CN114166394B - 一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，该测量方法包括以下步骤：在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片；通过应变片测量平箔的应变；根据胡克定律和测量的平箔应变，计算单个平箔的摩擦力矩；根据止推气体箔片轴承中平箔的数量，计算止推气体箔片轴承的总摩擦力矩。上述测量方法可以在不影响止推气体箔片轴承运行的情况下实现摩擦力矩的测量，并具有体积小、成本低、易安装等优势，解决了现有止推气体箔片轴承摩擦力矩监测中存在测量装置结构复杂、无法在工作状态下对轴承进行监测的问题。

Description

一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法

技术领域

本发明涉及气体轴承技术领域，具体涉及一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法。

背景技术

气体轴承因具有无污染、摩擦阻力小、运行寿命长、环境适应力强等优点已在新能源车辆、航空航天、低温制冷等领域获得了广泛应用。但气体轴承目前存在运行状态不稳定、启停寿命受到限制等问题，摩擦力矩可以较好反应气体箔片轴承的运行状态、剩余寿命等参数，对气体箔片轴承监测具有重要意义，但现有摩擦力矩的监测方法存在测量装置结构复杂、无法对工作状态下的轴承进行监测的问题。

徐方程等在论文《气体止推箔片轴承试验台设计及试验》中将被测止推箔片轴承座和摩擦力矩杆分别连接在静压气体轴承转子上。当试验进行时，高压空气进入节流孔后将转子托起，使得被测止推箔片轴承能够不受约束的沿着轴线旋转，止推盘旋转带起的气流作用到轴承表面的摩擦力使得止推箔片轴承具有沿止推盘相同方向旋转的趋势，此时止推箔片轴承的扭矩通过安装其侧面的力矩杆传递到动态力传感器上，通过测得的动力载荷与力矩杆长度的乘积得到作用在止推箔片轴承表面的摩擦力矩。

现有技术通过安装在止推气体箔片轴承侧面的力矩杆来测量止推气体箔片轴承的摩擦力，但在实际工作装置中该力矩杆是无法安装的，故该方法仅能在实验环境下实施，且该测量装置需要多个气体轴承，具有成本高和结构复杂的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，解决现有止推气体箔片轴承摩擦力矩监测中存在结构复杂、无法在工作状态下对轴承进行监测的问题。

本发明采用以下具体技术方案：

一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，止推气体箔片轴承包括平箔、支撑结构和轴承底板，该测量方法包括以下步骤：

在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片；

通过应变片测量平箔的应变；

根据胡克定律和测量的平箔应变，计算单个平箔的摩擦力矩；

根据止推气体箔片轴承中平箔的数量，计算止推气体箔片轴承的总摩擦力矩。

更进一步地，在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片的步骤中，应变片包括第一应变片和第二应变片；

第一应变片粘贴于平箔楔形区域的径向外边缘区域，并使第一应变片敏感方向的中垂线经过平箔圆心；

第二应变片粘贴于平箔非楔形区域的径向外边缘区域，并使第二应变片敏感方向的中垂线均经过平箔圆心。

更进一步地，平箔为沿止推气体箔片轴承的周向均匀分布的扇形平箔；

应变片为矩形应变片。

更进一步地，在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片之前，还包括以下步骤：

测量平箔内径r、平箔外径R、平箔楔形区域对应的圆心角

平箔非楔形区域对应的圆心角

应变片敏感方向的长度a以及非敏感方向的长度b；

确定平箔的杨氏弹性模量E。

更进一步地，计算单个平箔的摩擦力矩，具体包括：

将平箔置于极坐标系内，平箔上任意一点P(ρ,θ)的应变ε(ρ,θ)为：

上式中，ε₁为第一应变片的应变，ε₂为第二应变片的应变，ρ为P点的极径，θ为P点的极角，a为应变片敏感方向的长度，R为平箔外径，

为楔形区域对应的圆心角，

为非楔形区域对应的圆心角；

根据胡克定律计算出平箔P点处的应力，再将P点处的应力乘以极径ρ即为P点所受的摩擦力矩，平箔上P点所受的摩擦力矩T(ρ,θ)为：

T(ρ,θ)＝E·ε(ρ,θ)·ρ

上式中，E为平箔的杨氏弹性模量，ρ为P点的极径，ε(ρ,θ)为P点的应变；

单个平箔所受的摩擦力矩T_f为：

更进一步地，止推气体箔片轴承的总摩擦力矩T为：

T＝T_f·n

上式中，T_f为单个平箔的摩擦力矩，n为单个止推气体箔片轴承中平箔的数量。

更进一步地，应变片为带有温度自补偿的电阻式矩形应变片。

有益效果：

本发明的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法克服了传统测量方法需要外加力矩杆的问题，根据胡克定律，通过测量应变，可以在不影响止推气体箔片轴承运行的情况下实现摩擦力矩的测量，且无需对电机、压气机等各类轴承安装装置进行机械结构改动，方法实施简单，填补了当前无法对工作状态下止推气体箔片轴承进行实时摩擦力矩监测的空白；同时，在本发明的摩擦力矩测量方法中使用粘贴于平箔的应变片作为应变测量工具，具有体积小、成本低、易安装等优势。

附图说明

图1为本发明的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法的流程图；

图2为止推气体箔片轴承的截面结构示意图；

图3为图2中止推气体箔片轴承的单个平箔结构示意图；

图4为应变片在止推气体箔片轴承中的安装截面示意图；

图5为应变片在平箔的安装位置示意图；

图6为处于极坐标系中的平箔示意图；

图7为应变片的结构示意图；

图8为止推气体箔片轴承的工作状态示意图；

图9为止推气体箔片轴承的工作原理示意图。

其中，1-平箔，2-波箔，3-轴承底板，4-固定端，5-楔形区域，6-非楔形区域，7-第一应变片，8-第二应变片，9-止推盘，10-转子，11-固定孔

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，在本实施例中，以波箔2支承的止推气体箔片轴承为例进行说明，但是该测量方法也可以用于测量以鼓泡、金属丝等其它支承类型的止推气体箔片轴承；如图2和图4结构所示，止推气体箔片轴承包括平箔1、波箔2以及轴承底板3，平箔1的一端为固定端4，固定连接于轴承底板3，在平箔1和轴承底板3之间安装有波箔2；平箔1可以为沿止推气体箔片轴承的周向均匀分布的多个扇形平箔1；止推气体箔片轴承用于由动力驱动可以高速旋转的高速转子装置中；止推气体箔片轴承的工作状态参考图8，止推气体箔片轴承通过穿设于周向的固定孔11中的螺栓、螺钉或铆钉固定安装在轴承座上，在转子10旋转时处于静止状态；止推盘9与转子10配合固定，随转子10一起旋转；止推气体箔片轴承的工作原理参考图9，当转子10开始旋转时，转子10带动止推盘9和止推气体箔片轴承之间的气体一起旋转，由于止推气体箔片轴承存在楔形区域5，当气体由楔形区域5入口端流向非楔形区域6时，由于入口端平箔1边缘与止推盘9之间的距离H2大于平箔1内部与止推盘9之间的距离H1，导致进入平箔1与止推盘9之间的气体被压缩，使气体压力升高进而产生止推力，当转子10的转速足够大时，即可产生足够的止推力。受止推盘9带动的旋转气体会与静止的平箔1产生摩擦，平箔1受到气体的摩擦力作用会产生应变，通过粘贴应变片测得平箔1的应变即可计算出平箔1所受的摩擦力矩。

如图1所示，该测量方法包括以下步骤：

步骤S10，在平箔1朝向轴承底板3的一侧表面粘贴应变片，在本实施例中，应变片粘贴于平箔1朝向轴承底板3的一侧表面；将粘贴有应变片的平箔1安装至止推气体箔片轴承，并将止推气体箔片轴承安装于转子上；如图4和图5结构所示，在平箔1朝向波箔2的一侧表面粘贴有两个应变片，分别为粘贴于楔形区域5的第一应变片7和粘贴于非楔形区域6的第二应变片8；第一应变片7粘贴于平箔1楔形区域5的径向外边缘区域，并使第一应变片7敏感方向的中垂线经过平箔1圆心；第二应变片8粘贴于平箔1非楔形区域6的径向外边缘区域，并使第二应变片8敏感方向的中垂线均经过平箔1圆心；在本发明实施例中以使用两个应变片为例进行说明，通过两个应变平可以提高测量精度，但是在实际测量过程中，也可以使用一个应变片或多个应变片；将应变片安装在平箔1扇形外径边缘可以简化计算，应变片也可安装在平箔1其它位置；在本发明实施例中使用在平箔1表面粘贴应变片的方式测量应变，也可在平箔1片内部嵌入应变片或使用焊接等其它方式安装固定应变片；如图5结构所示，应变片可以为矩形应变片，也可以使用其它形状的应变片或应变花；

步骤S20，通过应变片测量平箔1的应变；在采用应变片测量平箔1应变的过程中，通过计算及显示装置将应变片测得的电信号转换为应变值进行计算和显示轴承所受摩擦力矩，可由信号调理电路、应变仪、计算机、单片机、显示器、示波器等组成；转子运行过程中，读取第一应变片7和第二应变片8的读数；

步骤S30，根据胡克定律和测量的平箔1应变，计算单个平箔1的摩擦力矩；在计算过程中，由于扇形平箔1沿半径方向的应变与半径近似线性相关，由于b/R和a/2πR很小，可将第一应变片7和第二应变片8测得的应变值除以应变片敏感方向长度a，将所得结果近似看作平箔1扇形外径处弧长的应变；计算单个平箔1的摩擦力矩可以通过以下具体步骤：如图6所示，将平箔1置于极坐标系内，平箔1上任意一点P(ρ,θ)的应变ε(ρ,θ)为：

上式中，ε₁为第一应变片7的应变，ε₂为第二应变片8的应变，ρ为P点的极径，θ为P点的极角，a为应变片敏感方向的长度，R为平箔1外径，

为楔形区域5对应的圆心角，

为非楔形区域6对应的圆心角；

根据胡克定律计算出平箔P点处的应力，再将P点处的应力乘以极径ρ即为P点所受的摩擦力矩，平箔1上P点所受的摩擦力矩T(ρ,θ)为：

T(ρ,θ)＝E·ε(ρ,θ)·ρ

上式中，E为平箔1的杨氏弹性模量，ρ为P点的极径，ε(ρ,θ)为P点的应变；

单个平箔1所受的摩擦力矩T_f为：

步骤S40，根据止推气体箔片轴承中平箔1的数量，计算止推气体箔片轴承的总摩擦力矩；止推气体箔片轴承的总摩擦力矩T采用以下公式进行计算：

T＝T_f·n

上式中，T_f为单个平箔1的摩擦力矩，n为单个止推气体箔片轴承中平箔1的数量。

上述止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法克服了传统测量方法需要外加力矩杆的问题；根据胡克定律，通过测量应变，可以在不影响止推气体箔片轴承运行的情况下实现摩擦力矩的测量，且无需对电机、压气机等各类轴承安装装置进行机械结构改动，方法实施简单，填补了当前无法对工作状态下止推气体箔片轴承进行实时摩擦力矩监测的空白；同时，在本发明的摩擦力矩测量方法中使用粘贴于平箔1的应变片作为应变测量工具，具有体积小、成本低、易安装等优势。

上述摩擦力矩测量方法根据扇形平箔1两点应变量计算其余位置应变量，利用扇形平箔1沿半径方向的应变与半径近似线性相关的特点，选择平箔1外径边缘作为两块应变片的安装位置，利用几何关系通过加装应变片位置的应变量计算出平箔1其余位置的应变量；测得平箔1应变量和平箔1杨氏弹性模量，通过胡克定律计算得到平箔1应力，进而计算出止推气体箔片轴承所受的摩擦力矩。

图3示意了平箔1的平面结构图，图7示意了应变片的平面结构图，并且在图7中，应变片的敏感方向如箭头A所示，在平箔1朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片之前，还可以包括以下步骤：

测量平箔1内径r、平箔1外径R、平箔1楔形区域5对应的圆心角

平箔1非楔形区域6对应的圆心角

应变片敏感方向的长度a以及非敏感方向的长度b；

确定平箔1的杨氏弹性模量E，在确定平箔1的杨氏弹性模量E过程中，杨氏弹性模量E可以由平箔1的制造材料和热处理规范查找相关资料获得。

在上述各种实施例的基础上，应变片可以为带有温度自补偿的电阻式矩形应变片，通过使用自补偿应变片能够抵消温度变化带来的误差，使得测量结果更加准确；当然，也可使用温度补偿电路或温度补偿计算软件等方式补偿温度变化带来的误差。在本实施例中以波箔2支撑的止推气体箔片轴承以及电阻式应变片为例进行说明，也可使用其它类型的应变片或应变测量装置测量平箔1的应变，上述测量方法也可用于测量其它支承结构的止推轴承，只要以在平箔1片上加装应变片或者通过测量平箔1的应变来计算轴承所受摩擦力矩的方式都应属于本发明专利保护范围。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，止推气体箔片轴承包括平箔、支撑结构和轴承底板，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：

在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片；

通过应变片测量平箔的应变；

根据胡克定律和测量的平箔应变，计算单个平箔的摩擦力矩；

根据止推气体箔片轴承中平箔的数量，计算止推气体箔片轴承的总摩擦力矩。

2.如权利要求1所述的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于，在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片的步骤中，应变片包括第一应变片和第二应变片；

第一应变片粘贴于平箔楔形区域的径向外边缘区域，并使第一应变片敏感方向的中垂线经过平箔圆心；

第二应变片粘贴于平箔非楔形区域的径向外边缘区域，并使第二应变片敏感方向的中垂线均经过平箔圆心。

3.如权利要求2所述的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于，平箔为沿止推气体箔片轴承的周向均匀分布的扇形平箔；

应变片为矩形应变片。

4.如权利要求3所述的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于，在平箔朝向轴承底板的一侧表面粘贴应变片之前，还包括以下步骤：

测量平箔内径r、平箔外径R、平箔楔形区域对应的圆心角

平箔非楔形区域对应的圆心角

应变片敏感方向的长度a以及非敏感方向的长度b；

确定平箔的杨氏弹性模量E。

5.如权利要求4所述的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于， 计算单个平箔的摩擦力矩，具体包括：

将平箔置于极坐标系内，平箔上任意一点P(ρ,θ)的应变ε(ρ,θ)为：

上式中，ε₁为第一应变片的应变，ε₂为第二应变片的应变，ρ为P点的极径，θ为P点的极角，a为应变片敏感方向的长度，R为平箔外径，

为楔形区域对应的圆心角，

为非楔形区域对应的圆心角；

根据胡克定律计算出平箔P点处的应力，再将P点处的应力乘以极径ρ即为P点所受的摩擦力矩，平箔上P点所受的摩擦力矩T(ρ,θ)为：

T(ρ,θ)＝E·ε(ρ,θ)·ρ

上式中，E为平箔的杨氏弹性模量，ρ为P点的极径，ε(ρ,θ)为P点的应变；

单个平箔所受的摩擦力矩T_f为：

。

6.如权利要求5所述的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于， 止推气体箔片轴承的总摩擦力矩T为：

T＝T_f·n

上式中，T_f为单个平箔的摩擦力矩，n为单个止推气体箔片轴承中平箔的数量。

7.如权利要求1-6任一项所述的止推气体箔片轴承摩擦力矩测量方法，其特征在于，应变片为带有温度自补偿的电阻式矩形应变片。

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