式激励及动力特性测试。
进一步地，所述转子轴线垂直于四组电磁激振器所在的平面；每组电磁激振器中包含若干个电磁执行器，电磁激振器固定在与转子同心的圆周型定子支架上，每组电磁激振器中的所有电磁执行器产生的电磁力的合力指向转子轴线与四组电磁激振器所在平面的交点，所有电磁执行器之间相互独立、互不接触，通过控制各组电磁激振器输出的电磁力大小使转子承受任意径向方向上的激振力。
进一步地，所述的电磁执行器由线圈围绕磁极构成，每个电磁执行器各有一个磁极，磁极的形状为轴对称形状，各磁极中心与转子轴线在四组电磁激振器所在平面交点的连线为对应磁极分布的对称轴。
进一步地，该装置还包括力传感器、电磁控制器和功率放大器，所述力传感器安装在电磁激振器与定子支架之间，检测电磁激振器对转子施加的轴向电磁力或电磁力矩，力传感器的信号输出端与电磁控制器连接，电磁控制器经功率放大器与电磁执行器连接。
进一步地，所述的力传感器检测电磁激振器与转子之间的相互作用力，并将相互作用力信号传输到电磁控制器，电磁控制器根据电磁激振器的周向分布和输入的相互作用力信号产生一个控制信号输出到功率放大器，功率放大器对电磁控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动电磁执行器调节电磁激振力，进而实现试验轴承所受电磁激振力或激振力矩的闭环控制。
本发明的有益效果是：
本发明提出的一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，包括4个沿周向正交均布的可控的电磁激振器，可以根据不同的技术需求通过不同的控制策略实现转子不同类型的径向受力情况，能够模拟转子轴线在非倾斜和倾斜状态下承受定常或者时变的径向激振力或者激振力矩的工况。基于该电磁激振器本发明提出了一种径向滑动轴承动力特性测试装置，所述的测试装置中沿轴向在试验轴承两端各安置了一套电磁激振器与位移传感器，位移传感器在转子周向为正交分布，可以实时检测试验轴承两端处转子的径向振动情况。因而本发明提出的测试装置具有适用工况广泛，测量功能全面的特点。将相同工况下同时采集的激振力数据和振动位移数据传输到计算机中，可以测定滑动轴承在该运行工况下的动力特性。
附图说明
图1为本发明一个实例的电磁激振器组件结构示意图；其中：16为第一电磁激振器，20为第二电磁激振器，21为第三电磁激振器，22为第四电磁激振器，17为定子支架，18为第二电磁激振器20上半部分电磁执行器的磁极，19为第二电磁激振器20对应的力传感器。
图2为本发明一个实例的测试装置结构示意图；其中：1为驱动电机，2为联轴器，3为左侧径向滚动轴承，4为左侧液压加载设备，5为左侧电磁激振器组件，6为左侧位移传感器，7为试验轴承左侧端盖，8为试验轴承轴承座，9为试验径向滑动轴承，10为试验轴承右侧端盖，12为右侧电磁激振器组件，13为右侧径向滚动轴承，14为右侧液压加载设备，15为转子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详述。
本发明提供了一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，转子两端各安装四组沿转子周向正交分布的电磁激振器，所述电磁激振器与转子间隙配合，且相邻的电磁激振器之间也具有间隙；所述转子两端靠近电磁激振器的位置各安装至少两个正交分布的位移传感器，利用电磁激振器对转子施加可控的、非接触的电磁激振力或电磁力矩，利用位移传感器检测转子在径向电磁力或电磁力矩作用下的径向位移，实现径向滑动轴承的可控非接触式激励及动力特性测试。
所述转子轴线垂直于四组电磁激振器所在的平面；每组电磁激振器中包含若干个电磁执行器，电磁激振器固定在与转子同心的圆周型定子支架上，每组电磁激振器中的所有电磁执行器产生的电磁力的合力指向转子轴线与四组电磁激振器所在平面的交点，所有电磁执行器之间相互独立、互不接触，由于相邻的电磁激振器之间具有间隙，通过供入电流方向的设置，使相邻电磁激振器中相邻的电磁执行器磁极同性，则电磁激振器形成封闭磁路、互不影响。
所述的电磁执行器由线圈围绕磁极构成，每个电磁执行器各有一个磁极，磁极的形状为轴对称形状，各磁极中心与转子轴线在四组电磁激振器所在平面交点的连线为对应磁极分布的对称轴。
径向滑动轴承动力特性测试装置还包括力传感器、电磁控制器和功率放大器，所述力传感器安装在电磁激振器与定子支架之间，检测电磁激振器对转子施加的轴向电磁力或电磁力矩，力传感器的信号输出端与电磁控制器连接，电磁控制器经功率放大器与电磁执行器连接。所述的力传感器检测电磁激振器与转子之间的相互作用力，并将相互作用力信号传输到电磁控制器，以各电磁执行器对转子的激振力稳定在既定的幅值、频率等参数上为目的，按照一定的控制策略产生一个控制信号输出到功率放大器，功率放大器对电磁控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动电磁执行器调节电磁激振力，进而实现试验轴承所受电磁激振力或激振力矩的精确控制。控制策略常用的有PID(比例-积分-微分)控制、最优控制、自适应控制等。
参见图1，本发明的一个实例中，所述四组电磁激振器包括第一电磁激振器16、第二电磁激振器20、第三电磁激振器21、第一电磁激振器22、定子支架17，第二电磁激振器20上半部分电磁执行器的磁极18，第二电磁激振器20对应的力传感器19。各电磁激振器均由两个电磁执行器组成，各电磁激振器的两个电磁执行器产生的电磁力的合力在转子周向呈水平、竖直分布，各电磁执行器与转子之间均为间隙配合；所有电磁执行器之间相互独立，相邻的电磁激振器之间具有间隙，通过供入电流方向的设置，使相邻电磁激振器中相邻的电磁执行器磁极同性(如靠近转子一端的各执行器极性设置为“-(N-S)-(S-N)-(N-S)-(S-N)-”，其中括号表示属于同一激振器的两个执行器)，则各电磁激振器形成封闭的磁路、互不影响，各电磁执行器亦可独立控制、互不影响。在实验中可以独立控制任意一组电磁激振器对转子15施加激振力，即可以使转子15承受不同径向方向上的激振力。所述力传感器也有4个，分布位置与各电磁激振器一一对应，各力传感器的两端通过螺栓连接分别固定在电磁执行器和与转子同心的定子支架17上，在各电磁执行器对转子施加激振力时，根据牛顿第三定律，各力传感器承受的作用力大小与各电磁激振器和转子间相互作用力大小相等，因而可以实时检测不同位置电磁执行器的加载情况。力传感器的信号输出端与电磁控制器连接，电磁控制器根据4组电磁激振器的周向分布和力传感器的作用力信号，以各电磁执行器对转子的激振力稳定在既定的幅值、频率等参数上为目的，按照一定的控制策略产生一个控制信号输出到功率放大器，功率放大器对输入的控制信号进行功率放大，驱动不同位置的电磁执行器调节电磁激振力的幅值、频率等参数，从而实现电磁激振力的闭环控制，对滑动轴承支承的转子进行准确、稳定的非接触式力激振或力矩激振。
参见图2，本发明的一个实例中，测试装置主要包括驱动电机1、联轴器2、左侧径向滚动轴承3、左侧液压加载设备4、左侧电磁激振器组件5、左侧位移传感器6、试验轴承左侧端盖7、试验轴承轴承座8、试验径向滑动轴承9、试验轴承右侧端盖10、右侧位移传感器11、右侧电磁激振器组件12、右侧径向滚动轴承13、右侧液压加载设备14和转子15。联轴器2连接驱动电机1与转子15，利用变频器实现驱动电机1输出不同的转速，利用左侧液压加载设备4和右侧液压加载设备14分别对左侧径向滚动轴承3外圈和右侧径向滚动轴承13外圈同时进行不同幅值的加载，实现试验径向滑动轴承9运行在不同的径向负载工况下。试验径向滑动轴承9安装在试验轴承左侧端盖7、试验轴承右侧端盖10与试验轴承轴承座8组成的密封空间内。在转子转动后，试验径向滑动轴承9形成动压润滑油膜承载径向负载，利用试验轴承左侧电磁激振器组件5和右侧电磁激振器组件12对转子15施加非接触式径向电磁力，使转子15在径向承受定常或时变的激振力或者激振力矩。本发明的测试装置在试验轴承两端各安置了一组位移传感器，即左侧位移传感器6和右侧位移传感器11，每组均包含4个或2个正交在转子四周的位移传感器，利用试验轴承左侧位移传感器6和右侧位移传感器11测得试验轴承两端处转子的径向振动，实现电磁激振作用下滑动轴承-转子系统振动情况的实时监测。
下面以四个典型测试案例举例说明本发明在径向滑动轴承动力特性测试试验中的应用，不能认定本发明的应用范围及具体实施方案仅限于以下案例：
测试案例1——径向滑动轴承油膜径向刚度的静态加载试验
利用变频器驱动电机使转子15工作在不同的转速工况下(如300/600/900/1200/1500r/min)，利用左侧液压加载设备4和右侧液压加载设备14分别对左侧径向滚动轴承3外圈和右侧径向滚动轴承13外圈施加同等大小的静态载荷(如10000/12500/15000/17500/20000N)。
根据摄动法的基本思想，利用试验轴承9左侧电磁激振器组件5和右侧电磁激振器组件12对转子15施加方向和大小相同、幅值微小的非接触式径向电磁力(如300/500/800N)，在转子15不同转速和不同径向负载工况下，测量各位移传感器的输出与电磁激振力之间的关系，进而可以求解相应工况下滑动轴承油膜的径向刚度系数。
测试案例2——径向滑动轴承油膜径向刚度和径向阻尼的动态激励试验
利用变频器驱动电机使转子15工作在不同的转速工况下(如600/900/1200/1500r/min)，利用左侧液压加载设备4和右侧液压加载设备14分别对左侧径向滚动轴承3外圈和右侧径向滚动轴承13外圈施加同等大小的静态载荷(如10000/12500/15000/17500/20000N)。
利用试验轴承9左侧电磁激振器组件5和右侧电磁激振器组件12对转子15施加方向相同的、一定幅值(如1500N或2000N)、一定频率(如8/17/29Hz)的同频正弦激振力，在转子15不同转速和不同径向负载的工况下，测量各位移传感器的输出，分析试验轴承9两端处转子15的振动位移与电磁激振力在时域及频域的关系，进而可以求解相应工况下径向滑动轴承油膜的刚度系数和阻尼系数。
测试案例3——径向滑动轴承油膜角刚度静态加载试验
利用变频器驱动电机使转子15工作在不同的转速工况下(如600/900/1200/1500r/min)，利用左侧液压加载设备4和右侧液压加载设备14分别对左侧径向滚动轴承3外圈和右侧径向滚动轴承13外圈施加同等大小的静态载荷(如10000/12500/15000/17500/20000N)。
利用试验轴承9左侧电磁激振器组件5和右侧电磁激振器组件12对转子15施加方向相反的、一定幅值(如300/500/800N)的非接触式径向电磁力，使转子15在径向承受一定的合力矩作用，该力矩可以根据两端电磁力的幅值大小以及施加位置进行确定。在转子15不同转速和不同径向负载工况下，测量各位移传感器的输出与转子15所受合力矩之间的关系，进而可以求解相应工况下滑动轴承油膜的角刚度系数。
测试案例4——径向滑动轴承油膜角刚度和角阻尼的动态激励试验
利用变频器驱动电机使转子15工作在不同的转速工况下(如600/900/1200/1500r/min)，利用左侧液压加载设备4和右侧液压加载设备14分别对左侧径向滚动轴承3外圈和右侧径向滚动轴承13外圈施加同等大小的静态载荷(如10000/12500/15000/17500/20000N)。
利用试验轴承9左侧电磁激振器组件5和右侧电磁激振器组件12对转子15施加方向相反的、一定幅值(如1500N或2000N)、一定频率(如8/17/29Hz)的同频正弦激振力，使转子15在径向承受一定的正弦力矩作用。在转子15不同转速和不同径向负载的工况下，测量各位移传感器的输出，分析试验轴承9两端处转子15的振动位移与转子15所承受的正弦力矩作用在时域及频域的关系，进而可以求解相应工况下径向滑动轴承油膜的角刚度系数和角阻尼系数。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：转子两端各安装四组沿转子周向正交分布的电磁激振器，所述电磁激振器与转子间隙配合，且相邻的电磁激振器之间也具有间隙；所述转子两端靠近电磁激振器的位置各安装至少两个正交分布的位移传感器；利用电磁激振器对转子施加可控的、非接触的电磁激振力或电磁力矩，利用位移传感器检测转子在径向电磁力或电磁力矩作用下的径向位移，实现径向滑动轴承的可控非接触式激励及动力特性测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：所述转子轴线垂直于四组电磁激振器所在的平面；每组电磁激振器中包含若干个电磁执行器，电磁激振器固定在与转子同心的圆周型定子支架上，每组电磁激振器中的所有电磁执行器产生的电磁力的合力指向转子轴线与四组电磁激振器所在平面的交点，各组电磁激振器之间相互独立、互不接触，通过控制各组电磁激振器输出的电磁力大小使转子承受任意径向方向上的激振力。
3.根据权利要求2所述的一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：所述的电磁执行器由线圈围绕磁极构成，每个电磁执行器各有一个磁极，磁极的形状为轴对称形状，各磁极中心与转子轴线在四组电磁激振器所在平面交点的连线为对应磁极分布的对称轴。
4.根据权利要求1所述的一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：该装置还包括力传感器、电磁控制器和功率放大器，所述力传感器安装在电磁激振器与定子支架之间，检测电磁激振器对转子施加的轴向电磁力或电磁力矩，力传感器的信号输出端与电磁控制器连接，电磁控制器经功率放大器与电磁执行器连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于非接触式电磁激振器的径向滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：所述的力传感器检测电磁激振器与转子之间的相互作用力，并将相互作用力信号传输到电磁控制器，电磁控制器根据电磁激振器的周向分布和输入的相互作用力信号产生一个控制信号输出到功率放大器，功率放大器对电磁控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动电磁执行器调节电磁激振力，进而实现试验轴承所受电磁激振力或激振力矩的精确控制。
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