本發(fā)明涉及軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性實驗測試系統(tǒng)，特別是一種氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)。

背景技術：

氣體軸承具有潤滑介質粘度低、摩擦力小、功耗低、回轉精度高且污染少、壽命長等優(yōu)點，在高速支承、低摩擦功耗支承、高精度支承和特殊工況支承領域具有絕對的優(yōu)勢，被廣泛應用于精密儀器、醫(yī)療器械、高速微型動力等民用及航空航天等國防領域。

以氣體軸承作為支承方式的旋轉機械設備，其氣體軸承-轉子系統(tǒng)的動力學特性是影響旋轉機械設備安全穩(wěn)定運行的關鍵之一。建立氣體軸承-轉子系統(tǒng)原理性實驗系統(tǒng)，開展氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的實驗研究，重點研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)的不平衡響應特性、臨界轉速特性以及穩(wěn)定性的敏感性影響規(guī)律，為旋轉機械穩(wěn)定運行提供理論與實驗依據(jù)是必要的。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

本發(fā)明的目的在于提供一種氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)，以用來研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)的不平衡響應特性、臨界轉速特性以及穩(wěn)定性。

(二)技術方案

本發(fā)明提供了一種氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)，包括：氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元、非線性振動測試單元、動力單元和控制分析單元；氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元，用于安裝氣體軸承和轉子；動力單元，用于向氣體軸承和轉子供氣；非線性振動測試單元，用于檢測轉子的動力學參數(shù)；控制分析單元，用于分析氣體軸承-轉子系統(tǒng)的動力學特性。

在本發(fā)明的一些實施例中，包括：所述氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元包括：底座、第一氣體軸承座、第二氣體軸承座、止推軸承、第一位移傳感器支架、第二位移傳感器支架、轉速傳感器支架、蝸殼；所述第一氣體軸承座、第二氣體軸承座、第一位移傳感器支架、第二位移傳感器支架和轉速傳感器支架安裝于底座；第一氣體軸承和第二氣體軸承分別安裝于所述第一氣體軸承座和第二氣體軸承座，所述止推軸承安裝于第一氣體軸承座；所述轉子包括：轉軸、配重盤和徑向葉輪；所述轉軸安裝于第一氣體軸承和第二氣體軸承，所述配重盤套裝于轉軸上，所述轉軸的一端安裝徑向葉輪，所述蝸殼安裝在第一氣體軸承座上，所述徑向葉輪位于蝸殼中。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述非線性振動測試單元包括：電渦流位移傳感器、轉速傳感器、加速度傳感器和振動數(shù)據(jù)采集儀；兩個電渦流位移傳感器分別安裝在第一位移傳感器支架和第二位移傳感器支架上，用于檢測轉軸的徑向位移；轉速傳感器安裝在轉速傳感器支架上，用于檢測轉軸的角速度；加速度傳感器安裝在第一氣體軸承座和第二氣體軸承座上，用于檢測轉軸的角加速度；電渦流位移傳感器、轉速傳感器和加速度傳感器通過導線連接振動數(shù)據(jù)采集儀，振動數(shù)據(jù)采集儀連接控制分析單元。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述動力單元包括：空氣壓縮機，電加熱器連接空氣壓縮機，電加熱器依次連接主路調節(jié)閥門、主路過濾減壓閥門、主路壓力表、主路流量計、主路溫度計、主路空氣過濾器形成主路，用于向轉軸供氣；電加熱器依次連接空氣過濾器、分管路溫度計、分管路流量計、分管路壓力表、分管路過濾減壓閥門和分管路調節(jié)閥門，形成分管路，用于向氣動軸承供氣；電加熱器、主路調節(jié)閥門、主路壓力表、主路流量計、主路溫度計、分管路調節(jié)閥門、分管路壓力表、分管路流量計、分管路溫度計分別通過導線連接與動力單元控制系統(tǒng)連接，動力單元控制系統(tǒng)通過導線連接到控制分析單元，主路和分管路氣體的流量、壓力及溫度可調節(jié)。

在本發(fā)明的一些實施例中，還包括：攝像頭，攝像頭通過導線連接控制分析單元。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一氣體軸承座、第二氣體軸承座通過滑軌安裝在底座上，第一氣體軸承座和第二氣體軸承座之間的距離可調。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一氣體軸承座、第二氣體軸承座采用螺栓緊固方式固定在底座上，軸承位置標高可調。

在本發(fā)明的一些實施例中，控制分析單元為計算機。

在本發(fā)明的一些實施例中，動力單元還包括：緊急切斷閥，安裝于電加熱器與主路調節(jié)閥門之間，用于實現(xiàn)主路氣體緊急切斷。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述空氣過濾器的過濾精度在0.3微米以上。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)具有以下有益效果：

(1)該實驗系統(tǒng)在結構上能夠實現(xiàn)軸承跨距可調，氣體軸承可更換、轉軸可更換、基礎特性可變等，進而研究跨距變化、軸承特性變化、轉軸變化、基礎特性變化等對氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的影響。

(2)該實驗系統(tǒng)在調控參數(shù)上能夠實現(xiàn)軸承供氣壓力可調、徑向葉輪驅動參數(shù)可調，進而研究軸承供氣壓力變化、徑向葉輪驅動參數(shù)變化對氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的影響。

(3)該實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的在線監(jiān)測與離線分析，能夠實時監(jiān)測轉子運行過程中的軸心軌跡、頻域波形、時域波形等動力學特征，能夠離線分析轉子升降速過程中的分岔特性、臨界特性、響應特性以及軸承供氣、徑向葉輪驅動參數(shù)等，為研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性提供分析手段。

(4)該實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實驗現(xiàn)場的遠程視頻監(jiān)控，對實驗過程中可視化的實驗現(xiàn)象進行實時監(jiān)測與錄像，為后續(xù)分析氣體軸承-轉子系統(tǒng)的動力學現(xiàn)象提供支撐。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例非線性振動測試單元、控制分析單元及動力單元的結構示意圖。

【符號說明】

1-底座；2-第一氣體軸承座；3-第二氣體軸承座；4-第一氣體軸承；5-第二氣體軸承；6-.止推軸承；7-第一位移傳感器支架；8-第二位移傳感器支架；9-.轉速傳感器支架；10-轉軸；11-配重盤；12-徑向葉輪；13-.蝸殼；14-電渦流位移傳感器；15-.轉速傳感器；16-加速度傳感器；17-振動數(shù)據(jù)采集儀；18-計算機；19-攝像頭；20-空氣壓縮機；21-主路調節(jié)閥門；22-主路過濾減壓閥門；23-主路壓力表；24-主路流量計；25-主路溫度計；26-分管路調節(jié)閥門；27-分管路過濾減壓閥門；28-分管路壓力表；29-分管路流量計；30-分管路溫度計；31-分管路空氣過濾器；32-動力單元控制系統(tǒng)；33-電加熱器；34-主路空氣過濾器；35-緊急切斷閥。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

本發(fā)明提供了一種氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)，以用來研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)的不平衡響應特性、臨界轉速特性以及穩(wěn)定性。該實驗系統(tǒng)包括氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元、非線性振動測試單元、控制分析單元及動力單元組成。該實驗系統(tǒng)在結構上能夠實現(xiàn)軸承跨距可調，氣體軸承可更換、轉軸可更換、基礎特性可變等，進而研究跨距變化、軸承特性變化、轉軸變化、基礎特性變化等對氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的影響。該實驗系統(tǒng)在調控參數(shù)上能夠實現(xiàn)軸承供氣壓力可調、徑向葉輪驅動參數(shù)可調，進而研究軸承供氣壓力變化、徑向葉輪驅動參數(shù)變化對氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的影響。該實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的在線監(jiān)測與離線分析，能夠實時監(jiān)測轉子運行過程中的軸心軌跡、頻域波形、時域波形等動力學特征，能夠離線分析轉子升降速過程中的分岔特性、臨界特性、響應特性以及軸承供氣、徑向葉輪驅動參數(shù)等，為研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性提供分析手段。該實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實驗現(xiàn)場的遠程視頻監(jiān)控，對實驗過程中可視化的實驗現(xiàn)象進行實時監(jiān)測與錄像，為后續(xù)分析氣體軸承-轉子系統(tǒng)的動力學現(xiàn)象提供支撐。

本發(fā)明實施例的氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)，包括：氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元、非線性振動測試單元、控制分析單元及動力單元。

如圖1所示，氣體軸承-轉子系統(tǒng)實驗臺本體單元包括：底座1、第一氣體軸承座2、第二氣體軸承座3、止推軸承6、第一位移傳感器支架7、第二位移傳感器支架8、轉速傳感器支架9、蝸殼13。

底座1上安裝第一氣體軸承座2和第二氣體軸承座3、第一位移傳感器支架7、第二位移傳感器支架8、轉速傳感器支架9，第一位移傳感器支架7位于第一氣體軸承座2和第二氣體軸承座3之間，第二氣體軸承座3位于第一位移傳感器支架7與第二位移傳感器支架8、轉速傳感器支架9之間。

實驗系統(tǒng)的測試對象包括氣體軸承和轉子。氣體軸承包括第一氣體軸承4和第二氣體軸承5，分別安裝于第一氣體軸承座2和第二氣體軸承座3，第一氣體軸承座2還裝有止推軸承6；轉子包括轉軸10、配重盤11和徑向葉輪12，轉軸安裝于第一氣體軸承4和第二氣體軸承5，配重盤11套裝于軸承10上，位于第一氣體軸承座2和第二氣體軸承座3之間的位置，轉軸的靠近第一氣體軸承座2的一端安裝徑向葉輪12，蝸殼13安裝在第一氣體軸承座3上，徑向葉輪12位于蝸殼13中。

同時參見圖2，非線性振動測試單元包括電渦流位移傳感器14、轉速傳感器15、加速度傳感器16、振動數(shù)據(jù)采集儀17。

兩個電渦流位移傳感器14分別安裝在第一位移傳感器支架7和第二位移傳感器支架8上，用于檢測轉軸的徑向位移，另外，用于測量轉軸徑向位移的電渦流位移傳感器數(shù)量可根據(jù)實際需要進行調整。

轉速傳感器15安裝在轉速傳感器支架9上，用于檢測轉軸的角速度。

加速度傳感器16安裝在第一氣體軸承座2和第二氣體軸承座3上，用于檢測轉軸的角加速度

電渦流位移傳感器14、轉速傳感器15和加速度傳感器16通過各自的引線連接振動數(shù)據(jù)采集儀17，振動數(shù)據(jù)采集儀17連接計算機18，振動數(shù)據(jù)采集儀17處理后的數(shù)據(jù)信號通過連接導線輸入到計算機18中。

動力單元包括空氣壓縮機20、主路調節(jié)閥門21、主路過濾減壓閥門22、主路壓力表23、主路流量計24、主路溫度計25、分管路調節(jié)閥門26、分管路過濾減壓閥門27、分管路壓力表28、分管路流量計29、分管路溫度計30、分管路空氣過濾器31、動力單元控制系統(tǒng)32、電加熱器33、主路空氣過濾器34、緊急切斷閥35和動力單元控制系統(tǒng)32，空氣壓縮機20包含儲氣罐。

電加熱器33連接空氣壓縮機20，從電加熱器33分出兩個氣路：主路和分管路。其中，電加熱器33依次連接緊急切斷閥35、主路調節(jié)閥門21、主路過濾減壓閥門22、主路壓力表23、主路流量計24、主路溫度計25、主路空氣過濾器(34)形成主路。

電加熱器33依次連接空氣過濾器31、分管路溫度計30、分管路流量計29、分管路壓力表28、分管路過濾減壓閥門27和分管路調節(jié)閥門26，形成分管路。

電加熱器33、緊急切斷閥35、主路調節(jié)閥門21、主路壓力表23、主路流量計24、主路溫度計25、分管路調節(jié)閥門26、分管路壓力表28、分管路流量計29、分管路溫度計30分別通過導線連接與動力單元控制系統(tǒng)32連接，動力單元控制系統(tǒng)32通過導線連接到計算機18，主路用于輸出驅動透平供氣，分管路用于輸出軸承氣供氣。

攝像頭19通過導線將畫面信號傳輸?shù)接嬎銠C18中，實現(xiàn)實驗現(xiàn)場的遠程視頻監(jiān)控，對實驗過程中可視化的實驗現(xiàn)象進行實時監(jiān)測與錄像，為后續(xù)分析氣體軸承-轉子系統(tǒng)的動力學現(xiàn)象提供支撐

在一個示例中，第一氣體軸承座2、第二氣體軸承座3采用滑軌的方式安裝在底座1上，第一氣體軸承座2和第二氣體軸承座3之間的距離可按需調整，即軸承跨距可調，以研究不同支點位置對氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性影響。

在另一示例中，第一氣體軸承座2、第二氣體軸承座3采用螺栓緊固方式固定在底座1上，用于安裝軸承的軸承座體高度可調，即軸承位置標高可以進行調節(jié)。

在一個示例中，配重盤11的位置在轉軸10上沿軸向可調；配重盤11的數(shù)量可以按需調整，可以分別安裝1個、2個或者3個；配重盤11上沿周向均勻布置配重塊，配重塊為等質量的螺釘。

在本實施例中，第一氣體軸承4、第二氣體軸承5可以選擇性更換，可以更換為靜壓氣體軸承、動壓氣體軸承、動靜壓混合氣體軸承；轉軸10也可以做相應的選擇性更換，可以更換為不同結構形式的轉軸，以研究不同結構形式的氣體軸承、轉軸下氣體軸承-轉子系統(tǒng)的動力學特性。

分管路空氣過濾器31為必備部件，優(yōu)選采用高效空氣過濾器，過濾精度在0.3微米以上。緊急切斷閥35用于實現(xiàn)實驗系統(tǒng)主路氣體緊急切斷，以防止氣體軸承-轉子系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)碰磨、轉軸斷裂等突發(fā)故障；同時分管路氣體不切斷，以保證軸承供氣持續(xù)供應。

本實施例的氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)，工作時，首先將第一氣體軸承4、第二氣體軸承5安裝于第一氣體軸承座2、第二氣體軸承座3，再將轉軸安裝于第一氣體軸承4和第二氣體軸承5，配重盤11套裝于軸承10上，轉軸的一端安裝徑向葉輪12和蝸殼13。

在動力單元控制系統(tǒng)32的控制下，分管路和主路分別向氣體軸承和徑向葉輪供氣，使轉軸在氣體軸承的支撐下旋轉。電渦流位移傳感器14將檢測的轉軸徑向位移信號、轉速傳感器15將檢測的轉軸角速度信號、加速度傳感器16將檢測的轉軸角加速度信號傳輸給振動數(shù)據(jù)采集儀17，振動數(shù)據(jù)采集儀17對上述信號采集處理后發(fā)送至計算機18，計算機18作為控制分析單元，結合上述傳感器的數(shù)據(jù)、以及主路和分管路氣體的流量、壓力及溫度等參數(shù)，分析氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性。

在計算機18的控制下，動力單元控制系統(tǒng)32可以調節(jié)電加熱器33、緊急切斷閥35、主路調節(jié)閥門21、主路壓力表23、主路流量計24、主路溫度計25的參數(shù)，主路氣體的流量、壓力及溫度可調，并能夠在線監(jiān)測與離線分析，實現(xiàn)轉軸10轉速的穩(wěn)定控制。動力單元控制系統(tǒng)32還可以調節(jié)分管路溫度計30、分管路流量計29、分管路壓力表28、分管路調節(jié)閥門26的參數(shù)，分管路氣體的流量、壓力及溫度可調，并能夠在線監(jiān)測與離線分析，實現(xiàn)第一氣體軸承4、第二氣體軸承5的軸承氣壓力及溫度可控，以研究軸承供氣壓力及溫度特性對氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的影響。

本發(fā)明的氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性研究的實驗系統(tǒng)，能夠用來研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)的不平衡響應特性、臨界轉速特性以及穩(wěn)定性，掌握影響氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的關鍵因素，以及氣體軸承-轉子系統(tǒng)在不同邊界條件下的動力學行為，為氣體軸承-轉子系統(tǒng)在高速渦輪膨脹制冷機、微型燃氣輪機、高速電主軸等高速旋轉機械上應用提供實驗支撐。

該實驗系統(tǒng)能夠實現(xiàn)氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的測試、特征識別、在線監(jiān)控和故障診斷。該實驗系統(tǒng)可以作為高校、研究所以及企業(yè)研究機構用來研究氣體軸承-轉子系統(tǒng)動力學特性的教學及研究裝置。

至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；

(2)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。