使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台的制作方法

本实用新型涉及一种变参数转子的振动测试控制装置，具体涉及一种使用压电驱动器，涉及不同支撑下的转子减振效果分析的振动实验台及方法，属于振动特性预测的技术领域。

背景技术：

目前，转子系统在机械产业中应用广泛。机械转子系统由动力机构、旋转机构、轴承与其支座等组成，如气体压缩机、发电机、汽轮机、离心机、电动机等。

常见的旋转机械的工作主体都采用转子系统。转子系统转速高、结构复杂，运转中会发生各种振动现象，如由于转子不平衡质量所引起的强迫振动、由于转轴与圆盘配合面的摩擦、转轴材料内阻与轴承油膜力等产生的转轴自激振动等。

转子系统运行时产生的振动容易影响机组运行的安全性和稳定性，造成零部件的损坏，影响机组寿命。运行时产生的噪音会造成工作环境和生活环境的噪声污染，影响人们的身心健康。随着现代工业和社会的迅速发展，人们对转子系统运行的安全性、稳定性以及相关人员的工作、生活环境的要求也越来越高。因此，转子系统的减振降噪分析与研究，对实现转子系统安全稳定运行及改善工作环境具有重要意义。

随着转子系统研究的深入和工程实际的需要，关于转子动力学的研究在20世纪末和目前转子系统领域中有着非常重要的作用。转子动力学研究在逐步加以拓展和完善。关于转子动力学的理论研究已被国际上多位专家、学者关注并发表多篇论文，扮演着该科学研究的重要角色。

由于转子系统非线性振动情况非常复杂，而且仅依靠理论推导的研究本身说服力有限，所以转子动力学理论与相关实验结合很有必要，通过振动实验验证理论研究的正确性与可行性。为了使转子动力学理论的研究成果更好地得到证明，并发现转子振动的相关规律与新的振动现象，实验装置的设计研发显得极其重要。然而，现在市面上的实验台局限于结构形式固定、尺寸单一，影响了实验研究的多样性。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种使用压电驱动器，可以在不同支撑，不同圆盘质量的情况下对转子进行振动分析的使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台。

本实用新型提供一种使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台，1、使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台，其特征在于：包括实验台主体装置；

所述实验台主体装置包括主轴；所述主轴由下至上依次套设有安全轴承一、圆盘一、环形密封装置三、主动轴承的轴承壳、圆盘二、环形密封装置二、圆盘三、环形密封装置一、被动轴承的轴承壳、圆盘四、安全轴承二、止推轴承和通电线圈；

所述圆盘上设置有圆孔；

所述环形密封装置一、环形密封装置二和环形密封装置三、主动轴承的轴承壳和被动轴承的轴承壳均固定设置在基座上；

所述圆盘一、圆盘二、圆盘三和圆盘四上均设置有非接触式位移传感器；

所述主轴底部通过切片联轴器与电机连接。

作为对本实用新型使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台的改进：

还包括水循环系统；

所述环形密封装置一、环形密封装置二和环形密封装置三均设置有相互连通的环形密封、进水口和出水口，所述主轴穿过环形密封；

所述水循环系统包括水箱、阀门一、过滤器、离心泵、稳流罐、电磁流量计、阀门二和阀门三；所述水箱的出口、阀门一、过滤器、离心泵、稳流罐和电磁流量计依次连接后与环形密封装置的进水口连接，依次经过所有环形密封装置后，出水口依次经过阀门二和阀门三后与水箱的进口连接。

作为对本实用新型使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台的进一步改进：

所述圆盘一、圆盘二、圆盘三和圆盘四分别通过圆锥形套筒套设在主轴上；

所述圆盘一、圆盘二、圆盘三和圆盘四的中心设置有圆盘孔，主轴穿过圆盘孔，主轴的直径小于圆盘孔的直径；

所述圆锥形套筒轴心位置设置有间隙，主轴穿过间隙；所述圆锥形套筒直径小的一端伸入圆盘孔与主轴的间隙，圆锥形套筒直径大的一端设置有供联接螺钉插入的通孔和螺孔。

作为对本实用新型使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台的进一步改进：

所述主动轴承的轴承壳和被动轴承的轴承壳的中心都设置有自对准滚珠轴承，所述主轴穿过自对准滚珠轴承，自对准滚珠轴承分别与两个高压压电驱动器和两个弹性体弹簧连接。

作为对本实用新型使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台的进一步改进：

所述通电线圈的正极通过电阻箱后与电源的正极联接，电源的负极与通电线圈的负极联接。

本实用新型使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台的技术优势为：

1.本实用新型设置了两个安全轴承，以避免与塑性变形有关的大转子偏移，也能有效防止转子通过临界转速时共振引起结构破坏。

2.不同级别和不同位置的不平衡质量可以插入到圆盘中，这样方便进行不同作用力情况下的分析。圆盘和主轴通过一种圆锥形套筒联接，圆盘可以根据振动实验的需求自由调整在主轴上的位置。圆盘可以更换，将圆锥形套筒松开，切片联轴器从主轴卸下后，就可以将轴从另一端抽出，然后更换圆盘，再将主轴插入，通过圆锥形套筒将圆盘和主轴进行固定，圆盘个数可以改变，一般可以插入四个圆盘。

3.本实用新型的主动轴承和被动轴承的轴承壳以两个高压压电驱动器和两个弹性体弹簧布置在中心。压电陶瓷驱动器是利用压电效应，将电信号转变为位移信号输出。通过此装置能够更好的对转子系统的振动变形进行控制。

4.本实用新型在圆盘之间设置了环形密封，可对干湿两态支撑下转子的振动位移进行对比实验分析，以检测减振效果。

5.本实用新型在主轴顶端设置了一个通电线圈，线圈与电阻箱和电源连接。通过改变电阻箱的电阻值，改变与电源正负极的接线方式，可以试验不同大小，不同方向的电磁力对转子振动的影响情况。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本实用新型使用压电驱动器的变参数转子的实验台主体装置的结构示意图；

图1.1为实验台主体装置的侧视图；图1.2为实验台主体装置的立体图；

图2为图1中安全轴承一5的结构示意图；

图3为图1中圆盘的结构示意图；

图4为图1中圆锥形套筒21的结构示意图；

图4.1为圆锥形套筒21的侧视图；图4.2为圆锥形套筒21的立体图；

图5为图1中主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12结构示意图；

图5.1为主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12的侧视图；图5.2为主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12的立体图；

图6为图1中环形密封装置的结构示意图；

图6.1为环形密封装置的主视图；图6.2为环形密封装置的立体图；

图7为图1中的实验台与水循环系统的联接示意图；

图8为图1中的实验台顶端线圈电路系统的联接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步描述，但本实用新型的保护范围并不仅限于此。

实施例1、使用压电驱动器的变参数转子的减振实验台，如图1-8所示，包括实验台主体装置和水循环系统。

因为卧式结构设计使转子振动响应受重力影响，可能产生影响实验研究的附临界现象，所以本实用新型的实验台主体装置采用立式结构。

实验台主体装置包括主轴4与由下至上依次套设在主轴4上的安全轴承一5(内置滑动轴承)、圆盘一7(底部安装非接触式位移传感器一17)、环形密封装置三15、主动轴承的轴承壳11(内置自对准滚珠轴承27)、圆盘二8(底部安装非接触式位移传感器二18)、环形密封装置二14、圆盘三9(底部安装非接触式位移传感器三19)、环形密封装置一13、被动轴承的轴承壳12(内置自对准滚珠轴承27)、圆盘四10(底部安装非接触式位移传感器四20)、安全轴承二6(内置滑动轴承)、止推轴承16和通电线圈22。为了安装方便与工作稳定，电机2、安全轴承一5、安全轴承二6、环形密封装置(环形密封装置一13、环形密封装置二14和环形密封装置三15)、主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12均通过螺栓安装固定在基座1 上，主轴4只是穿过这些部件，这些部件不随主轴4共同转动。其他部件都通过径向夹紧装置安装在主轴4上，随着主轴4共同转动。

主轴4底部250W的电机2法兰连接，电机2最大运行速度为10800r/min。为尽可能降低转子运行过程中因振动变形对系统造成的影响，转轴4与电机2之间采用切片联轴器3联接。电机 2与试验转子之间的轴向、侧向和角度失调均由切片联轴器3元件补偿，这是一种单部分狭缝结构，可在低质量和惯性矩下提供高扭转刚度。

实验台主体装置在主轴4上设置有安全轴承一5和安全轴承二6，安全轴承一5和安全轴承二6对称设置在主轴4的两端，以避免与塑性变形有关的大转子偏转，也防止通过临界转速时共振引起破坏，提高了实验的安全性。为了防止径向力对振动实验结果产生干扰，影响实验结果的稳定性，本实用新型还在靠近主轴4顶部的位置设置了止推轴承16。

实验台主体装置使用的圆盘(圆盘一7、圆盘二8、圆盘三9和圆盘四10)围绕轴心有6个圆孔61(主轴4穿过圆盘的轴心，圆盘从轴心到边缘依次设置有三圈圆孔61，每圈圆孔61包括六个沿着圆盘的轴心周向均匀设置的圆孔61)，其3D结构示意图见图3。不同级别和不同位置的不平衡质量可以插入到圆盘的圆孔61中，这样方便进行不同作用力情况下的分析。圆盘底部安装两个正交布置的非接触式位移传感器(非接触式位移传感器包括非接触式位移传感器一17、非接触式位移传感器二18、非接触式位移传感器三19和非接触式位移传感器四20)，实验时可测得圆盘径向和轴向的振动位移。正交布置即为两个非接触式位移传感器，一个竖直向上方向布置，一个水平方向布置，两个非接触式位移传感器夹角为90度，分别测量圆盘径向和轴向的振动位移。圆盘和主轴4通过圆锥形套筒21连接，圆盘可以根据振动实验的需求自由调整在主轴4上的位置。圆盘可以更换，将圆锥形套筒21松开，将切片联轴器3从主轴4 卸下后，就可以将主轴4向上抽出，然后更换圆盘，再将主轴4重新插入，通过圆锥形套筒21 将圆盘和主轴4进行再次固定，圆盘个数可以改变，一般可以在主轴4上套设四个圆盘(圆盘一7、圆盘二8、圆盘三9和圆盘四10)。

圆锥形套筒21的2D结构示意图如图4.1所示，其3D示意图如图4.2。圆锥形套筒21轴心位置设置有贯通圆锥形套筒21的间隙50，主轴4穿过间隙50。圆锥形套筒21直径大的一端设置有通孔25和螺孔26，通孔25用于与圆盘的联接，螺孔26用于拆卸圆锥形套筒21与圆盘之间的联接(螺钉插入通孔25和螺孔26)。通孔25中联接螺钉与拆卸螺钉为同一螺钉，两者不同时使用。圆盘的轴心开孔(圆盘孔)，圆锥形套筒21直径小的一端插入圆盘与主轴4的空隙(圆盘孔的直径略大于主轴4的直径)。当联接螺钉拧紧时，由于圆锥斜面压力，迫使圆锥形套筒21 在圆周方向发生变形，从而压紧在轴4上，填充了原本的间隙50，保证圆盘与主轴4一起回转。当变换圆盘在主轴4上位置时，松开联接螺钉23，在圆锥形套筒211的螺孔26中拧入拆卸螺钉，即可使圆锥形套筒21与圆盘产生轴向相对运动，圆锥形套筒21靠弹性恢复力自动与主轴4松开。联接螺钉插入通孔25拧紧时，由于圆锥斜面压力，迫使圆锥形套筒21在圆周方向发生变形，从而压紧在主轴4上；联接螺钉卸下，圆锥形套筒21靠弹性恢复力自动与主轴4松开，接着螺孔26插入拆卸螺钉，实现圆锥形套筒的轴向移动，此装置参考已有的实验台得到。圆锥形套筒211的内径比主轴4外径大，二者差大致为+0.06～+0.02mm，也可以根据实际的主轴4 轴径尺寸确定空的尺寸。尺寸(如螺栓长度、圆盘尺寸等等)自行确定。圆锥形套筒21使用 45号钢加工制造。

主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12都使用了压电陶瓷驱动器来对振动位移量进行精准的控制，即为主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12使用了压电陶瓷驱动器相似的工作原理，通过电压幅值的改变调节形变量。压电陶瓷驱动器是利用压电效应，将电信号转变为位移信号输出。压电陶瓷最大的特性是具有压电性，包括正压电性和逆压电性。当给具有压电性的电介质加上外电场时，电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化，由此位移导致电介质发生形变，这种效应称之为逆压电性。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，因为这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构--压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制来说非常适用。

实验台主体装置的主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12都使用了高压压电驱动器 30来对振动位移量进行精准的控制。主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12的中心(轴心)都配备了自对准滚珠轴承27，以保证一个高达1.5度的自由的角运动。两个高压压电驱动器30和两个弹性体弹簧28均与自对准滚珠轴承27连接，主轴4穿过自对准滚珠轴承27。当暴露于过度的机械、电或热应力时，这些高压压电驱动器30会被不可修复的损坏和去极化。相对于高的压缩力，暴露于张力和剪切载荷时会很快导致高压压电驱动器30损坏。因此，高压压电驱动器30只能在压缩力下操作，弹性体弹簧28用于机械性预载高压压电驱动器30。高压压电驱动器30的工作电压在0～1000v之间，由两个功率放大器提供，允许电流为6100mA。给定一个500伏特的偏移量，可以应用500伏特的最大电压幅值来提供正向和负向的驱动力量。在此设置下的最大驱动器应变为每个方向30毫米。

本实用新型在每相邻两个圆盘(圆盘一7、圆盘二8、圆盘三9和圆盘四10)之间都设一个环形密封装置(环形密封装置一13、环形密封装置二14和环形密封装置三15)，可对干湿两态支撑下转子的振动位移进行对比实验分析，以检测减振效果。图6.1为图1中环形密封装置的2D结构示意图，图6.2为环形密封装置对应的3D示意图。如图6.1所示，每个环形密封装置都有相互连通的环形密封32、进水口33和出水口34，进水口33和出水口34设置在环形密封装置两端，环形密封32设置在进水口33和出水口34两者之间，主轴4穿过环形密封32。

水路中的水从其中一个环形密封装置的进水口33流入，经过主轴4后再从出水口34流出进入另一个环形密封装置的进水口33，依次流经所有的环形密封装置，最后从环形密封装置的出水口34流出。环形密封装置由不锈钢制造，大部分是实心的，只有上面小部分是空心。空心的部分可以从中间打开，形成环形密封32，便于安放和更换环形密封装置，主轴4穿过环形密封32。一旦接入循环水路，环形密封32必须保持关闭状态防止泄露。环形密封类似轴承4 的作用，给主轴4增加一个支撑。进水流量的大小，从而改变环形密封32进出口压差，进而改变环形密封32的刚度阻尼系数，影响环形密封32的支撑效果。

本实用新型在主轴4顶端设置了一个通电线圈22。如图8所示，通电线圈22的正极43通过电阻箱45后与电源46的正极47联接，电源46的负极48与通电线圈22的负极44联接。实验过程中调节电阻箱45的电阻值来改变产生的电磁力的大小，通过改变接入电源46的正负极来改变电磁力的方向。

如图7所示，水循环系统包括水箱35、阀门一36、过滤器37、离心泵38、稳流罐39、电磁流量计40、阀门二41、阀门三42。水箱35、阀门一36、过滤器37、离心泵38、稳流罐39和电磁流量计40依次连接后与其中一个环形密封装置的进水口33连接，流经所有的环形密封装置后，最后的环形密封装置的出水口34依次经过阀门二41和阀门三42后与水箱35连接。开阀门一36，水箱35中的水通过出口流到过滤器37中，滤掉杂质，然后通过离心泵38将过滤器37中的水抽出，为了防止离心泵38在工作中产生压力脉动，影响测量精度，故本实用新型在离心泵38与电磁流量计40之间加装一个稳流罐39，最终从电磁流量计40出来的管路连接环形密封装置三15的入水口，水流经三个环形密封装置后从其中一个环形密封装置一13的出水口流出，经过阀门二41和阀门三42后回到水箱35中。

本实用新型的工作步骤如下：

1.将本实用新型各个装置组装好，调节安全轴承一5和安全轴承二6在主轴4上的对中性，主轴4从上到下依次穿过安全轴承二6、圆盘四10、圆盘三9、圆盘二8、圆盘一7和安全轴承一 5，四个圆盘(圆盘一7、圆盘二8、圆盘三9和圆盘四10)位于主轴4上的各自指定的位置，四个圆盘均通过圆锥形套筒21固定在主轴4上，主轴4底部通过切片联轴器3与电机2连接。每个圆盘底部都布置好两个正交的非接触式位移传感器(非接触式位移传感器一17、非接触式位移传感器二18和非接触式位移传感器三19)。打开电机2，调节转速至特定值，待转子转动趋于稳定，非接触式位移传感器示数波动平稳后，上位机接受并分析各个非接触式位移传感器得到的信号，通过FFT变换(快速傅里叶变换)，将测量的电信号转化为数据，作为振动抑制特性，并将其记录。这个步骤中，需要记录的数据有：主轴4的转速，各个圆盘径向和轴向的振动位移。

2.在步骤1的基础上，将圆锥形套筒21松开，切片联轴器3从主轴4卸下后，就可以将主轴4向上抽出，此刻，将使用压电驱动器的主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12通过螺栓安装固定在基座1上，再将主轴4插入，主轴4从下到上依次穿过安全轴承二6、圆盘四10、被动轴承的轴承壳12、圆盘三9、圆盘二8、主动轴承的轴承壳11、圆盘一7和安全轴承一5，通过圆锥形套筒21将圆盘和主轴4进行再次固定，此刻圆盘的位置保持和步骤1相同。调节转速至步骤1记录下的各个数值，通过功率放大器调节主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳 12中高压压电驱动器30的工作电压，通过功率放大器提供正向和负向的驱动力量。高压压电驱动器30的工作电压改变时，因为压电陶瓷在电场作用下会产生很小的形变量，此形变量随着电压的改变进行变化，会给主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳12的自对准滚珠轴承 27提供微小的偏移量，进而影响自对准滚珠轴承27的支撑效果，对主轴4的振动进行调节。待转子转动趋于稳定，非接触式位移传感器示数波动平稳后，再次记录数据。这个步骤中，需要记录的数据有：主轴4的转速，高压压电驱动器30的工作电压，各个圆盘径向和轴向的振动位移。

3.重复2的初始步骤，将主轴4进行拆卸，并将主动轴承的轴承壳11和被动轴承的轴承壳 12也拆卸下来。此刻，将环形密封装置一13、环形密封装置二14和环形密封装置三15通过螺栓安装固定在基座1的指定位置上，再将主轴4插入，主轴4从下到上依次穿过安全轴承二6、圆盘四10、被动轴承的轴承壳12、环形密封装置一13、圆盘三9、环形密封装置二14、圆盘二 8、主动轴承的轴承壳11、环形密封装置三15、圆盘一7和安全轴承一5，通过圆锥形套筒21 将圆盘和主轴4进行再次固定，此刻圆盘的位置保持和步骤1相同。连接水循环系统，检查各个装置的密封性，然后将水箱35加满水。打开阀门一36,41,42，让水流经水箱35、阀门一36、过滤器37、离心泵38、稳流罐39、电磁流量计40、环形密封装置三15，环形密封装置二14，环形密封装置一13，阀门二41、阀门三42，最后回到水箱35中进行循环。可以根据需要调节管路上的阀门二41来控制流量大小，以此改变环形密封32两端的压差。同样等系统稳定后记录数值。这个步骤中，需要记录的数据有：主轴4的转速，电磁流量计40的示数，各个圆盘径向和轴向的振动位移。

4.在步骤1的基础上，将通电线圈22安置在主轴4顶端。通电线圈22的正极43与电阻箱45 联接，电阻箱45与电源46的正极47联接，电源46的负极48与线圈的负极44联接。打开电源46，调节电阻箱45的阻值，稳定后记录振动数据。接着，将电阻箱45与电源46的负极48联接，电源46的正极47与线圈的负极44联接，以此变换电流的方向，然后改变电阻箱45的电阻值继续做一组实验。这个步骤中，需要记录的数据有：主轴4的转速，电阻箱45的电阻值，电流的方向，各个圆盘径向和轴向的振动位移。

5.通过圆锥形套筒21改变圆盘的数量和位置，将不同级别和不同位置的不平衡质量可以插入到圆盘中，重复实行步骤1-4，做对比实验。这样能够进一步检验各个支撑的振动抑制效果。

实验完毕后，关闭主实验台电机2，关闭离心泵38、阀门一36、阀门二41和阀门三42，整理实验器材，整理实验测得的数据并对各个支撑的振动抑制效果进行比较。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的若干个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。