CN113720607B - 基于非接触式电磁激振器的推力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推力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推力滑动轴承动力特性测试装置。该装置包括一个推力盘以及分别安装在推力盘两侧的电磁激振器与位移传感器；所述电磁激振器与推力盘间隙配合，共有四组，沿推力盘周向均匀分布，且相邻的电磁激振器之间具有间隙；所述每组电磁激振器与定子支架之间安装了力传感器；所述位移传感器与电磁激振器一一对应；利用推力盘一侧的电磁激振器给推力盘施加轴向电磁力或电磁力矩，利用推力盘另一侧的位移传感器检测推力盘在轴向电磁力或电磁力矩作用下的位移，实现对推力滑动轴承的非接触式激励及动力特性的测试。本发明能够实现推力滑动轴承的可控非接触式激励和响应检测，可用于测定推力滑动轴承的动力特性系数。

Description

基于非接触式电磁激振器的推力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推力滑动轴承动力特性测试装置。
背景技术
滑动轴承动力特性是滑动轴承性能的一个关键指标，不仅反映了油膜的承载特性，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。目前通常采用1个刚度系数和1个阻尼系数表达推力滑动轴承油膜的轴向动力特性，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。其中影响系数法采用静态加载方式，只能求得油膜的刚度系数。为了测定阻尼系数，需要采用动态加载方式，常用的动态加载方式主要有二次激振法和复合激振法两种，其中二次激振法要求先后加载的两次激振载荷的频率、幅值和相位至少有一个不同，复合激振法直接同时加载两种频率不同的激振载荷，然后结合频谱分析法进行处理。二次激振法需要进行两次激振和测试，工况不易保持一致，复合激振法通常采用非同频激励，不适用于可倾瓦轴承的动力特性测试。
目前常用的滑动轴承动力特性测试装置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，此外对于可倾瓦推力轴承而言，其油膜动力特性系数与扰动频率有关，不宜在倒置试验台上进行试验，这些情况下，可考虑在正置试验台中采取非接触式同频激励的方法。
在推力滑动轴承的实际运行工况中，通常还会伴随着不同程度的轴线倾斜情况，为了表征推力盘倾斜状态下轴承的动力特性，一般需要采用9个刚度系数和9个阻尼系数。这时要求试验装置具备加载激振力矩的能力，目前大多数试验平台仅能进行轴向激振力的加载，无法有效模拟推力盘倾斜时的运行工况，只能测定轴向1个刚度系数和1个阻尼系数，适用工况局限性较大。
发明内容
针对以上问题及技术需求，本发明提出了一种非接触式电磁激振器及基于此激振器的推力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推力盘同时施加稳定、可控的轴向电磁力或电磁力矩，能够测定一般情况轴线不倾斜及轴线倾斜状态下推力滑动轴承的动力特性系数。
本发明的技术方案是：一种基于非接触式电磁激振器的推力滑动轴承动力特性测试装置，该装置包括一个推力盘以及分别安装在推力盘两侧的电磁激振器与位移传感器；所述电磁激振器与推力盘间隙配合，共有四组，沿推力盘周向均匀分布，且相邻的电磁激振器之间具有间隙；所述位移传感器与电磁激振器一一对应；利用安装在推力盘一侧的电磁激振器给推力盘施加所需的轴向电磁力或电磁力矩，并利用安装在推力盘另一侧的位移传感器检测推力盘在轴向电磁力或电磁力矩作用下的位移，实现对推力滑动轴承的可控非接触式电磁激励及动力特性的测试。
进一步地，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推力盘相邻的圆周型定子支架上，四组电磁激振器在定子支架周向呈水平、垂直分布，且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垂直于推力盘表面，所有的电磁执行器之间相互独立、互不接触。
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，各磁极中心与定子中心的连线为对应磁极分布的对称轴。
进一步地，所述磁极的形状为扇形、圆形或矩形。
进一步地，所述位移传感器中心在推力盘上的投影与电磁激振器的中心在推力盘上的投影相重合。
进一步地，该装置还包括轴向力传感器、电磁控制器和功率放大器，所述轴向力传感器安装在电磁激振器与定子支架之间，检测电磁激振器与推力盘之间的轴向电磁力或电磁力矩，轴向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，所述的轴向力传感器将轴向电磁力或电磁力矩的信号传输到电磁控制器，电磁控制器根据轴向电磁力或电磁力矩的设置值与实际值之间的误差，实时调整输出到功率放大器的信号，功率放大器对电磁控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动电磁执行器改变轴向电磁力或电磁力矩，从而实现对轴向电磁力或电磁力矩的精确控制。
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推力滑动轴承动力特性测试装置，包括沿周向正交均布的可控的电磁激振器，可以按照不同的技术需求通过不同的控制策略实现推力盘不同类型的轴向受力情况，能够模拟推力盘在非倾斜和倾斜状态下承受轴向电磁力或电磁力矩的工况，基于此电磁激振器本发明提出的推力滑动轴承动力特性测试装置还包括4个分布位置与电磁激振器一一对应的位移传感器，可以实时检测推力盘在轴向电磁力或电磁力矩作用下的不同位置的轴向位移和振动。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轴向电磁力或电磁力矩数据和位移或振动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系数。
附图说明
图1中的(a)和图1中的(b)分别为本发明一个实例的电磁激振器结构示意图及其A-A向剖面图；其中：14为第一电磁执行器，16为第二电磁执行器，17为第三电磁执行器，19为第四电磁执行器，15为第一电磁执行器14的磁极，18为定子支架。
图2为本发明一个实例的基于电磁激振器的推力滑动轴承动力特性测试装置结构示意图；其中：1、11为试验装置两端的挡板，2为试验装置的壳体，3、10分别为左侧径向滚动轴承和右侧径向滚动轴承，4为位移传感器，5为试验推力轴承组件，6为推力盘，7为电磁激振器组件，8为轴向力传感器，9为与壳体固定的机座，12为轴向预紧弹簧，13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。
本发明提供的一种基于非接触式电磁激振器的推力滑动轴承动力特性测试装置，该装置包括一个推力盘以及分别安装在推力盘两侧的电磁激振器与位移传感器；所述电磁激振器与推力盘间隙配合，共有四组，沿推力盘周向均匀分布，且相邻的电磁激振器之间具有间隙；所述位移传感器与电磁激振器一一对应，所述位移传感器中心在推力盘上的投影与电磁激振器的中心在推力盘上的投影相重合；利用安装在推力盘一侧的电磁激振器给推力盘施加所需的轴向电磁力或电磁力矩，并利用安装在推力盘另一侧的位移传感器检测推力盘在轴向电磁力或电磁力矩作用下的位移，实现对推力滑动轴承的可控非接触式电磁激励及动力特性的测试。
每组电磁激振器中包含若干个电磁执行器，固定在与推力盘相邻的圆周型定子支架上，四组电磁激振器在定子支架周向呈水平、垂直分布，且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垂直于推力盘表面，所有的电磁执行器之间相互独立、互不接触。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，包括扇形、圆形或矩形。各磁极中心与定子中心的连线为对应磁极分布的对称轴。
利用不同位置的电磁激振器对推力盘施加不同幅值、不同频率的轴向电磁力或电磁力矩，可以实现推力盘承受的激振载荷为轴向定常力、轴向定常力矩、轴向时变力和轴向时变力矩。
利用不同位置的位移传感器实时检测推力盘在激振力作用下不同位置的轴向位移或振动，以及在激振力矩作用下推力盘的偏转角位移或振动，或者两者的组合位移或振动。
推力滑动轴承动力特性测试装置还包括轴向力传感器、电磁控制器和功率放大器，所述轴向力传感器检测电磁执行器与推力盘之间的轴向电磁力或电磁力矩，轴向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。所述的轴向力传感器将轴向电磁力或电磁力矩的信号传输到电磁控制器，电磁控制器根据轴向电磁力或电磁力矩的设置值与实际值之间的误差，实时调整输出到功率放大器的信号，功率放大器对电磁控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动电磁执行器改变轴向电磁力或电磁力矩，从而实现对轴向电磁力或电磁力矩的精确控制。轴向电磁力或电磁力矩的控制策略常用的有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，所述电磁激振器包括第一电磁执行器14、第二电磁执行器16、第三电磁执行器17、第四电磁执行器19。所述的4个电磁执行器沿周向间隙配合，互不接触、相互独立；每个电磁执行器形成各自封闭的磁路，互不干扰。各电磁执行器的磁极采用扇形形状，如图1中第一电磁执行器14的磁极15所示。各磁极安装在定子支架18上。
参见图2，本发明的一个实例中，基于电磁激振器的推力滑动轴承动力特性测试装置主要包括试验装置左侧挡板1、试验装置壳体2、左侧径向滚动轴承3、位移传感器4、试验推力轴承组件5、推力盘6、电磁激振器组件7、轴向力传感器8、固定机座9、右侧径向滚动轴承10、试验装置右侧挡板11、轴向预紧弹簧12和转子13。
试验装置外部框架由试验装置左侧挡板1、试验装置壳体2和试验装置右侧挡板11构成，左侧径向滚动轴承3和右侧径向滚动轴承10主要用于承载转子在径向的重力。轴向力传感器8的一端通过螺栓固定在固定机座9上，另一端通过螺栓与电磁激振器组件7背部固定，在电磁激振器组件7对推力盘6施加轴向力时，根据牛顿第三定律，轴向力传感器8承受的作用力大小与电磁激振器组件7和推力盘6之间的相互作用力大小相等，因而可以实时测量对应位置电磁执行器的加载情况。所述的轴向力传感器共有4个，与第一电磁执行器14、第二电磁执行器16、第三电磁执行器17、第四电磁执行器19分别安置在推力盘6的两侧。同时周向方向上也安装了4个位移传感器，各位移传感器的分布位置与推力盘另一侧的电磁执行器一一对应，如图中位移传感器4安装在推力盘6左侧固定板的上方位，与推力盘6右侧电磁激振器组件7中上方位电磁执行器对应。利用不同位置的位移传感器实时检测推力盘不同位置的轴向位移或振动。
轴向力传感器8的信号输出端与电磁控制器连接，电磁控制器根据轴向电磁力或电磁力矩的设置值与实际值之间的误差，实时调整输出到功率放大器的信号，功率放大器对输入的控制信号进行功率放大，对各电磁执行器施加给推力盘6的激振力进行实时调整，从而实现电磁激振力的闭环控制，对推力盘6进行准确、稳定的非接触式力激振或力矩激振。
利用变频器实现驱动电机带动转子13运行在不同的转速条件下，利用液压加载设备对轴向预紧弹簧12进行加载，实现试验推力轴承不同的轴向负载工况。试验时，先让试验装置稳定运行一段时间，使滑动轴承形成动压润滑油膜承载轴向负载，然后利用安置在推力盘6一侧的电磁激振器组件7输出轴向的电磁力或电磁力矩，利用安置在推力盘6另一侧的4个位移传感器检测推力盘6的轴向位移，可以监测推力盘6在轴向负载或轴向电磁力作用下的位移或振动情况。
下面以部分典型测试案例举例说明本发明在推力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——推力滑动轴承非倾斜条件下油膜轴向刚度的静态加载试验
利用变频器驱动电机使转子13系统在给定的稳定工作转速下运转，利用液压加载设备对轴向预紧弹簧12进行轴向加载，使轴向预紧力稳定在所需要的状态。
利用第一电磁执行器14、第二电磁执行器16、第三电磁执行器17、第四电磁执行器19给推力盘6同时加载一个恒定的轴向电磁力，用4个位移传感器分别测量推力盘6的轴向位移，得到推力滑动轴承在不同转速和不同轴向负载条件下，轴向电磁力与推力盘轴向位移之间的关系，进而可以计算测定相应工况下推力滑动轴承油膜的轴向刚度。
测试案例2——推力滑动轴承非倾斜条件下油膜轴向刚度阻尼的动态激励试验
利用变频器驱动电机使转子13系统在给定的稳定工作转速下运转，利用液压加载设备对轴向预紧弹簧12进行轴向加载，使轴向预紧力稳定在所需要的状态。
利用第一电磁执行器14、第二电磁执行器16、第三电磁执行器17、第四电磁执行器19，或竖直方向上的第一电磁执行器14、第三电磁执行器17，或水平方向上的第二电磁执行器16、第四电磁执行器19同时给推力盘6加载恒定幅值、恒定频率和恒定相位的同频正弦电磁，在不同转速和不同轴向负载条件下，利用4个位移传感器测量分别测量推力盘6的轴向振动，得到推力滑动轴承在不同转速和不同轴向负载条件下，轴向电磁力的幅值与推力盘轴向振动幅值之间的关系，进而可以计算处相应工况下推力滑动轴承油膜的轴向刚度和轴向阻尼。
测试案例3——推力滑动轴承倾斜条件下油膜角刚度的静态加载试验
利用变频器驱动电机使转子13系统在给定的稳定工作转速下运转，利用液压加载设备对轴向预紧弹簧12进行轴向加载，使轴向预紧力稳定在所需要的状态。
利用第一电磁执行器14或第二电磁执行器16或第三电磁执行器17或第四电磁执行器19给推力盘6施加一个恒定的轴向电磁力，用4个位移传感器分别测量推力盘6的轴向位移，进而计算得到推力盘6在电磁力施加方向上的角位移，得到推力滑动轴承在不同转速和轴向负载条件下，力矩作用方向上的电磁力矩与角位移之间的关系，进而可以计算得到轴承倾斜条件下油膜的角刚度。
测试案例4——推力滑动轴承倾斜条件下油膜角刚度阻尼的动态激励试验
利用变频器驱动电机使转子13系统在给定的稳定工作转速下运转，利用液压加载设备对轴向预紧弹簧12进行轴向加载，使轴向预紧力稳定在所需要的状态。
利用第一电磁执行器14或第二电磁执行器16或第三电磁执行器17或第四电磁执行器19给推力盘6施加一个恒定幅值、恒定频率和恒定相位的同频正弦电磁力矩，在不同转速和轴向负载条件下，利用4个位移传感器测量分别测量推力盘6的轴向振动，计算得到推力盘在电磁力矩施加方向上的角位移，得到推力滑动轴承在不同转速和轴向负载条件下，力矩作用方向上电磁力矩的幅值与该方向上推力盘角位移之间的关系，进而可以计算得到相应工况下推力滑动轴承倾斜条件下油膜在某个方向上的角刚度及角阻尼。
测试案例5——推力滑动轴承油膜轴向刚度阻尼的动态激励试验
利用变频器驱动电机使转子13系统在给定的稳定工作转速下运转，利用液压加载设备对轴向预紧弹簧12进行轴向加载，使轴向预紧力稳定在所需要的状态。
利用第一电磁执行器14、第二电磁执行器16、第三电磁执行器17、第四电磁执行器19，或竖直方向上的第一电磁执行器14、第三电磁执行器17，或水平方向上的第二电磁执行器16、第四电磁执行器19同时给推力盘6施加一个瞬态冲击电磁力(冲击作用时间小于2s)，利用4个位移传感器分别测量推力盘6的轴向振动瞬态响应曲线，通过对推力盘6的轴向振动瞬态响应曲线的分析，就可以得到相应工况下推力滑动轴承油膜的轴向刚度和轴向阻尼。
进一步地，利用第一电磁执行器14或第二电磁执行器16或第三电磁执行器17或第四电磁执行器19给推力盘6施加一个脉冲电磁力矩，利用与施加脉冲电磁力矩方向上的位移传感器测量推力盘6的角振动瞬态响应曲线，通过对推力盘6的角振动瞬态响应曲线的分析，就可以得到相应工况下推力滑动轴承油膜的在所受电磁力矩方向上的角刚度和角阻尼。

Claims (5)

1.一种基于非接触式电磁激振器的推力滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：该装置包括一个推力盘以及分别安装在推力盘两侧的电磁激振器与位移传感器；所述电磁激振器与推力盘间隙配合，共有四组，沿推力盘周向均匀分布，且相邻的电磁激振器之间具有间隙；所述位移传感器与电磁激振器一一对应；利用安装在推力盘一侧的电磁激振器给推力盘施加所需的轴向电磁力或电磁力矩，并利用安装在推力盘另一侧的位移传感器检测推力盘在轴向电磁力或电磁力矩作用下的位移，实现对推力滑动轴承的可控非接触式激励及动力特性的测试；
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推力盘相邻的圆周型定子支架上，四组电磁激振器在定子支架周向呈水平、垂直分布，且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垂直于推力盘表面，所有的电磁执行器之间相互独立、互不接触；
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，各磁极中心与定子中心的连线为对应磁极分布的对称轴。
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推力滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：所述磁极的形状为扇形、圆形或矩形。
3.根据权利要求1所述的一种基于非接触式电磁激振器的推力滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：所述位移传感器中心在推力盘上的投影与电磁激振器的中心在推力盘上的投影相重合。
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推力滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：该装置还包括轴向力传感器、电磁控制器和功率放大器，所述轴向力传感器安装在电磁激振器与定子支架之间，检测电磁激振器与推力盘之间的轴向电磁力或电磁力矩，轴向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推力滑动轴承动力特性测试装置，其特征在于：所述的轴向力传感器将轴向电磁力或电磁力矩的信号传输到电磁控制器，电磁控制器根据轴向电磁力或电磁力矩的设置值与实际值之间的误差，实时调整输出到功率放大器的信号，功率放大器对电磁控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动电磁执行器改变轴向电磁力或电磁力矩，从而实现对轴向电磁力或电磁力矩的精确控制。
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