磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台的制作方法

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，具体而言，涉及一种磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台。

背景技术：

磁悬浮轴承利用电磁力来使轴系与轴承相对悬浮转动，具有无摩擦阻力、运转精度高、刚度和阻尼可调节等优点，尤其适合在高转速、低损耗、低噪音的场合使用。保护轴承(例如，滚动轴承)是磁悬浮轴承的辅助支撑结构，它的主要作用之一是当磁悬浮轴承失效(例如，磁悬浮轴系跌落)时，保护轴承能够临时支撑高速旋转的轴系，使其重新悬浮或者安全降速。

当高速旋转的磁悬浮轴系发生跌落时，轴系与保护轴承的内圈之间将发生剧烈地碰撞和摩擦。由于轴系与保护轴承的内圈之间存在很小的间隙，因此轴系在跌落过程中的轨迹响应非常复杂，包括钟摆振动、混合摩擦、弹跳以及全周摩擦。轴系与保护轴承之间的接触力具有高幅值和高频的特性，巨大的振动与冲击很可能导致保护轴承失效，甚至造成磁悬浮轴承和转子严重烧毁。

目前，对保护轴承的抗跌落性能的测试还缺乏有效的技术手段，因此对于预测保护轴承的使用寿命还有很多工作未完成。台架实验是研究磁悬浮轴承的抗跌落性能的重要手段，即，通过模拟磁悬浮轴承运行的实际工况来进行磁悬浮轴系的高速跌落实验，然而通常仅利用台架实验研究不同的参数对轴心轨迹和振动的影响，并不涉及保护轴承的寿命评价和抗跌落性能研究。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台，所述磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台适于评价保护轴承的可靠性和使用寿命，研究保护轴承的抗跌落性能，并且测量精度较高。

根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台，包括：外壳；径向轴承定子、轴向轴承定子、电机定子和两个保护轴承，所述径向轴承定子、所述轴向轴承定子和所述电机定子均安装在所述外壳内，两个所述保护轴承均安装在所述外壳外且分别位于所述外壳的左右两端；磁悬浮轴系，所述磁悬浮轴系设在所述外壳内且左右两端分别伸出所述外壳，所述磁悬浮轴系分别穿过所述径向轴承定子、所述轴向轴承定子、所述电机定子和所述保护轴承；两个接触力测量平台，两个所述接触力测量平台均设置在所述外壳外且分别位于所述外壳的左右两端，所述保护轴承安装在所述接触力测量平台上，每个接触力测量平台包括用于测量所述保护轴承与所述磁悬浮轴系之间接触力的四个压电传感器。

根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台，能够模拟实际工况，评价保护轴承的可靠性和使用寿命，研究保护轴承的抗跌落性能，并且对磁悬浮轴系与保护轴承之间接触力的测量的精度较高。

另外，根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台还具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述外壳由弹簧钢压带固定在支座上，所述接触力测量平台还包括机架，所述机架与所述支座均安装在底座上。

根据本发明的一些实施例，所述径向轴承定子为两个且分别位于所述外壳的左右两端，每个所述径向轴承定子与所述外壳间隙配合且由壳体端盖固定在所述外壳内，所述壳体端盖与所述外壳螺纹连接。

根据本发明的一些实施例，所述轴向轴承定子与所述外壳间隙配合且包括：两个子轴承定子；定子垫片，两个所述子轴承定子通过所述定子垫片间隔开，两个所述子轴承定子与所述定子垫片螺纹连接在所述外壳上。

根据本发明的一些实施例，所述磁悬浮轴系包括：主轴，主轴的左端和右端均伸出所述外壳；径向轴承转子、推力盘、电机转子和保护轴套，所述径向轴承转子、所述推力盘、所述电机转子和所述保护轴套分别与所述径向轴承定子、所述轴向轴承定子、所述电机定子和所述保护轴承位置对应，且所述径向轴承转子、所述推力盘和所述电机转子均与所述主轴过盈配合，所述保护轴套与所述主轴间隙配合，所述保护轴套通过圆螺母固定在所述主轴上。

根据本发明的一些实施例，所述磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台还包括用于冷却所述电机定子和所述外壳的电机水套，所述电机水套与所述电机定子过盈配合且与所述外壳间隙配合，所述外壳上设有分别与所述外壳和所述电机水套之间的间隙连通的入水口和出水口。

有利地，所述入水口位于所述外壳底部且所述出水口位于所述外壳顶部。

在本发明的一些实施例中，所述电机水套的左右两端均套设有第一级密封圈和第二级密封圈，所述电机水套左端的所述第二级密封圈相对于所述第一级密封圈邻近所述电机水套的左端面，所述电机水套右端的所述第二级密封圈相对于所述第一级密封圈邻近所述电机水套的右端面。

进一步地，所述外壳上还设有泄漏口，所述泄漏口位于相邻的所述第一级密封圈和所述第二级密封圈之间。

可选地，所述电机水套与所述外壳之间设有用于防止所述电机水套和所述外壳腐蚀的锌棒，所述锌棒通过堵丝安装在所述外壳上。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台的剖视图；

图2是根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台的外壳的立体图；

图3是根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台的径向轴承定子的立体图；

图4是根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台的子轴承定子的立体图；

图5是根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台的主轴的结构示意图。

附图标记：

磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台100，

底座1，压电传感器2，接触力测量平台3，径向位移传感器4，壳体端盖5，电机压盖6，外壳7，出水口8，电机水套9，电机定子10，吊孔11，弹簧钢压带12，推力盘13，径向轴承定子14，径向轴承转子15，保护轴承16，圆螺母17，轴向位移传感器18，传感器支座19，机架20，保护轴套21，轴向轴承定子22，定子垫片23，支座24，泄漏口25，入水口26，电机转子27，锌棒28，堵丝29，第一级密封圈30，第二级密封圈31，主轴32。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台100。

如图1-图5所示，根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台100，包括外壳7、径向轴承定子14、轴向轴承定子22、电机水套9、电机定子10、两个保护轴承16、磁悬浮轴系和两个接触力测量平台3。

具体而言，外壳7由弹簧钢压带12通过螺纹连接固定在支座24上，支座24通过螺栓连接在底座1上。外壳7上布置有吊孔11，吊环与吊孔11螺纹连接，以方便移动外壳7。径向轴承定子14、轴向轴承定子22和电机水套9均通过间隙配合装配在外壳7内，以保证三者之间的同轴度。

如图1所示，两个径向轴承定子14分别位于外壳7的左右两端，壳体端盖5通过螺纹连接固定在外壳7上以固定径向轴承定子14，这样，既能保证两个径向轴承定子14之间的同轴度，又易于多次拆卸和安装。壳体端盖5和径向轴承定子14之间布置有橡胶垫片，以使径向轴承定子14所受的压力均匀分布。如图3所示，径向轴承定子14采用八极柱结构，且径向轴承定子14由硅钢片叠压制成。

如图4所示，轴向轴承定子22由两个子轴承定子组成，两个子轴承定子通过定子垫片23间隔开，定子垫片23保证了两个子轴承定子的工作面之间的间距和平行度。在轴向轴承定子22的轴向(即图中示出的左右方向)上，两个子轴承定子和定子垫片23通过螺纹紧固件连接在外壳7内；在轴向轴承定子22的径向(即图中示出的上下方向)上，两个子轴承定子和定子垫片23分别与外壳7间隙配合，如此，既能保证两个子轴承定子之间的同轴度，又易于多次拆卸和安装。

电机定子10通过过盈配合连接在电机水套9上，电机压盖6与外壳7螺纹连接以固定电机水套9。外壳7的底部设有入水口26且顶部设有出水口8，入水口26和出水口8分别与外壳7和电机水套9之间的间隙连通，同时，入水口26通过橡胶管与水泵的排水口连接，出水口8通过橡胶管与水槽连接，水泵的进水口与水槽连接，这样，在电机运转时可以向电机水套9与外壳7之间通入循环冷却水，以冷却电机定子10和外壳7。

电机水套9的左端和右端均套设有第一级密封圈30和第二级密封圈31，电机水套9左端的第二级密封圈31相对于第一级密封圈30邻近电机水套9的左端面，电机水套9右端的第二级密封圈31相对于第一级密封圈30邻近电机水套9的右端面，如此，第一级密封圈30和第二级密封圈31起到密封循环冷却水的作用。进一步地，外壳7上布置有泄漏口25，泄漏口25位于相邻的第一级密封圈30和第二级密封圈31之间，从而能够及时将泄漏至这两级密封圈之间的水排出。

较好地，电机水套9与外壳7之间设有用作牺牲阳极的锌棒28，以防止电机水套9和外壳7发生腐蚀。锌棒28通过堵丝29安装在外壳7上，堵丝29与外壳7螺纹连接，从而可以实现快速拆装和更换锌棒28。

磁悬浮轴系包括主轴32、径向轴承转子15、推力盘13、电机转子27和保护轴套21。径向轴承转子15、推力盘13和电机转子27均通过过盈配合连接在主轴32上，径向轴承转子15由硅钢片叠压而成。保护轴套21通过间隙配合连接在主轴32上，与保护轴套21配对使用的圆螺母17通过螺纹连接固定在主轴32上，以锁紧保护轴套21，且保护轴套21容易拆卸与更换。

在主轴32的左端和右端各有一个测量点，在每一个测量点上布置有四个径向位移传感器4，即，在主轴32的两端布置八个径向位移传感器4，以测量磁悬浮轴系的径向位移，即磁悬浮轴系沿其径向的位移，也就是磁悬浮轴系沿上下方向的位移。其中，每个径向位移传感器4通过螺纹连接在壳体端盖5上且位于外壳7外侧，每个测量点处的四个径向位移传感器4采用差动安装的方式安装在壳体端盖5上。具体地，每个测量点的每个方向上的对侧安装有两个径向位移传感器4，例如，每个测量点的上、下、前、后四个方向上分别设有一个径向位移传感器4，从而可以消除动态信号中的机械耦合成分。

轴向位移传感器18用于测量主轴32的轴向位移(即，主轴32沿其轴向上的位移，也就是主轴32沿左右方向上的位移)，轴向位移传感器18通过螺纹连接固定在传感器支座19上，传感器支座19通过螺栓连接在底座1上。可选地，径向位移传感器4和轴向位移传感器18均为电涡流传感器。

两个接触力测量平台3分别布置于外壳7的左右两侧，每个接触力测量平台3包括机架20，机架20通过螺栓连接在底座1上。每个接触力测量平台3上安装有保护轴承16和四个压电传感器2，保护轴承16由一对面对面安装的角接触球轴承组成，压电传感器2为压电石英力传感器，接触力测量平台3通过压电传感器2测量磁悬浮轴系跌落过程中与保护轴承16之间接触力的幅值与振动频率。

具体地，每个接触力测量平台3上的四个压电传感器2分别沿水平方向(即前后方向)和竖直方向(即图中示出的上下方向)布置，这样，磁悬浮轴系与保护轴承16之间的接触力分别沿水平方向和竖直方向传递到沿上述四个方向布置的压电传感器2上，磁悬浮轴系与保护轴承16之间的接触力为上述四个方向上接触力的矢量和。

下面参照附图描述根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台100的工作原理。

工作时，首先接通水泵，循环冷却水从入水口26进入电机水套9，循环冷却水从出水口8离开电机水套9，从第一级密封圈30泄漏的循环冷却水可以从泄漏口25排出；接着，接通径向位移传感器4和轴向位移传感器18的电源，电涡流传感器将磁悬浮轴系在五个自由度上的位置信号输出至控制器；其次，打开控制器的电源，控制器开始计算程序并输出电流指令信号；然后，打开功率放大器，将控制器的电流指令信号变成线圈中的电流，使主轴32实现在主轴32的径向和轴向上的悬浮，从而实现磁悬浮轴承的闭环反馈控制；紧接着打开异步电机，异步电机的电机定子10与变频器连接，通过改变变频器的频率，可以实现异步电机在0-18000rpm之间的无级变速。

其中，在给定的转速下同时关闭变频器和功率放大器，可以进行该转速下磁悬浮轴系的自由跌落实验。在磁悬浮轴系的跌落实验中，通过控制器采集电涡流传感器的测量数据，并将采集到的测量数据传送给上位机；每个压电传感器2与信号调理器通讯，信号调理器将压电传感器2传递过来的接触力信号放大，然后将放大后的接触力信号接入高速采集卡，高速采集卡再将放大后的接触力信号传递给上位机。由此，由上位机完成电涡流传感器和压电传感器2实时信号的显示与存储，为后处理使用。

综上所述，根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台100，可以完成0-18000rpm初始转速(即不同初始转速)下磁悬浮轴系的跌落实验，并记录磁悬浮轴系跌落过程中的轴系轨迹以及磁悬浮轴系与保护轴承16之间接触力的幅值和振动频率；同时，通过多次跌落实验可以进行保护轴套21与保护轴承16的寿命实验，分析保护轴承16的抗跌落性能；并且，通过使用不同材料或表面处理的保护轴套21，可以实现不同材料或者表面处理后的轴套跌落实验和寿命实验，分析保护轴承的抗跌落性能。

此外，该测试实验台100利用两个接触力测量平台3同时对两个保护轴承16进行跌落实验，两个接触力测量平台3与磁悬浮轴承主体采用分体结构，降低了磁悬浮轴承主体部件对接触力测量平台3的干扰，并且利用压电传感器2可以测量磁悬浮轴系与保护轴承16之间的接触力的变化规律。

简言之，根据本发明实施例的磁悬浮轴承抗跌落性能的测试实验台100，能够在模拟实际工况下，评价保护轴承16的可靠性和抗跌落性能；利用四个压电传感器2可以测量保护轴承16受到的各个方向上的接触力的幅值和振动频率，磁悬浮轴系与保护轴承16之间的接触力为上述四个方向上的压电传感器2所测量的接触力的矢量和；并且，通过将外壳7与两个接触力测量平台3分别单独固定在底座1上，降低了外壳7的支撑对测量磁悬浮轴系与保护轴承16之间接触力的干扰，提高了跌落过程中接触力和振动频率的测量精度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上下”、“左右”、“前后”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”、“优选实施例”、“示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。