CN113945344A - 一种气体轴承的气膜刚度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体轴承的气膜刚度测量方法。气体轴承的气膜刚度测量方法中通过保持件固定待测气体轴承,使保持件与待测气体轴承组成弹簧质量系统,使待测气体轴承与轴系之间具有偏心距,根据气体轴承的振动情况,通过在无润滑气体条件下给待测气体轴承施加外部激励,测量得到气体轴承的无润滑刚度,在有润滑气体条件下给待测气体轴承施加所述外部激励,测量得到气体轴承的复合刚度,然后将两次测量得到的刚度相减即可得到气体轴承的气膜刚度,上述根据气体轴承受到外部激励后的振动情况对气体轴承刚度进行计算测量,可减小气体轴承气膜刚度测量的误差,提高气体轴承气膜刚度测量的精度。
Description
技术领域
本发明涉及轴承的测试领域,具体涉及气体轴承的气膜刚度测量方法。
背景技术
超临界二氧化碳气体润滑轴承是超临界二氧化碳高速透平发电机的重要辅助部件,其主要作用是降低轴系温度和辅助支撑。气体轴承的辅助支撑刚度,即气膜刚度是轴系设计时必须要考虑的因素之一。
现有技术中对气体轴承气膜刚度的检测是在气体轴承运转状态下,通过摄动法对气体轴承的气膜刚度进行测量。但是在气体轴承实际工程应用中,由于气体的压缩性,轴承腔内气膜刚度受到气体轴承转动件的转速、振动频率的影响较大,通过摄动法对气体轴承的测量误差较大,从而导致气膜刚度测量精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体轴承的气膜刚度测量方法,以解决现有技术中对气体轴承气膜刚度的测量误差较大、精度较低的技术问题。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法采用如下技术方案:
气体轴承的气膜刚度测量方法包括如下步骤:
(1)将待测气体轴承套装在轴系上,通过保持件保持气体轴承与轴系的相对位置,并使待测气体轴承与轴系之间具有偏心距;
(2)在无气体润滑状态下,对待测气体轴承施加外部激励,根据气体轴承的振动情况,处理计算得出气体轴承的无润滑刚度kB;
(3)在气体轴承腔内有润滑气体的状态下,驱动轴系转动,对待测气体轴承施加所述外部激励,根据气体轴承的振动情况,处理计算得出有气体润滑时气体轴承的复合刚度kBQ;
(4)根据kBQ=kQ+kB计算,计算气体轴承的气膜刚度kBQ。
本发明的有益效果是:本发明气体轴承的气膜刚度测量方法中,通过保持件保持气体轴承与轴系的相对位置,根据气体轴承在受到外部激励后的振动情况,通过在有润滑气体条件下测量得到气体轴承的复合刚度,在无润滑气体条件下测量得到气体轴承的无润滑刚度,然后将两次测量得到的刚度相减即可得到气体轴承的气膜刚度,上述利用气体轴承受到外部激励后的振动对气体轴承的气膜刚度进行测量,可消除振动对气体轴承气膜刚度测量的影响,减小气体轴承气膜刚度测量的误差,提高气体轴承气膜刚度的测量精度。
进一步地,在上述步骤(2)中,根据气体轴承的振动情况,得到气体轴承的振动固有频率,根据弹簧质量系统固有频率计算公式计算得到刚度kB,其中fB为无气体润滑状态下气体轴承振动的固有频率,m为保持件与待测气体轴承的质量;在上述步骤(3)中,根据气体轴承的振动情况,得到气体轴承的振动固有频率,根据弹簧质量系统固有频率计算公式计算得到刚度kBQ,其中fBQ为有气体润滑状态下气体轴承振动的固有频率。
其有益效果是:上述在气体轴承的振动状态下,根据弹簧质量系统固有频率计算公式计算得到气体轴承刚度的方法简单,便于操作。
进一步地,在上述步骤(3)中,给定轴系不同转速,计算得到不同转速下气体轴承的复合刚度,进而计算气体轴承的气膜刚度。
其有益效果是:通过上述方法可实现对不同转速下气体轴承复合刚度的计算,进而可计算出不同转速下气体轴承的气膜刚度,可研究不同转速下气体轴承气膜刚度的变化。
进一步地,所述外部激励的方向与待测气体轴承和轴系之间的偏心方向一致。
其有益效果是:上述偏心方向和外部激励施加方向一致,可仅在一个方向上测量气体轴承的气膜刚度,避免其他方向上气膜刚度对该方向上气膜刚度的影响,有助于提高气体轴承气膜刚度的测量精度。
进一步地,气体轴承与轴系之间的偏心方向为水平方向。
其有益效果是:偏心方向为水平方向,可用于测量水平方向上气体轴承的气膜刚度,可避免竖直方向上气体轴承的重力影响气体轴承气膜刚度的测量,有助于提高气体轴承气膜刚度的测量精度。
进一步地,保持件为悬吊件,气体轴承通过悬吊件的保持处于悬吊状态。
其有益效果是:保持件吊装待测气体轴承,可使待测气体轴承重力势能最小,有助于使待测气体轴承形成稳定结构。
进一步地,悬吊件为弹性件。
其有益效果是:弹性件具有一定的刚度,可在气体轴承振动的过程中,使弹性件与气体轴承形成稳定的弹簧质量系统,便于利用待测气体轴承的振动对气体轴承气膜刚度的计算,可消除振动对气体轴承气膜刚度测量的影响,提高气体轴承气膜刚度的测量精度。
进一步地,所述弹性件为板簧。
其有益效果是:板簧可限制待测气体轴承在平行于板簧板面的平面内的位移,并使待测气体轴承在垂直板簧板面方向上具有一定的初始刚度,可提高气体轴承气膜刚度的测量精度。
进一步地,在在通过板簧固定待测气体轴承的过程中,使所述板簧在其长度方向上的延伸线过待测气体轴承的中心,所述外部激励的方向垂直所述板簧板面。
其有益效果是:板簧长度方向上的延伸线过待测气体轴承的中心,可使板簧与轴承组成的弹簧质量系统形成对称结构,外部激励方向与板簧板面垂直布置,可实现仅对在垂直板簧板面方向上气体轴承气膜刚度的测量。
进一步地,施加的所述外部激励为脉冲激励或阶跃激励。
其有益效果是:利用脉冲激励或阶跃激励可以实现对该弹簧质量系统的宽带激励,单次激励即可得到系统的固有频率,可提高气体轴承气膜刚度的测量效率。
附图说明
图1是采用本发明气体轴承的气膜刚度测量方法的实施例1对气体轴承气膜刚度进行测量时的示意图;
图2是图1中B-B剖视图;
图3是图1中示出的气体轴承固定装置结构示意图;
图4是图3中A处放大图;
图中:1-支座,11-底座,12-支撑架,121-弹性件穿孔,122-感应避让孔,123-激励避让孔,2-待测气体轴承,3-板簧,5-弹性件固定结构,51-水平固定件,52-锁紧配合件,53-垫片,54-锁紧件,6-轴系,7-电主轴,8-数据采集处理系统,81-加速度传感器,9-计算机在线数据处理系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明,即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法的具体实施例1:
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法主要包括以下步骤:
(1)将待测气体轴承套装在轴系上,通过保持件保持气体轴承与轴系的相对位置,并使待测气体轴承与轴系之间具有偏心距;
(2)在无气体润滑状态下,对待测气体轴承施加外部激励,根据气体轴承的振动情况,处理计算得出气体轴承的无润滑刚度kB;
(3)在气体轴承腔内有润滑气体的状态下,驱动轴系转动,对待测气体轴承施加所述外部激励,根据气体轴承的振动情况,处理计算得出有气体润滑时气体轴承的复合刚度kBQ;
(4)根据kBQ=kQ+kB计算,计算气体轴承的气膜刚度kQ。
上述气体轴承气膜刚度测量方法中利用了气体轴承在受到外部激励后振动的过程,可较好的模拟气体轴承实际工况,消除振动对气体轴承气膜刚度测量的影响,减小气体轴承气膜刚度测量的误差,提高气体轴承气膜刚度测量的精度。
以下结合图1至图4中的气体轴承的气膜刚度测量系统对气体轴承的气膜刚度测量方法进行展开说明。
如图1至图4所示,本实施例中,气体轴承气膜刚度测量系统包括气体轴承固定装置,通过气体轴承固定装置固定待测气体轴承2,以使待测气体轴承2与轴系6之间具有偏心距。气体轴承固定装置包括支座1,支座1包括底座11和支撑架12,底座11用于固定在工作台上,底座11上设有凸台,支撑架12为下部开口的U形支架,凸台位于U形支架的开口内,以用于实现底座11对支撑架12的预定位,支撑架12上的U形开口两端均设置有朝向外侧凸出布置的连接凸台,螺栓穿过连接凸台与底座11固定连接,以实现支撑架12与底座11的固定连接。
本实施例中,如图3和图4所示,气体轴承固定装置包括保持件,待测气体轴承2通过保持件吊装固定在支撑架12上,以使保持件形成悬吊件,使待测气体轴承2处于悬吊状态,可使待测气体轴承2的重力势能最小,有助于使待测气体轴承2形成稳定结构。本实施例中,保持件为具有一定刚度的弹性件。其他实施例中,保持件还可以是非弹性件,如可以是由木材或塑胶制成的吊装件,具体材质并没有具体限制,但是必须要保证保持件具有一定的刚度,以在给待测气体轴承一个外部激励后,使待测气体轴承能够发生振动。本实施例中,弹性件为板簧3,所选板簧3的刚度与待测气体轴承的气膜刚度相近,板簧3上下延伸布置,板簧3的一端通过弹性件固定结构5固定在支撑架12上,板簧3的另一端与待测气体轴承2固定连接,以使板簧3与待测气体轴承2形成弹簧质量系统,便于通过弹簧质量系统的固有频率计算公式对待测气体轴承的气膜刚度进行计算。
本实施例中,如图3和图4所示,在支撑架12上U形底部设置有上下贯通的弹性件穿孔121,板簧3穿过弹性件穿孔121,弹性件穿孔121位置处设置有安装凹槽,弹性件固定结构5位于安装凹槽内。板簧3上端90°折弯,折弯部分与板簧3的延伸方向垂直布置,该折弯部分与支撑架固定连接,以形成支撑架固定端,支撑架固定端通过弹性件固定结构5固定在安装凹槽的槽底。弹性件固定结构5包括水平固定件51,该水平固定件51为固定块,竖直螺栓从上至下穿过支撑架固定端和水平固定件51,并与支撑架12锁紧固定,以实现板簧上端与支撑架12的固定连接。
本实施例中,如图3和图4所示,弹性件固定结构5还包括垫片53,垫片53穿过竖直螺栓,垫片53被压装在支撑架固定端与水平固定件之间,垫片53为L形垫片,L形垫片的长边面与水平固定件51的上表面贴合布置,垫片53上L形拐角的外侧面与板簧3上端折弯部分的内表面贴合,以将板簧3顶推至弹性件穿孔121内,并使板簧3与弹性件穿孔121的内壁面间隔布置,避免板簧3振动时与支撑架12接触。
本实施例中,如图3和图4所示,弹性件固定结构5还包括锁紧件54和锁紧配合件52,锁紧件54和锁紧配合件52均为块状结构,锁紧配合件52固定在安装凹槽内,该锁紧配合件52与水平固定件分别设置在板簧3的两侧,锁紧配合件52为U形结构,其U形开口朝向弹性件穿孔121,锁紧件54位于锁紧配合件52与板簧3之间,水平螺栓穿过锁紧配合件52并与锁紧件54顶压配合,通过锁紧件54将板簧3压紧在垫块53与锁紧件54之间。
本实施例中,如图1和图3所示,板簧3的下端90°折弯,折弯部分与板簧3的延伸方向垂直布置,该折弯部分与待测气体轴承2固定连接,以形成轴承固定端。板簧3在其长度方向上的延伸线过待测气体轴承2的中心,以在气膜刚度测量过程中,板簧3与待测气体轴承2组成的弹簧质量系统在板簧3延伸方向上的刚度为零。
本实施例中,如图1所示,气体轴承的气膜刚度测量系统还包括轴系6,轴系6穿装在待测气体轴承2中,轴系6配置有驱动机构,该驱动机构为电主轴7,可通过电主轴7带动轴系6转动,以在气膜刚度测量过程中模拟待测气体轴承的实际工况。
本实施例中,如图1所示,气体轴承的气膜刚度测量系统还包括供气设备,供气设备用于向待测气体轴承内通入二氧化碳润滑气体,以在气膜刚度测量的过程中,模拟待测气体轴承的实际工况。
本实施例中,如图1和图3所示,气体轴承的气膜刚度测量系统还包括激励发生器(未示出),该激励发生器用于在对气体轴承的气膜刚度测量的过程中对待测气体轴承施加外部激励,该外部激励为脉冲激励。其他实施例中,外部激励还可以是阶跃激励。本实施例中,如图1至图3所示,在支撑架12上于U形开口一侧的侧壁上设置有激励避让孔123,在待测气体轴承2上与激励避让孔123相对的位置处设置有与激励发生器配合的激励配合件。在待测气体轴承气膜刚度测量的过程中,激励发生器的输出端穿过激励避让孔123,并作用在激励配合件上,以用于向待测气体轴承施加外部激励,外部激励施加方向通过待测气体轴承的中心,且外部激励施加方向与板簧3的板面垂直布置,可仅实现对垂直板簧板面方向上气体轴承气膜刚度的测量。
本实施例中,如图1和图3所示,气体轴承的气膜刚度测量系统还包括数据采集处理系统8,数据采集处理系统8包括数据采集系统和计算机在线数据处理系统9,数据采集系统具有用于检测待测气体轴承振动的加速度传感器81,加速度传感器81与待测气体轴承2相对固定,支撑架上于U形开口另一侧的侧壁上设有感应避让孔122,该感应避让孔对应加速度传感器81设置,以在待测气体轴承受到外部激励振动后,采集待测气体轴承的振动信号,并将该信号传递给计算机在线数据处理系统9,计算机在线数据处理系统9对待测气体轴承的振动信号进行处理,以得到待测气体轴承的气膜刚度,数据采集系统还可采集激励发生器的激励值以及轴系6转速,并将该激励值和轴系6转速传递给计算机在线数据处理系统9。
本实施例的气体轴承的气膜刚度测量步骤如下:
(1)本实施例的气体轴承的气膜刚度测量之前,先测量板簧3与待测气体轴承2组成的弹簧质量系统的质量m,在对待测气体轴承气膜刚度测量的过程中,先通过板簧3实现待测气体轴承2与轴系6的相对固定,同时将待测气体轴承2套装在轴系6上,将竖直螺栓穿过支撑架固定端、垫块53和水平固定件51,并锁紧在支撑架12上,再将水平螺栓穿过锁紧配合件52,与锁紧件54顶紧,并使锁紧件54将板簧压紧在锁紧件54与垫块53之间,以将待测气体轴承2吊装固定在支撑架12上。
在上述固定待测气体轴承的过程中,还需要保证板簧3在其长度方向上的延长线通过待测气体轴承的中心,而且待测气体轴承的中心与轴系6的中心在同一个水平面内,待测气体轴承与轴系6具有在水平方向上的偏心距,该偏心距需满足待测气体轴承振动的过程中待测气体轴承不会碰到轴系6。
(2)在轴系6不转动且待测气体轴承内部不通润滑气体的状态下,通过激励发生器向待测气体轴承施加朝向水平方向的外部激励,通过加速度传感器81采集待测气体轴承的振动信号,并将该振动信号传递给计算机在线数据处理系统9,计算机在线数据处理系统9根据振动信号确定由待测气体轴承在无润滑状态下的固有频率fB,根据弹簧质量系统固有频率计算公式计算待测气体轴承的无润滑刚度kB,该无润滑刚度即为板簧的刚度。
(3)通过供气设备向待测气体轴承中充入二氧化碳润滑气体,驱动电主轴7,以使电主轴7带动轴系6转动,以模拟待测气体轴承工况,并将轴系转速传递给数据采集系统。在轴系6转动以及待测气体轴承中有润滑气体的状态下,通过激励发生器向待测气体轴承施加与无润滑状态下外部激励相同的外部激励,通过加速度传感器81采集待测气体轴承的振动信号,并将轴系转速、通过数据采集系统采集的外部激励值以及振动信号传递给计算机在线数据处理系统9,计算机在线数据处理系统9根据振动信号确定由待测气体轴承2在有气体润滑状态下的固有频率fBQ,根据弹簧质量系统固有频率计算公式计算待测气体轴承在有气体润滑时的复合刚度kBQ,该复合刚度kBQ也即为在有气体润滑状态下待测气体轴承与板簧的刚度。
在该步骤中,测量不同轴系转速状态下的多组复合刚度kBQ。
(4)在计算机在线数据处理系统9中,根据kBQ=kQ+kB,将上述不同轴系转速状态下待测气体轴承在有气体润滑时的复合刚度kBQ与待测气体轴承的无润滑气体刚度kB相减,即得到不同轴系转速条件下,有气体润滑状态下待测气体轴承的气膜刚度kQ。需要说明的是,上述气膜刚度kQ为待测气体轴承与轴系6偏心距一定条件下的气膜刚度。
上述通过将板簧与待测气体轴承组成弹簧质量系统,在有气体润滑状态和无气体润滑状态下对弹簧质量系统施加相同的外部激励,采集弹簧质量系统的振动信号,根据弹簧质量系统固有频率计算公式计算两种状态下弹簧质量系统的刚度,将两种状态下的刚度相减,即得到有气体润滑状态下待测气体轴承的气膜刚度,可较好的模拟气体轴承的实际工况,消除振动对气体轴承气膜刚度测量的影响,减小气体轴承气膜刚度测量的误差,提高气体轴承气膜刚度测量的精度;而且测量不同轴系转速条件下气体轴承的气膜刚度,可研究不同轴系转速对气体轴承气膜刚度的影响。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法的具体实施例2:
其与具体实施例1的区别在于:在将待测气体轴承吊装固定在支撑架上的过程中,使待测气体轴承的中心与轴系中心之间的连线与竖直面之间的夹角小于90°。在有润滑气体状态和无润滑气体状态下对待测气体轴承施加的外部激励的方向过待测气体轴承的中心,且待测气体轴承上外部激励施加点、待测气体轴承中心与轴系中心共线布置,以测量待测气体轴承的中心与轴系中心之间的连线延伸方向上待测气体轴承的气膜刚度。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法的具体实施例3:
其与具体实施例1的区别在于:将待测气体轴承吊装固定在支撑架上的过程中,使待测气体轴承的中心与轴系中心之间的连线与竖直面之间的夹角小于90°。在有润滑气体状态和无润滑气体状态下对待测气体轴承施加朝向水平方向上的外部激励,以测量待测气体轴承在水平方向上的气膜刚度。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法的具体实施例4:
其与具体实施例1的区别在于:在通过板簧吊装待测气体轴承的过程中,使板簧在其长度方向上的延伸线与待测气体轴承的中心之间具有较小距离,外部激励的方向垂直板簧板面,也可实现对在水平方向上的待测气体轴承气膜刚度的测量。
其他实施例中,通过板簧吊装待测气体轴承的过程中,使板簧在其长度方向上的延伸线过待测气体轴承的中心,对待测气体轴承施加的外部激励的方向与板簧板面之间的夹角小于90°,以实现对在外部激励施加方向上气体轴承气膜刚度的测量。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法的具体实施例5:
其与具体实施例1的区别在于:气体轴承固定装置中,保持件为支撑件,气体轴承通过支撑件保持在支撑状态。具体的,保持件为板簧,板簧固定结构设置在底座上,水平固定件和锁紧配合件均固定在底座上,板簧上的支撑架固定端压装在垫块与水平固定件之间,在板簧固定的过程中,将竖直螺栓依次穿过垫块、支撑架固定端和水平固定件并锁紧在底座上,锁紧配合件固定在底座上,水平螺栓穿过锁紧配合块,与锁紧件顶紧,并使锁紧件将板簧压紧在锁紧件与垫块之间,以将待测气体轴承支撑在支撑架上。
本发明的气体轴承的气膜刚度测量方法的具体实施例6:
其与具体实施例1的区别在于:在对待测气体轴承固定的过程中,弹性件为螺旋弹簧,螺旋弹簧上下两端均具有与螺旋弹簧一体成型的弹性片,上端弹性片通过弹性件固定结构固定在支撑架上,下端弹性片固定在待测气体轴承上。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,本发明的专利保护范围以权利要求书为准,凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化,同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将待测气体轴承套装在轴系上,通过保持件保持气体轴承与轴系的相对位置,并使待测气体轴承与轴系之间具有偏心距;
(2)在无气体润滑状态下,对待测气体轴承施加外部激励,根据气体轴承的振动情况,处理计算得出气体轴承的无润滑刚度kB;
(3)在气体轴承腔内有润滑气体的状态下,驱动轴系转动,对待测气体轴承施加所述外部激励,根据气体轴承的振动情况,处理计算得出有气体润滑时气体轴承的复合刚度kBQ;
(4)根据kBQ=kQ+kB计算,计算气体轴承的气膜刚度kQ。
3.根据权利要求1所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,在上述步骤(3)中,给定轴系不同转速,计算得到不同转速下气体轴承的复合刚度,进而计算气体轴承的气膜刚度。
4.根据权利要求1所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,所述外部激励的方向与待测气体轴承和轴系之间的偏心方向一致。
5.根据权利要求4所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,气体轴承与轴系之间的偏心方向为水平方向。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,保持件为悬吊件,气体轴承通过悬吊件的保持处于悬吊状态。
7.根据权利要求6所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,悬吊件为弹性件。
8.根据权利要求7所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,所述弹性件为板簧。
9.根据权利要求8所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,在通过板簧固定待测气体轴承的过程中,使所述板簧在其长度方向上的延伸线过待测气体轴承的中心,所述外部激励的方向垂直所述板簧板面。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的气体轴承的气膜刚度测量方法,其特征在于,施加的所述外部激励为脉冲激励或阶跃激励。
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