一种具有扭转力矩施加功能的转子试验台的制作方法

本发明涉及转子动力学技术领域，特别涉及一种具有扭转力矩施加功能的转子试验台。

背景技术：

转子是各种动力机械的核心部件，其动力学主要研究机械在旋转状态下的振动、平衡和稳定性的问题。对于不同结构的旋转机械，设计相应的转子试验台，对研究其振动响应和故障分析具有重要意义，能够帮助提升旋转机械的稳定性和寿命。

在转子故障研究中，转子扭转方向的激励是诱使转子系统产生故障的一种因素，其有可能对转子系统振动特性产生较大的影响。目前的转子动力学的试验研究，主要集中在对横向和竖向的振动分析，少有研究转子扭转方向的振动或扭转方向激励对振动特性的影响，同样也缺少专门为扭转方向的激励而设计的试验结构。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种具有扭转力矩施加功能的转子试验台。试验台上设置有自主设计的扭转力矩施加装置，可以产生作用在转子系统圆盘上的扭转力矩激励。此装置产生的扭转力矩大小与通入的电流有关，可以实现通过上位机控制施加的扭转力矩激励的大小，能满足不同场景下对扭转方向激励的要求。

为达到上述目的，本发明提出一种具有扭转力矩施加功能的转子试验台，包括试验台底座、以及安装在该试验台底座上的电机座和轴承座，所述电机座上设有电机，所述轴承座上设有至少带一个转盘的转轴；所述电机的输出端通过联轴器与所述转轴相连，所述转盘随转轴转动；其特征在于，各所述转盘外围分别设有一扭转力矩施加装置，各扭转力矩施加装置均分别包括导轨安装架、上下导轨、两个滑动接触块、成对设置且缠绕有线圈的电磁铁、功率放大器和信号发生器；其中，所述导轨安装架安装于所述试验台底座上，所述上下导轨分别安装于所述导轨安装架的上下侧，两个所述滑动接触块分别位于所述转盘的左右两侧，且两个滑动接触块围合后在其中部形成容纳所述转盘的空间，通过所述上下导轨来限制两个滑动接触块的运动轨迹并保证两个滑动接触块中部的所述空间的几何中心与所述转盘的几何中心重合；各滑动接触块上分别设有所述电磁铁，且一个滑动接触块上的电磁铁与另一个滑动接触块上的电磁铁相对设置，缠绕在各电磁铁上的线圈均通过所述功率放大器与所述信号发生器相连；所述电磁铁通电后，各所述滑动接触块与转盘保持接触，通过挤压接触在所述转盘的表面上产生接触摩擦力，在转动方向表现为力矩形式。

进一步地，各所述扭转力矩施加装置中，所述电磁铁通电后，在两个所述滑动接触块间产生大小相等的吸引力。

本发明提出的另一种具有扭转力矩施加功能的转子试验台系统，包括试验台底座、以及安装在该试验台底座上的电机座和轴承座，所述电机座上设有电机，所述轴承座上设有至少带一个转盘的转轴；所述电机的输出端通过联轴器与所述转轴相连，所述转盘随转轴转动；其特征在于，各所述转盘外围分别设有一扭转力矩施加装置，各扭转力矩施加装置均分别包括导轨安装架、上下导轨、两个滑动接触块、成对设置且缠绕有线圈的电磁铁、成对设置的永磁铁、功率放大器和信号发生器；其中，所述导轨安装架安装于所述试验台底座上，所述上下导轨分别安装于所述导轨安装架的上下侧，两个所述滑动接触块分别位于所述转盘的左右两侧，且两个滑动接触块围合后在其中部形成容纳所述转盘的空间，通过所述上下导轨来限制两个滑动接触块的运动轨迹并保证两个滑动接触块中部的所述空间的几何中心与所述转盘的几何中心重合；各滑动接触块上分别设有所述电磁铁，所述永磁铁分别位于所述导轨安装架两侧，与相应滑动接触块上的电磁铁相对布置，在滑动接触块的可移动范围内，一个电磁铁与相应永磁铁之间的距离较该电磁铁与另一电磁铁之间的距离近，缠绕在各电磁铁上的线圈均通过所述功率放大器与所述信号发生器相连；所述电磁铁通电后，各所述滑动接触块与转盘保持接触，通过挤压接触在所述转盘的表面上产生接触摩擦力，在转动方向表现为力矩形式。

进一步地，各所述扭转力矩施加装置中，所述电磁铁通电后，通过相对设置的电磁体和永磁铁间的排斥力，使得两个所述滑动接触块间产生大小相等的吸引力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中试验台上设置有扭转力矩施加装置，可以产生作用在转子系统转盘上的扭转力矩激励。此装置产生的扭转力矩大小与通入的电流有关，可以实现通过上位机控制施加的扭转力矩激励的大小，满足不同场景下对扭转方向激励的要求。

(2)本发明中的扭转力矩施加装置中设计有导轨，使得滑动接触块保持在与转盘相同的平面内运动，不会产生不需要的平面外的力。

(3)本发明中的扭转力矩施加装置可以采用对称布置，使得施加在转盘上的和作用力为纯的力矩。

本发明附加的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

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的具有扭转力矩施加功能的转子试验台的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的扭转力矩施加装置的结构示意图(正面)；

图3为根据本发明一个实施例的扭转力矩施加装置的结构示意图(背面)；

图4为根据本发明一个实施例的扭转力矩施加装置的原理示意图；

图5为根据本发明一个实施例的扭转力矩施加装置中滑动接触块移动副示意图。

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对下述实施例进行变化、修改、替换和变型。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的具有扭转力矩施加功能的转子试验台。

图1是本发明一个实施例的具有扭转力矩施加功能的转子试验台的结构示意图。如图1所示，该具有扭转力矩施加功能的转子试验台10包括试验台底座11、电机12、电机座17、联轴器13、转轴14、转盘15、轴承座16和扭转力矩施加装置20，轴承座16、转轴14和转盘15共同构成转子系统。

其中，电机座17、轴承座16、扭转力矩施加装置20分别设置在试验台底座11上。具体地，试验台底座11上设有t型槽，槽内设有可以移动的t型滑块。t型滑块上设有螺纹孔，可以通过螺钉把电机座17、轴承座16和扭转力矩施加装置20与t型滑块进行螺纹连接，并把t型滑块锁死。电机12设置在电机座17上，转轴14设置在轴承座16上，转盘15设置在转轴14上并随转轴14转动。电机12的输出端通过联轴器13与转轴14相连，电机12经联轴器13驱动转轴14转动。本实施例的电机12采用直流电动机，输出功率为250w，可以实现0～10000r/min的无级调速。

如图2、图3和图4所示，所述的扭转力矩施加装置20设置在转盘15外围，主要由导轨安装架21、上下导轨22、两个滑动接触块23、成对设置且缠绕有线圈的电磁铁24、功率放大器25和信号发生器26构成，用于产生作用在转盘15上的大小可调的扭转力矩激励。

其中所述导轨安装架21通过螺钉与试验台底座11上的t型槽内的t型滑块相连接，安装在试验台底座11上，用于给整个扭转力矩施加装置20提供定位和支撑，本实施例的导轨安装架21由四根支撑板围合而成。所述上下导轨22均为直线导轨，分别通过螺钉安装在导轨安装架21的上下支撑板内侧，两个滑动接触块23分别位于转盘15的左右两侧，两个滑动接触块23围合后在两滑动接触块23中部形成可以容纳转盘15的空间，通过上下导轨22来限制两个滑动接触块23的运动轨迹并保证两个滑动接触块23围合后在两滑动接触块23的中部形成空间的几何中心与转盘15的几何中心重合。各滑动接触块23上分别设有电磁铁24，且一个滑动接触块上的电磁铁与另一个滑动接触块上的电磁铁相对设置，缠绕在各电磁铁24上的线圈均通过功率放大器25与信号发生器26相连，通过改变各电磁铁24上线圈的绕线方式来改变相对设置的两电磁铁的磁性为相吸或者相斥，电磁铁24间的磁力大小可以由通入的电流控制，通过电磁铁24间的磁力使得滑动接触块23与转盘15保持接触，并通过挤压接触在转盘15的表面上产生接触摩擦力，在转动方向表现为力矩形式；信号发生器26用于产生大小可变的直流信号，其产生的直流信号接入功率放大器25，功率放大器25用于将信号发生器26产生的直流信号放大，为电磁铁24提供直流电流输入。

如图4所示，所述的扭转力矩施加装置20功能实现如下：通过控制信号发生器26或者控制功率放大器25，可以产生不同大小的电流信号通入电磁铁24中，使得电磁铁24产生磁力。在磁力的作用下，滑动接触块23与转盘15保持接触产生摩擦力，在转动方向表现为力矩的形式，实现对转盘15施加扭转力矩的功能。当信号发生器26停止产生信号时，电磁铁24中停止电流通过，即停止磁力产生。此时滑动接触块23将不与转盘15保持接触，无扭转力矩施加在转盘15上。

如图2和图3所示，本实施例的扭转力矩施加装置20具有两个分别布置在转盘左右两侧的滑动接触块23，每个滑动接触块23在上下方布置有两个电磁铁24，两个滑动块上的电磁铁24相对布置。如图4所示，电磁铁24的线圈绕转方向经过设计，使得通电后两个滑动接触块23产生大小相等的吸引力。如图5所示在相互吸引力作用下，两个滑动接触块23分别在转盘15的两侧产生大小相等方向相反的接触挤压力n和摩擦力f。这些大小相等方向相反的力的和作用力是纯力矩，即此扭转力矩施加装置20可以在转盘15上施加纯力矩。此外，还可根据实验所需最大吸引力的要求来调整每个滑动接触块23上的电磁铁24的个数。在图5中，r是转盘15的半径，r1是滑动接触块23中与转盘15接触的表面的圆弧的半径。r1＞r，两个滑动接触块围合的空间可以容纳所述转盘15。

在另一实施例中，所述扭转力矩施加装置20还包括两个永磁铁(该从磁铁在图中未示意出)。此实施例中的每个滑动接触块23上只有一个电磁铁24。两个永磁铁通过支撑架安装在试验台底座11上，分别设置于导轨安装架21的两侧，与相应滑动接触块23上的电磁铁24相对布置，且永磁铁和电磁铁的中轴线连线平行于上下导轨22。此时扭转力矩施加装置20功能实现如下：通过控制信号发生器26或者控制功率放大器25产生电流，使得电磁铁24产生磁力。此时，由于两个滑动接触块23上的电磁铁24相距较远，它们之间不会产生明显的相互作用力。而电磁铁24与所在一侧的永磁铁距离较近(本实施例中，两个电磁铁24分别位于相应滑动接触块23的外侧，使得在滑动接触块的可移动范围内，其中一个电磁铁24与相应永磁铁之间的距离较该电磁铁与另一电磁铁之间的距离近)，且电磁铁24的线圈绕转方向经过设计，使得通电后电磁铁24与其相应的永磁铁之间会产生相互排斥力使得本侧的滑动接触块23向转盘15挤压产生接触摩擦力，实现对转盘15施加扭转力矩的功能。本实施例的其余部分同上一实施例。

可以理解的是，在本发明的一个实施例中，所述的扭转力矩施加装置20不仅适用于本实施例中的单盘转子系统，还可以使用在多盘多跨转子系统中。同时，对于多盘转子系统，可以为多个转盘15分别配置一个扭转力矩施加装置20，实现多个扭转激励的输入。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所用电磁铁24的单个功率为9w，单个自重为90g，单个最大吸引力为18kg。所用的信号发生器26产生的信号最大幅值为：-5v～5v。所用功率放大器25的放大倍数为4倍，经过功率放大器25后信号的幅值为：-20v～20v。

利用本发明试验台进行相应的故障仿真，如转轴裂纹故障的仿真时，使用过程如下：在实验开始之前，事先用有裂纹的转轴替换本试验台中的转轴14，然后起动电机12使转子系统运转在一个平稳的转速下。打开扭转力矩施加装置20中的信号发生器26和功率放大器25，调节通入电流使得产生一定大小的扭矩，转子系统在该扭转力矩的激励下的故障特征会变得明显。配合电涡流传感器和采集系统能采集到故障时转子系统的振动特性，为故障的理论分析提供依据。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。