一种气体轴承‑转子系统动力学特性研究的实验系统的制作方法

本发明涉及轴承-转子系统动力学特性实验测试系统，特别是一种气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统。

背景技术：

气体轴承具有润滑介质粘度低、摩擦力小、功耗低、回转精度高且污染少、寿命长等优点，在高速支承、低摩擦功耗支承、高精度支承和特殊工况支承领域具有绝对的优势，被广泛应用于精密仪器、医疗器械、高速微型动力等民用及航空航天等国防领域。

以气体轴承作为支承方式的旋转机械设备，其气体轴承-转子系统的动力学特性是影响旋转机械设备安全稳定运行的关键之一。建立气体轴承-转子系统原理性实验系统，开展气体轴承-转子系统动力学特性的实验研究，重点研究气体轴承-转子系统的不平衡响应特性、临界转速特性以及稳定性的敏感性影响规律，为旋转机械稳定运行提供理论与实验依据是必要的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统，以用来研究气体轴承-转子系统的不平衡响应特性、临界转速特性以及稳定性。

(二)技术方案

本发明提供了一种气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统，包括：气体轴承-转子系统实验台本体单元、非线性振动测试单元、动力单元和控制分析单元；气体轴承-转子系统实验台本体单元，用于安装气体轴承和转子；动力单元，用于向气体轴承和转子供气；非线性振动测试单元，用于检测转子的动力学参数；控制分析单元，用于分析气体轴承-转子系统的动力学特性。

在本发明的一些实施例中，包括：所述气体轴承-转子系统实验台本体单元包括：底座、第一气体轴承座、第二气体轴承座、止推轴承、第一位移传感器支架、第二位移传感器支架、转速传感器支架、蜗壳；所述第一气体轴承座、第二气体轴承座、第一位移传感器支架、第二位移传感器支架和转速传感器支架安装于底座；第一气体轴承和第二气体轴承分别安装于所述第一气体轴承座和第二气体轴承座，所述止推轴承安装于第一气体轴承座；所述转子包括：转轴、配重盘和径向叶轮；所述转轴安装于第一气体轴承和第二气体轴承，所述配重盘套装于转轴上，所述转轴的一端安装径向叶轮，所述蜗壳安装在第一气体轴承座上，所述径向叶轮位于蜗壳中。

在本发明的一些实施例中，所述非线性振动测试单元包括：电涡流位移传感器、转速传感器、加速度传感器和振动数据采集仪；两个电涡流位移传感器分别安装在第一位移传感器支架和第二位移传感器支架上，用于检测转轴的径向位移；转速传感器安装在转速传感器支架上，用于检测转轴的角速度；加速度传感器安装在第一气体轴承座和第二气体轴承座上，用于检测转轴的角加速度；电涡流位移传感器、转速传感器和加速度传感器通过导线连接振动数据采集仪，振动数据采集仪连接控制分析单元。

在本发明的一些实施例中，所述动力单元包括：空气压缩机，电加热器连接空气压缩机，电加热器依次连接主路调节阀门、主路过滤减压阀门、主路压力表、主路流量计、主路温度计、主路空气过滤器形成主路，用于向转轴供气；电加热器依次连接空气过滤器、分管路温度计、分管路流量计、分管路压力表、分管路过滤减压阀门和分管路调节阀门，形成分管路，用于向气动轴承供气；电加热器、主路调节阀门、主路压力表、主路流量计、主路温度计、分管路调节阀门、分管路压力表、分管路流量计、分管路温度计分别通过导线连接与动力单元控制系统连接，动力单元控制系统通过导线连接到控制分析单元，主路和分管路气体的流量、压力及温度可调节。

在本发明的一些实施例中，还包括：摄像头，摄像头通过导线连接控制分析单元。

在本发明的一些实施例中，第一气体轴承座、第二气体轴承座通过滑轨安装在底座上，第一气体轴承座和第二气体轴承座之间的距离可调。

在本发明的一些实施例中，第一气体轴承座、第二气体轴承座采用螺栓紧固方式固定在底座上，轴承位置标高可调。

在本发明的一些实施例中，控制分析单元为计算机。

在本发明的一些实施例中，动力单元还包括：紧急切断阀，安装于电加热器与主路调节阀门之间，用于实现主路气体紧急切断。

在本发明的一些实施例中，所述空气过滤器的过滤精度在0.3微米以上。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统具有以下有益效果：

(1)该实验系统在结构上能够实现轴承跨距可调，气体轴承可更换、转轴可更换、基础特性可变等，进而研究跨距变化、轴承特性变化、转轴变化、基础特性变化等对气体轴承-转子系统动力学特性的影响。

(2)该实验系统在调控参数上能够实现轴承供气压力可调、径向叶轮驱动参数可调，进而研究轴承供气压力变化、径向叶轮驱动参数变化对气体轴承-转子系统动力学特性的影响。

(3)该实验系统能够实现气体轴承-转子系统动力学特性的在线监测与离线分析，能够实时监测转子运行过程中的轴心轨迹、频域波形、时域波形等动力学特征，能够离线分析转子升降速过程中的分岔特性、临界特性、响应特性以及轴承供气、径向叶轮驱动参数等，为研究气体轴承-转子系统动力学特性提供分析手段。

(4)该实验系统能够实现实验现场的远程视频监控，对实验过程中可视化的实验现象进行实时监测与录像，为后续分析气体轴承-转子系统的动力学现象提供支撑。

附图说明

图1是本发明实施例气体轴承-转子系统实验台本体单元的结构示意图。

图2是本发明实施例非线性振动测试单元、控制分析单元及动力单元的结构示意图。

【符号说明】

1-底座；2-第一气体轴承座；3-第二气体轴承座；4-第一气体轴承；5-第二气体轴承；6-.止推轴承；7-第一位移传感器支架；8-第二位移传感器支架；9-.转速传感器支架；10-转轴；11-配重盘；12-径向叶轮；13-.蜗壳；14-电涡流位移传感器；15-.转速传感器；16-加速度传感器；17-振动数据采集仪；18-计算机；19-摄像头；20-空气压缩机；21-主路调节阀门；22-主路过滤减压阀门；23-主路压力表；24-主路流量计；25-主路温度计；26-分管路调节阀门；27-分管路过滤减压阀门；28-分管路压力表；29-分管路流量计；30-分管路温度计；31-分管路空气过滤器；32-动力单元控制系统；33-电加热器；34-主路空气过滤器；35-紧急切断阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统，以用来研究气体轴承-转子系统的不平衡响应特性、临界转速特性以及稳定性。该实验系统包括气体轴承-转子系统实验台本体单元、非线性振动测试单元、控制分析单元及动力单元组成。该实验系统在结构上能够实现轴承跨距可调，气体轴承可更换、转轴可更换、基础特性可变等，进而研究跨距变化、轴承特性变化、转轴变化、基础特性变化等对气体轴承-转子系统动力学特性的影响。该实验系统在调控参数上能够实现轴承供气压力可调、径向叶轮驱动参数可调，进而研究轴承供气压力变化、径向叶轮驱动参数变化对气体轴承-转子系统动力学特性的影响。该实验系统能够实现气体轴承-转子系统动力学特性的在线监测与离线分析，能够实时监测转子运行过程中的轴心轨迹、频域波形、时域波形等动力学特征，能够离线分析转子升降速过程中的分岔特性、临界特性、响应特性以及轴承供气、径向叶轮驱动参数等，为研究气体轴承-转子系统动力学特性提供分析手段。该实验系统能够实现实验现场的远程视频监控，对实验过程中可视化的实验现象进行实时监测与录像，为后续分析气体轴承-转子系统的动力学现象提供支撑。

本发明实施例的气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统，包括：气体轴承-转子系统实验台本体单元、非线性振动测试单元、控制分析单元及动力单元。

如图1所示，气体轴承-转子系统实验台本体单元包括：底座1、第一气体轴承座2、第二气体轴承座3、止推轴承6、第一位移传感器支架7、第二位移传感器支架8、转速传感器支架9、蜗壳13。

底座1上安装第一气体轴承座2和第二气体轴承座3、第一位移传感器支架7、第二位移传感器支架8、转速传感器支架9，第一位移传感器支架7位于第一气体轴承座2和第二气体轴承座3之间，第二气体轴承座3位于第一位移传感器支架7与第二位移传感器支架8、转速传感器支架9之间。

实验系统的测试对象包括气体轴承和转子。气体轴承包括第一气体轴承4和第二气体轴承5，分别安装于第一气体轴承座2和第二气体轴承座3，第一气体轴承座2还装有止推轴承6；转子包括转轴10、配重盘11和径向叶轮12，转轴安装于第一气体轴承4和第二气体轴承5，配重盘11套装于轴承10上，位于第一气体轴承座2和第二气体轴承座3之间的位置，转轴的靠近第一气体轴承座2的一端安装径向叶轮12，蜗壳13安装在第一气体轴承座3上，径向叶轮12位于蜗壳13中。

同时参见图2，非线性振动测试单元包括电涡流位移传感器14、转速传感器15、加速度传感器16、振动数据采集仪17。

两个电涡流位移传感器14分别安装在第一位移传感器支架7和第二位移传感器支架8上，用于检测转轴的径向位移，另外，用于测量转轴径向位移的电涡流位移传感器数量可根据实际需要进行调整。

转速传感器15安装在转速传感器支架9上，用于检测转轴的角速度。

加速度传感器16安装在第一气体轴承座2和第二气体轴承座3上，用于检测转轴的角加速度

电涡流位移传感器14、转速传感器15和加速度传感器16通过各自的引线连接振动数据采集仪17，振动数据采集仪17连接计算机18，振动数据采集仪17处理后的数据信号通过连接导线输入到计算机18中。

动力单元包括空气压缩机20、主路调节阀门21、主路过滤减压阀门22、主路压力表23、主路流量计24、主路温度计25、分管路调节阀门26、分管路过滤减压阀门27、分管路压力表28、分管路流量计29、分管路温度计30、分管路空气过滤器31、动力单元控制系统32、电加热器33、主路空气过滤器34、紧急切断阀35和动力单元控制系统32，空气压缩机20包含储气罐。

电加热器33连接空气压缩机20，从电加热器33分出两个气路：主路和分管路。其中，电加热器33依次连接紧急切断阀35、主路调节阀门21、主路过滤减压阀门22、主路压力表23、主路流量计24、主路温度计25、主路空气过滤器(34)形成主路。

电加热器33依次连接空气过滤器31、分管路温度计30、分管路流量计29、分管路压力表28、分管路过滤减压阀门27和分管路调节阀门26，形成分管路。

电加热器33、紧急切断阀35、主路调节阀门21、主路压力表23、主路流量计24、主路温度计25、分管路调节阀门26、分管路压力表28、分管路流量计29、分管路温度计30分别通过导线连接与动力单元控制系统32连接，动力单元控制系统32通过导线连接到计算机18，主路用于输出驱动透平供气，分管路用于输出轴承气供气。

摄像头19通过导线将画面信号传输到计算机18中，实现实验现场的远程视频监控，对实验过程中可视化的实验现象进行实时监测与录像，为后续分析气体轴承-转子系统的动力学现象提供支撑

在一个示例中，第一气体轴承座2、第二气体轴承座3采用滑轨的方式安装在底座1上，第一气体轴承座2和第二气体轴承座3之间的距离可按需调整，即轴承跨距可调，以研究不同支点位置对气体轴承-转子系统动力学特性影响。

在另一示例中，第一气体轴承座2、第二气体轴承座3采用螺栓紧固方式固定在底座1上，用于安装轴承的轴承座体高度可调，即轴承位置标高可以进行调节。

在一个示例中，配重盘11的位置在转轴10上沿轴向可调；配重盘11的数量可以按需调整，可以分别安装1个、2个或者3个；配重盘11上沿周向均匀布置配重块，配重块为等质量的螺钉。

在本实施例中，第一气体轴承4、第二气体轴承5可以选择性更换，可以更换为静压气体轴承、动压气体轴承、动静压混合气体轴承；转轴10也可以做相应的选择性更换，可以更换为不同结构形式的转轴，以研究不同结构形式的气体轴承、转轴下气体轴承-转子系统的动力学特性。

分管路空气过滤器31为必备部件，优选采用高效空气过滤器，过滤精度在0.3微米以上。紧急切断阀35用于实现实验系统主路气体紧急切断，以防止气体轴承-转子系统运行过程中出现碰磨、转轴断裂等突发故障；同时分管路气体不切断，以保证轴承供气持续供应。

本实施例的气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统，工作时，首先将第一气体轴承4、第二气体轴承5安装于第一气体轴承座2、第二气体轴承座3，再将转轴安装于第一气体轴承4和第二气体轴承5，配重盘11套装于轴承10上，转轴的一端安装径向叶轮12和蜗壳13。

在动力单元控制系统32的控制下，分管路和主路分别向气体轴承和径向叶轮供气，使转轴在气体轴承的支撑下旋转。电涡流位移传感器14将检测的转轴径向位移信号、转速传感器15将检测的转轴角速度信号、加速度传感器16将检测的转轴角加速度信号传输给振动数据采集仪17，振动数据采集仪17对上述信号采集处理后发送至计算机18，计算机18作为控制分析单元，结合上述传感器的数据、以及主路和分管路气体的流量、压力及温度等参数，分析气体轴承-转子系统动力学特性。

在计算机18的控制下，动力单元控制系统32可以调节电加热器33、紧急切断阀35、主路调节阀门21、主路压力表23、主路流量计24、主路温度计25的参数，主路气体的流量、压力及温度可调，并能够在线监测与离线分析，实现转轴10转速的稳定控制。动力单元控制系统32还可以调节分管路温度计30、分管路流量计29、分管路压力表28、分管路调节阀门26的参数，分管路气体的流量、压力及温度可调，并能够在线监测与离线分析，实现第一气体轴承4、第二气体轴承5的轴承气压力及温度可控，以研究轴承供气压力及温度特性对气体轴承-转子系统动力学特性的影响。

本发明的气体轴承-转子系统动力学特性研究的实验系统，能够用来研究气体轴承-转子系统的不平衡响应特性、临界转速特性以及稳定性，掌握影响气体轴承-转子系统动力学特性的关键因素，以及气体轴承-转子系统在不同边界条件下的动力学行为，为气体轴承-转子系统在高速涡轮膨胀制冷机、微型燃气轮机、高速电主轴等高速旋转机械上应用提供实验支撑。

该实验系统能够实现气体轴承-转子系统动力学特性的测试、特征识别、在线监控和故障诊断。该实验系统可以作为高校、研究所以及企业研究机构用来研究气体轴承-转子系统动力学特性的教学及研究装置。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。