CN114184383B - 一种s-co2润滑轴承-转子实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种S‑CO2润滑轴承‑转子实验台，包括底座、驱动电主轴、中间转子轴、末端测试转子轴、滚动轴承及轴承座、干气密封装置、轴承加载单元、待测轴承、测试轴承平衡装置、传感测试系统、密封腔体。驱动电主轴与采用柔性联轴器与转子连接；待测轴承安装在测试转子轴上；测试转子轴与转子采用10：1锥度定位以及螺纹连接；轴承加载与待测轴承连接，轴承加载可对待测轴承施加外载荷；测试转子轴与密封腔采用干气密封装置密封；轴承测试系统连接在待测轴承上；信号采集系统与轴承测试系统连接。采用正置式轴承转子实验台，可以通过更换测试转子轴对不同轴径的径向轴承实验，也可以将测试转子轴更换为推力盘对推力轴承进行实验研究。
Description
技术领域
本发明属于实验设备领域，尤其涉及一种S-CO2润滑轴承-转子实验台。
背景技术
超临界二氧化碳(S-CO2)由于其高效发电的潜力，作为一种潜在的动力循环工质流体，正受到广泛的关注。随着汽轮机进口温度和压力的增加，S-CO2的功率循环比传统的功率循环获得了相当大的优势。传统上，润滑和冷却的油轴承不能承受较高的温度，而较高的压力使保持油与工作液分离成为一个越来越困难的挑战。这些条件强烈地促进了使用S-CO2作为润滑剂。因而，搭建用于测试以S-CO2为润滑介质的轴承实验台，研究S-CO2润滑轴承的动静特性至关重要,成为急需解决的。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种S-CO2润滑轴承-转子实验台，能实现径向轴承和推力轴承以及不同轴颈轴承实验。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种S-CO2润滑轴承-转子实验台，包括底座、驱动电主轴、中间转子轴、末端测试转子轴、滚动轴承及轴承座、干气密封装置、轴承加载单元、待测轴承、测试轴承平衡装置、传感测试系统、密封腔体；
所述驱动电主轴、滚动轴承及轴承座分别置于底座上；
所述驱动电主轴采用柔性联轴器与中间转子轴连接，中间转子轴安装在滚动轴承座上；所述待测轴承安装在末端测试转子轴上，组成轴承测试系统；
所述轴承加载单元与待测轴承加载连接，轴承加载单元对待测轴承施加外载荷，加载装置单元包括静态力加载装置和动态力加载装置；
所述末端测试转子轴的被传动端与中间转子轴采用10：1锥度定位以及螺纹连接，将待测轴承安装在末端测试转子轴上，且待测轴承和末端测试转子轴的轴承安装部设置于密封腔体内，密封腔体储存S-CO2，作为S-CO2密封腔；
末端测试转子轴的被传动端穿过密封腔体侧壁的轴孔，末端测试转子轴与密封腔体的轴孔采用干气密封结构进行动密封；传感测试系统作为信号采集系统，设置传感器的测试端与轴承测试系统连接；所述驱动电主轴通过变频器驱动转子并实现调速。
底座用于支撑实验台，设置电机底座用于支撑电机，轴承座用于支撑各轴承。
优选地，所述末端测试转子轴能更换为不同轴径的测试转子，用于检测不同轴径的径向轴承；或将末端测试转子轴更换为推力盘，用于推力轴承的实验。
优选地，所述测试轴承平衡装置包括平衡连杆、铁丝、滑轮和平衡砝码；所述平衡连杆链接测试轴承上，顶端连接铁丝上，通过滑轮连接平衡砝码，将测试轴承自身重量平衡；所述平衡砝码与轴承自身重量相平衡；所述铁丝连接在滑轮上应属于自由状态。
优选地，加载装置单元包括静态力加载装置和电磁激振器的动态力加载装置；所述静态力加载装置采用水平拉压力传感器采集静态力大小，所述动态力加载装置采用电磁激振器作用于待测轴承上；动态力传感器采集动态信号，且静态力加载装置和动态力加载装置共同连接于待测轴承的轴承座上；所述静态力加载装置包括拉压力传感器、加载施力手柄、加载杆；所述拉压力传感器与加载杆采用螺纹连接，且施加力方向保持平行，与待测轴承的轴向方向垂直，信号传递至信号采集系统；所述加载杆与密封腔体采用O形圈密封；所述动态力加载包括2个电磁激振器、2个动态力传感器、电磁激振器支架、传递杆；所述电磁激振器安装在支架上，与待测轴承轴向保持正负45°；所述电磁激振器通过传递杆连接至待测轴承上；所述动态力传感器安装上电磁激振器与传递杆之间，信号传递至信号采集系统；所述传递杆和密封腔体同样采用O形圈密封。
优选地，所述传感测试系统包测试括位移、加速度、温度、压力、动态力、静态力的传感器；其中，位移传感器连接至测试轴承互相垂直的X、Y方向上用于测量轴承与轴之间的相对位移，输出端连接至信号采集系统；加速度传感器安装在测试轴承互相垂直的X、Y方向上用于测量轴承振动信号，输出端连接至信号采集系统；第一压力传感器、第一温度传感器分别连接在密封腔体内，测量密封腔体内气体温度，并用于检测CO2是否达到临界状态；第二压力传感器连接在待测轴承上，用于测量轴承动压气膜压力；第二温度传感器连接在待测轴承上，用于测试轴承内部温度。
优选地，在中间转子轴两端分别设置角接触球轴承，各角接触球轴承通过轴承座固定安装在底座上，形成固定支撑结构。
优选地，在待测轴承穿过密封腔体侧壁的轴孔处设置支撑轴承，形成轴颈支撑结构。
优选地，所述底座采用隔振平台，隔除振动。
实验操作分为测试轴承拆装方法、测试转子更换与转子转速调节方法。
测试轴承拆装方法：
实验时常常需要对不同轴径的轴承进行实验，当需要拆卸测试轴承时，首先拆卸测试轴承上的位移传感器，再拆卸测试轴承上用于加载的加载杆和传递杆，最后拆卸用于平衡轴承重量的平衡连杆，即可取下测试轴承，将测试轴承从测试转子上取下即可完成测试轴承的拆卸。
测试转子更换：
实验时常常需要对不同轴径的轴承进行实验，当需要更换不同轴径的测试转子时，按测试轴承拆装方法拆卸玩测试轴承后，松开用于连接转自与测试转子的螺母，取下螺母，取出螺栓杆，测试转子即可拆卸，更换新的测试转子，安装完毕即可；当需要实验推力轴承时，将拆卸的测试转子更换为带有10：1锥度的推理盘即可，推力轴承安装在密封腔体的另一侧。
转子转速调节方法：
对于测试轴承需要对其不同转速下性能实验，因此需要对驱动电主轴调速，采用驱动电主轴佩带的变频器可以实现转子转速的调节。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明试验台可以对测试轴承同时静态加载和动态加载，且加载力信号实时采集，加载精度更高；
2.本发明结构简单，测试转子与转子采用10：1锥度螺纹连接，可实现不同轴径的测试轴承实验，也可满足不同轴径的推力轴承实验，安装快速简单，且制造成本低、操作方便，实用性强，对操作人员专业要求低，可显著提高实验效率、缩短试验时间；
3.本发明解决了常规转子试验台局限于单一转子的问题，具备更高的通用性、灵活性和实用性。
附图说明
图1为本发明优选实施例S-CO2润滑轴承-转子实验台的总结构二维主视图。
图2为本发明专利实施例S-CO2润滑轴承-转子实验台的总结构三维轴测图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：包括底座、驱动电主轴11、中间转子轴8、末端测试转子轴、滚动轴承及轴承座、干气密封装置5、轴承加载单元、待测轴承2、测试轴承平衡装置、传感测试系统、密封腔体6；
所述驱动电主轴11、滚动轴承及轴承座分别置于底座上；
所述驱动电主轴11采用柔性联轴器10与中间转子轴8连接，中间转子轴8安装在滚动轴承座上；所述待测轴承2安装在末端测试转子轴上，组成轴承测试系统；
所述轴承加载单元与待测轴承2加载连接，轴承加载单元对待测轴承2施加外载荷，加载装置单元包括静态力加载装置1和动态力加载装置4；
所述末端测试转子轴的被传动端与中间转子轴8采用10：1锥度定位以及螺纹连接，将待测轴承2安装在末端测试转子轴上，且待测轴承2和末端测试转子轴的轴承安装部设置于密封腔体6内，密封腔体6储存S-CO2，作为S-CO2密封腔；
末端测试转子轴的被传动端穿过密封腔体6侧壁的轴孔，末端测试转子轴与密封腔体6的轴孔采用干气密封结构5进行动密封；传感测试系统作为信号采集系统，设置传感器3的测试端与轴承测试系统连接；所述驱动电主轴11通过变频器驱动转子并实现调速。
本实施例S-CO2润滑轴承-转子实验台能实现径向轴承和推力轴承以及不同轴颈轴承实验，通过更换测试转子轴对不同轴径的径向轴承实验，能将测试转子轴更换为推力盘对推力轴承进行实验研究。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1和图2，所述末端测试转子轴能更换为不同轴径的测试转子，用于检测不同轴径的径向轴承；或将所述末端测试转子轴更换为推力盘，用于推力轴承的实验。
在本实施例中，所述测试轴承平衡装置包括平衡连杆、铁丝、滑轮和平衡砝码；所述平衡连杆链接测试轴承2上，顶端连接铁丝上，通过滑轮连接平衡砝码，将测试轴承自身重量平衡；所述平衡砝码与轴承自身重量相平衡；所述铁丝连接在滑轮上应属于自由状态。
在本实施例中，加载装置单元包括静态力加载装置1和电磁激振器的动态力加载装置4；所述静态力加载装置1采用水平拉压力传感器采集静态力大小，所述动态力加载装置4采用电磁激振器作用于待测轴承2上；动态力传感器采集动态信号，且静态力加载装置1和动态力加载装置4共同连接于待测轴承2的轴承座上；所述静态力加载装置1包括拉压力传感器、加载施力手柄、加载杆；所述拉压力传感器与加载杆采用螺纹连接，且施加力方向保持平行，与待测轴承2的轴向方向垂直，信号传递至信号采集系统；所述加载杆与密封腔体6采用O形圈密封；所述动态力加载4包括2个电磁激振器、2个动态力传感器、电磁激振器支架、传递杆；所述电磁激振器安装在支架上，与待测轴承2轴向保持正负45°；所述电磁激振器通过传递杆连接至待测轴承2上；所述动态力传感器安装上电磁激振器与传递杆之间，信号传递至信号采集系统；所述传递杆和密封腔体6同样采用O形圈密封。
在本实施例中，所述传感测试系统包测试括位移、加速度、温度、压力、动态力、静态力的传感器；其中，位移传感器连接至测试轴承互相垂直的X、Y方向上用于测量轴承与轴之间的相对位移，输出端连接至信号采集系统；加速度传感器安装在测试轴承互相垂直的X、Y方向上用于测量轴承振动信号，输出端连接至信号采集系统；第一压力传感器、第一温度传感器分别连接在密封腔体6内，测量密封腔体6内气体温度，并用于检测CO2是否达到临界状态；第二压力传感器连接在待测轴承2上，用于测量轴承动压气膜压力；第二温度传感器连接在待测轴承2上，用于测试轴承内部温度。
在本实施例中，在中间转子轴8两端分别设置角接触球轴承7，各角接触球轴承7通过轴承座9固定安装在底座上，形成固定支撑结构。
在本实施例中，在待测轴承2穿过密封腔体6侧壁的轴孔处设置支撑轴承，形成轴颈支撑结构。
在本实施例中，所述底座采用隔振平台，隔除振动。
本实施例一种正置式S-CO2润滑轴承-转子实验台，包括底座、驱动电主轴11、中间转子轴8、末端测试转子轴、滚动轴承及轴承座、干气密封装置5、轴承加载单元、待测轴承2、测试轴承平衡装置、传感测试系统、6密封腔体；驱动电主轴11、滚动轴承及轴承座、密封腔体6分别设置在底座台面；驱动电主轴11与采用柔性联轴器10与中间转子轴8连接；待测轴承2安装在末端测试转子轴上；末端测试转子轴与中间转子轴8采用10：1锥度定位以及螺纹连接；轴承加载单元与待测轴承2连接，轴承加载单元可对待测轴承2施加外载荷；末端测试转子轴与密封腔体6采用干气密封装置密封；轴承测试系统连接在待测轴承2上；信号采集系统与轴承测试系统连接。采用正置式轴承转子实验台的好处是可使末端测试转子轴与中间转子轴8采用10：1锥度定位和螺纹连接，因此可以通过更换末端测试转子轴，对不同轴径的径向轴承实验，也可以将末端测试转子轴更换为推力盘对推力轴承进行实验研究。参见图1，实验台主要部件名称及作用。
表1.实施例二实验台主要部件名称及作用对照表
本实施例S-CO2润滑轴承-转子实验台底座通过稳固支撑装置固定安装于基座上；试验台底座上沿纵向设置滚动轴承座，各转子轴安装于滚动轴承上，其中，中间转子轴8的前端从滚动轴承座的前端伸出，与扭矩传感器相连，并通过高速柔性联轴器连接于高速电主轴，转子的后端从滚动轴承座的后端伸出；中间转子轴8的后端与末端测试转子轴连接，末端测试转子轴上安装实验轴承；测试转子轴以及实验轴承至于密闭的S-CO2密封腔体内；密封腔与末端测试转子轴之间采用干气密封装置。实验轴承中安装温度传感器、压力传感器、位移传感器、拉压力传感器、电磁激振器分别用于测量轴承的运行温度、动压压力、轴承X和Y方向位移、静态加载力的大小、动态加载力。密封腔体上安装加温装置、温度传感器和压力传感器用于增加密封腔内温度、测量温度、测量压力以使CO2达到超临界状态。本实施例专利能够通过实验获得S-CO2润滑轴承转子系统的各项动力学特征信号，如转速、轴心轨迹、温度、频谱图、振幅图等。本实施例试验台可以对测试轴承同时静态加载和动态加载，且加载力信号实时采集，加载精度更高。本实施例解决了常规转子试验台局限于单一转子的问题，具备更高的通用性、灵活性和实用性。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1和图2，利用本发明S-CO2润滑轴承-转子实验台，进行实验操作分为测试轴承拆装方法、测试转子更换与转子转速调节方法。
一、测试轴承拆装方法：
实验时常常需要对不同轴径的轴承进行实验，当需要拆卸测试轴承时，首先拆卸测试轴承上的位移传感器，再拆卸测试轴承上用于加载的加载杆和传递杆，最后拆卸用于平衡轴承重量的平衡连杆，即可取下测试轴承，将测试轴承从测试转子上取下即可完成测试轴承的拆卸。
二、测试转子更换：
实验时常常需要对不同轴径的轴承进行实验，当需要更换不同轴径的测试转子时，按测试轴承拆装方法拆卸玩测试轴承后，松开用于连接转自与测试转子的螺母，取下螺母，取出螺栓杆，测试转子即可拆卸，更换新的测试转子，安装完毕即可；当需要实验推力轴承时，将拆卸的测试转子更换为带有10：1锥度的推理盘即可，推力轴承安装在密封腔体的另一侧。
三、转子转速调节方法：
对于测试轴承需要对其不同转速下性能实验，因此需要对驱动电主轴调速，采用驱动电主轴佩带的变频器可以实现转子转速的调节。
本实施例可实现不同轴径的测试轴承实验，也可满足不同轴径的推力轴承实验，安装快速简单，且制造成本低、操作方便，实用性强，对操作人员专业要求低，可显著提高实验效率、缩短试验时间。本实施例方法能够通过实验获得S-CO2润滑轴承转子系统的各项动力学特征信号，如转速、轴心轨迹、温度、频谱图、振幅图等。通过更换测试转子轴对不同轴径的径向轴承实验，也可以将测试转子轴更换为推力盘对推力轴承进行不同的实验研究。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：包括底座、驱动电主轴(11)、中间转子轴(8)、末端测试转子轴、滚动轴承及轴承座、干气密封装置(5)、轴承加载单元、待测轴承(2)、测试轴承平衡装置、传感测试系统、密封腔体(6)；
所述驱动电主轴(11)、滚动轴承及轴承座分别置于底座上；
所述驱动电主轴(11)采用柔性联轴器(10)与中间转子轴(8)连接，中间转子轴(8)安装在滚动轴承座上；所述待测轴承(2)安装在末端测试转子轴上，组成轴承测试系统；
所述轴承加载单元与待测轴承(2)加载连接，轴承加载单元对待测轴承(2)施加外载荷，轴承加载单元包括静态力加载装置(1)和动态力加载装置(4)；
所述末端测试转子轴的被传动端与中间转子轴(8)采用10：1锥度定位以及螺纹连接，将待测轴承(2)安装在末端测试转子轴上，且待测轴承(2)和末端测试转子轴的轴承安装部设置于密封腔体(6)内，密封腔体(6)储存S-CO2，作为S-CO2密封腔；
末端测试转子轴的被传动端穿过密封腔体(6)侧壁的轴孔，末端测试转子轴与密封腔体(6)的轴孔采用干气密封装置(5)进行动密封；传感测试系统作为信号采集系统，设置传感器(3)的测试端与轴承测试系统连接；所述驱动电主轴(11)通过变频器驱动转子并实现调速。
2.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：所述末端测试转子轴能更换为不同轴径的测试转子，用于检测不同轴径的径向轴承；或将所述末端测试转子轴更换为推力盘，用于推力轴承的实验。
3.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：所述测试轴承平衡装置包括平衡连杆、铁丝、滑轮和平衡砝码；所述平衡连杆链接待测轴承(2)上，顶端连接铁丝上，通过滑轮连接平衡砝码，将待测轴承自身重量平衡；所述平衡砝码与轴承自身重量相平衡；所述铁丝连接在滑轮上应属于自由状态。
4.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：轴承加载单元包括静态力加载装置(1)和电磁激振器的动态力加载装置(4)；所述静态力加载装置(1)采用水平拉压力传感器采集静态力大小，所述动态力加载装置(4)采用电磁激振器作用于待测轴承(2)上；动态力传感器采集动态信号，且静态力加载装置(1)和动态力加载装置(4)共同连接于待测轴承(2)的轴承座上；所述静态力加载装置(1)包括拉压力传感器、加载施力手柄、加载杆；所述拉压力传感器与加载杆采用螺纹连接，且施加力方向保持平行，与待测轴承(2)的轴向方向垂直，信号传递至信号采集系统；所述加载杆与密封腔体(6)采用O形圈密封；所述动态力加载装置(4)包括2个电磁激振器、2个动态力传感器、电磁激振器支架、传递杆；所述电磁激振器安装在支架上，与待测轴承(2)轴向保持正负45°；所述电磁激振器通过传递杆连接至待测轴承(2)上；所述动态力传感器安装上电磁激振器与传递杆之间，信号传递至信号采集系统；所述传递杆和密封腔体(6)同样采用O形圈密封。
5.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：所述传感测试系统包测试括位移、加速度、温度、压力、动态力、静态力的传感器；其中，位移传感器连接至测试轴承互相垂直的X、Y方向上用于测量轴承与轴之间的相对位移，输出端连接至信号采集系统；加速度传感器安装在测试轴承互相垂直的X、Y方向上用于测量轴承振动信号，输出端连接至信号采集系统；第一压力传感器、第一温度传感器分别连接在密封腔体(6)内，测量密封腔体(6)内气体温度，并用于检测CO2是否达到临界状态；第二压力传感器连接在待测轴承(2)上，用于测量轴承动压气膜压力；第二温度传感器连接在待测轴承(2)上，用于测试轴承内部温度。
6.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：在中间转子轴(8)两端分别设置角接触球轴承(7)，各角接触球轴承(7)通过轴承座(9)固定安装在底座上，形成固定支撑结构。
7.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：在待测轴承(2)穿过密封腔体(6)侧壁的轴孔处设置支撑轴承，形成轴颈支撑结构。
8.根据权利要求1所述S-CO2润滑轴承-转子实验台，其特征在于：所述底座采用隔振平台，隔除振动。
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