一种多跨多功能故障转子系统综合实验台及方法

1.本发明属于旋转机械故障诊断技术领域，尤其涉及一种多跨多功能故障转子系统综合实验台及方法。


背景技术：

2.多跨多功能故障转子系统综合实验台将连接到旋转轴的圆盘和滚动轴承作为主要研究对象。实验测试系统采用测试和传感器技术，收集、记录和分析转子系统的各种实验振动现象，最终获得实验结果，验证理论计算的正确性。设计故障转子系统实验台是定性、定量分析转子系统中故障影响的重要手段，也是研究故障作用机理的必要方法。为模拟复杂转子系统结构，需要设计多跨度、多故障类别的故障转子系统，使其能够模拟复杂转子系统中多种故障形式。在近些年转子实验台研发、创新的发展中，国内科研人员对实验台的结构、功能设计做出了一些创新，由于这些转子试验台的设计功能主要用于教学方面而且模拟故障形式单一，测试台的实验功能受到限制，难以满足各种振动实验的要求。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种多跨多功能故障转子系统综合实验台及方法，该试验台是能够模拟转子不对中、不平衡、碰摩及其复合故障的综合实验台，对旋转机械的故障实验模拟和后期研究具有积极意义。
4.一种多跨多功能故障转子系统综合实验台，包括底座，底座上固定有槽钢基座一和槽钢基座二，燕尾槽导轨安装在槽钢基座一上部，燕尾槽导轨上开设有燕尾槽，燕尾槽内滑动连接有燕尾滑块；燕尾槽导轨上开设有用于对中定位的矩形定位槽，矩形定位槽上通过定位滑块滑动连接有多个用于横向位移调节的丝杠传动机构，多个丝杠传动机构沿着矩形定位槽的滑动方向并列布置，丝杠传动机构与燕尾滑块固定；所述丝杠传动机构与燕尾槽导轨间设置有用于调节纵向位移调节的垫片；每个丝杠传动机构上均螺纹连接有卡盘式轴承座组件；每相邻的两个卡盘式轴承组件间设置有用于调节碰摩量的碰摩支架机构，碰摩支架机构通过螺钉固定在燕尾槽轨道内的燕尾滑块上；转轴依次穿过丝杠传动机构上的卡盘式轴承座组件和碰摩支架机构并通过轴承套、轴承和轴承卡环连接固定，轴承套上安装有振动传感器，与转子系统的振动数据采集装置电连接；电机底座安装在槽钢基座二上，电机底座上固定有电机和与电机连接的变频器，转轴通过联轴器一与电机的输出端连接。
5.所述燕尾滑块的上表面低于燕尾槽导轨的上表面。
6.所述燕尾滑块上开设有螺纹孔一，丝杠传动机构上开设有螺栓孔，丝杠传动机构与燕尾滑块通过在螺栓孔和螺纹孔一插入螺钉进行固定。
7.所述燕尾滑块底部设置有防松垫片。
8.所述矩形定位槽上滑动连接有三个丝杠传动机构。
9.所述卡盘式轴承座组件包括卡盘连接架，卡盘连接架中部开设有中心孔，卡盘连接底座底部与其中心孔的正中位置对应开设有凹槽；卡盘连接架侧面连接有三爪卡盘，轴
承套、轴承和轴承卡环由外向内夹持在三爪卡盘上，转轴固定在轴承卡环内；卡盘连接架与丝杠传动机构螺纹连接。
10.所述丝杠传动机构包括伺服电机、联轴器二、丝杠、卡盘连接底座和测量旋钮，丝杠通过联轴器二与伺服电机的输出端连接，测量旋钮连接在丝杠的另一端；所述卡盘连接架与丝杠螺纹连接，卡盘连接架底部与丝杠平行方向设置有燕尾型凸块，与卡盘连接底座上的燕尾型凹槽相配合实现卡盘连接架和卡盘连接底座的滑动连接，卡盘连接架相对于卡盘连接底座的滑动方向与丝杠轴向平行，同时与燕尾滑块的滑动方向垂直。
11.上述的一种多跨多功能故障转子系统综合实验台进行实验的方法，具体包括以下步骤：
12.(一)转子不对中故障实验
13.步骤一：解除转轴上零件的固定，即将电机所连接的联轴器二、轴承卡环和圆盘卡环拆下，取下转轴、轴承、轴承卡环和轴承套；
14.步骤二：通过定位滑块将卡盘连接底座与燕尾槽导轨上的矩形槽连接实现对中状态的定位；
15.步骤三：依次在转轴上安装各卡盘式轴承组件中的轴承套、轴承和轴承卡环并拧紧固定圆盘卡环、轴承卡环，将转轴与电机调整对中相连后再拧紧联轴器一，根据实验要求滑动燕尾滑块的位置从而确定卡盘式轴承组件的轴向位置；
16.步骤四：打开伺服电机，通过丝杠和测量旋钮调节实验所需横向的偏移量，再通过卡盘连接架与卡盘连接底座的连接处增加不同厚度的垫片，来设置实验所需纵向的偏移量，最后通过螺钉拧紧卡盘连接底座和燕尾滑块；然后运行电机，根据实验要求通过变频器调节电机转速进行实验；
17.(二)转子不平衡故障实验
18.步骤一：解除转轴上零件的固定，即将电机所连接的联轴器二、轴承卡环和圆盘卡环拆下，取下转轴、轴承、轴承卡环和轴承套；
19.步骤二：通过定位滑块将卡盘连接底座与燕尾槽导轨上的矩形槽连接实现对中状态的定位；
20.步骤三：依次在轴上安装各卡盘式轴承组件中的轴承套、轴承和轴承卡环及卡盘式轴承组件间的碰摩支架机构，并拧紧固定圆盘卡环、轴承卡环，将转轴与电机调整对中相连后再拧紧联轴器一，根据实验要求滑动燕尾滑块的位置从而确定卡盘式轴承组件的轴向位置；
21.步骤四：根据实验所需的不平衡量确定配种螺钉的数量，在碰摩支架机构中的圆盘的螺纹孔位置安装实验所需的配重螺钉，实现调节转子不平衡量，然后运行电机，根据实验要求通过变频器调节电机转速运行实验；
22.(三)碰摩实验
23.步骤一：解除转轴上零件的固定，即将电机所连接的联轴器二、轴承卡环和圆盘卡环拆下，取下转轴、轴承、轴承卡环和轴承套；
24.步骤二：通过定位滑块将卡盘连接底座与燕尾槽导轨上的矩形槽连接实现对中状态的定位；
25.步骤三：依次安装各卡盘式轴承组件中的轴承套、轴承和轴承卡环及卡盘式轴承
组件间的碰摩支架机构，并拧紧固定圆盘卡环、轴承卡环与联轴器一，根据实验要求滑动燕尾滑块的位置从而确定卡盘式轴承组件的轴向位置；
26.步骤四：根据实验需求调节碰摩支架的摩擦螺钉的进给量即设置转子系统碰摩量，然后运行电机，根据实验要求通过变频器调节电机转速运行实验；
27.(四)不对中、不平衡和碰摩故障中的任意两种或三种同时构成的复合故障
28.根据实验实际需求中不同故障成分，根据上述(一)～(三)所述的方法步骤分别设置不对中量、不平衡量及碰摩状态量，然后运行电机，根据实验要求通过变频器调节电机转速运行实验。
29.本发明的有益效果是：
30.本发明是一种结构形式可以改变、尺寸可以调整、转轴上任意位置径向位移可以无级调节的卧式多跨多功能故障转子系统综合实验台，通过改变球轴承的尺寸、类型、转轴的尺寸、转轴上轴承的径向偏移量、碰摩支架上摩擦螺钉的进给量、圆盘上配重螺钉数量实现模拟多种故障下的转子系统的线性及非线性响应，大大提高了转子动力学相关研究的可靠性和相关模拟实验的可行性。对于轴承轴向和径向两个方向上微小位移量在内的可调参数，得到与故障类别相对应的系统运行状态信息，对于精准识别故障类别与位置，维护设备正常运转具有重大意义。
31.本发能够模拟复杂转子系统中多种故障形式，尤其是与不对中相关的故障形式，在此基础上更好地完善实验台功能，轴承夹持孔实现无级调度，从而省略了不同孔径轴承座的加工，对于经济资源利用同样具有重大意义。
附图说明
32.图1为本发明多跨多功能故障转子系统综合实验台的结构示意图；
33.图2为本发明中卡盘式轴承座组件的结构示意图；
34.图3为本发明中丝杠传动机构的结构示意图；
35.图4为本发明中圆盘及碰摩支架组件的结构示意图；
36.图5为采用本发明的实验台进行实验室槽钢基座一部分的俯视图；
37.其中，
38.1-底座，2-槽钢基座一，3-槽钢基座二，4-电机底座，5-变频器，6-电机，7-燕尾槽导轨，8-丝杠传动机构，9-卡盘式轴承组件，10-碰摩支架机构，11-联轴器一，12-转轴，13-卡盘连接架，14-三爪卡盘，15-轴承套，16-轴承，17-轴承卡环，19-伺服电机，20-联轴器二，21-丝杠，22-卡盘连接底座，23-测量旋钮，24-矩形定位槽，25-定位滑块，26-燕尾滑块，27-螺纹孔一，28-碰摩支架，29-摩擦螺钉，30-圆盘，31-圆盘卡环，32-螺纹孔，33-振动传感器。
具体实施方式
39.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
40.如图1所示，一种多跨多功能故障转子系统综合实验台，包括底座1，用于基本零部件的定位安装，底座1上固定有用于放置燕尾槽导轨7的槽钢基座一2和用于放置电机底座4的槽钢基座二3，本实施例中所述槽钢基座一2采用20a等边槽钢，槽钢基座二3采用32a等边
槽钢，均通过螺钉固定在底座1上(螺钉未显示)。燕尾槽导轨7安装在槽钢基座一2上部，所述燕尾槽导轨7上开设有燕尾槽，燕尾槽内滑动连接有燕尾滑块26，燕尾滑块26的上表面低于燕尾槽导轨7的上表面，燕尾滑块26上开设有螺纹孔一27，在燕尾槽导轨7上自由移动、定位；燕尾槽导轨7上开设有用于对中定位的矩形定位槽24，矩形定位槽24上通过定位滑块25滑动连接有多个用于横向位移调节的丝杠传动机构8，多个丝杠传动机构8沿着矩形定位槽24的滑动方向并列布置，丝杠传动机构8上开设有螺栓孔，丝杠传动机构8与燕尾滑块26通过在螺栓孔和螺纹孔一27插入螺钉进行固定(螺钉未显示)；所述丝杠传动机构8与燕尾槽导轨7间设置有用于调节纵向位移调节的垫片；每个丝杠传动机构8上均螺纹连接有卡盘式轴承座组件，在丝杠传动机构8上自由移动、定位；本实施例中矩形定位槽24上滑动连接有三个丝杠传动机构8；每相邻的两个卡盘式轴承组件9间设置有用于调节碰摩量的碰摩支架机构10，碰摩支架机构10通过螺钉固定在燕尾槽轨道内的燕尾滑块26上；转轴12的安装方向与矩形定位槽24的滑动方向一致，转轴12依次穿过丝杠传动机构8上的卡盘式轴承座组件和碰摩支架机构10并通过轴承套15、轴承16和轴承卡环17连接固定，所述轴承16为球轴承。电机底座4安装在槽钢基座二3上，电机底座4上固定有电机6和与电机6连接的变频器5，转轴12通过联轴器一11与电机6的输出端连接。
41.如图2所示，所述卡盘式轴承座组件包括卡盘连接架13，卡盘连接架13中部开设有中心孔，卡盘连接底座22底部与其中心孔的正中位置对应开设有凹槽，用于放置定位滑块25从而实现对中定位。所述卡盘连接架13侧面连接有三爪卡盘14，轴承套15、轴承16和轴承卡环17由外向内夹持在三爪卡盘14上，转轴12固定在轴承卡环17内；本实施例中所述三爪卡盘14通过螺钉固定在卡盘连接架13上(螺钉未显示)；通过三爪卡盘14上的方孔实现调节卡盘大小，从而改变夹持孔直径，然后选择实验所需的轴承16安装轴承套15，放入三爪卡盘14的夹持范围内直至夹紧。卡盘连接架13与丝杠传动机构8螺纹连接，通过丝杠传动实现卡盘连接架13和三爪卡盘14带动转轴12的横向移动，从而实现转子的横向偏移量的调节。
42.所述轴承套15在保护轴承16的同时其上部安装有振动传感器33，与转子系统的振动数据采集装置电连接。
43.所述丝杠传动机构8包括伺服电机19、联轴器二20、丝杠21、卡盘连接底座22和测量旋钮23，所述丝杠21通过联轴器二20与伺服电机19的输出端连接，测量旋钮23连接在丝杠21的另一端；所述卡盘连接架13与丝杠21螺纹连接，卡盘连接架13底部与丝杠21平行方向设置有燕尾型凸块，与卡盘连接底座22上的燕尾型凹槽相配合实现卡盘连接架13和卡盘连接底座22的滑动连接，卡盘连接架13相对于卡盘连接底座22的滑动方向与丝杠21轴向平行，同时与燕尾滑块26的滑动方向垂直。
44.燕尾滑块26底部设置有防松垫片，防止在卡盘式连接组件或碰摩支架机构10通过螺钉与燕尾滑块26连接后，燕尾滑块26沿着燕尾槽导轨7移动。
45.根据实验要求确定所需卡盘式轴承座组件的数量和位置，调节燕尾滑块26的位置，将卡盘连接架13连同卡盘连接底座22与燕尾滑块26连接，从而调节并确定轴承16在转轴12上的位置。实现转子的轴向位置的选择固定。所述伺服电机19驱动丝杠21转动，通过丝杠传动实现卡盘连接架13在卡盘连接底座22上的滑槽内滑动，即实现转子的横向偏移量的无级调节；所述测量旋钮23上沿周向设有刻度，通过测量旋钮23的刻度使偏移量大小即不对中量可视化，同时也达到了反向自锁的效果，为实验过程产生的振动影响提供了稳定保
障。所述垫片设置在卡盘连接底座22与燕尾槽导轨7间，用于调节卡盘连接架13的纵向位移，从而实现转子的纵向偏移量的调节。通过丝杠21和垫片实现包括转子的横向偏移量和纵向偏移量在内的径向偏移量的调节。
46.如图4所示，所述碰摩支架机构10包括圆盘30、碰摩支架28、摩擦螺钉29和圆盘卡环31，碰摩支架28架设在燕尾槽导轨7上，碰摩支架28上开设有螺栓孔，通过螺钉固定在燕尾滑块26中从而实现碰摩支架28的固定；圆盘30顶部通过摩擦螺钉29固定在碰摩支架28上，圆盘卡环31放置在圆盘30的中心孔内用于固定转轴12。所述圆盘30上沿周向均布有多圈螺纹孔32，用于连接配重螺钉，本实施例中的圆盘30上开设有一圈螺纹孔32，通过调整配重螺钉的位置和数量实现调节转子不平衡量，根据实验需求确定碰摩螺钉进给量，同时通过碰摩螺钉拧入圆盘30的距离设置进给量，实现调节系统碰摩量。实验时，根据实验要求确定碰摩支架机构10的具体位置。
47.上述转轴12、轴承16、轴承套15、轴承卡环17构成的转子系统中包括转轴12的直径和长短、轴承16的大小和类型在内的这些参数能够根据具体实验需要进行变换，该实验台能够满足使用需求。
48.采用上述综合实验台能够进行多种故障实验：(1)在丝杠21提供的能够移动的范围内无级调节模拟不同程度的转子不对中故障；(2)模拟不同程度的动静碰摩故障；(3)模拟不同程度的转子质量不平衡故障；(4)模拟不同程度的转子不对中、不平衡及碰摩故障中的任意两种或是三种构成的复合故障。
49.实施例1
50.采用上述一种多跨多功能故障转子系统综合实验台进行转子不对中故障实验的方法，具体包括以下步骤：
51.本实验中通过调节丝杠传动机构8实现卡盘连接架13在卡盘连接底座22上滑动，从而实现转子横向偏移量的无级调节，通过在卡盘连接底座22和卡盘连接架13间设置垫片实现有级调节转子纵向偏移量，从而实现转轴12上轴承16的径向位移量的可控调节，实现转轴12的位置与电机轴产生不对中的故障模拟。具体步骤如下：
52.步骤一：如图3-图5所示，解除转轴12上零件的固定，即将电机6所连接的联轴器二20、轴承卡环17和圆盘卡环31拆下，取下转轴12、轴承16、轴承卡环17和轴承套15；
53.步骤二：通过定位滑块25将卡盘连接底座22与燕尾槽导轨7上的矩形槽连接实现对中状态的定位；
54.步骤三：依次在转轴12上安装各卡盘式轴承组件9中的轴承套15、轴承16和轴承卡环17并拧紧固定圆盘卡环31、轴承卡环17，将转轴12与电机6调整对中相连后再拧紧联轴器一11，根据实验要求滑动燕尾滑块26的位置从而确定卡盘式轴承组件9的轴向位置；
55.步骤四：打开伺服电机19，通过丝杠21和测量旋钮23调节实验所需横向的偏移量，再通过卡盘连接架13与卡盘连接底座22的连接处增加不同厚度的垫片，来设置实验所需纵向的偏移量，最后通过螺钉拧紧卡盘连接底座22和燕尾滑块26(螺钉未显示)；然后运行电机6，根据实验要求通过变频器5调节电机6转速进行实验。
56.实施例2
57.采用上述一种多跨多功能故障转子系统综合实验台进行转子不平衡故障实验的方法，具体包括以下步骤：
58.采用上述综合实验台进行不平衡实验时，需要用同规格的螺钉来配置不平衡分量，通过在碰摩支架机构10中的圆盘30上设置配重螺钉的位置与数量实现系统不平衡量的调节，从而来满足实验要求，具体步骤如下：
59.步骤一：如图4-图5所示，解除转轴12上零件的固定，即将电机6所连接的联轴器二20、轴承卡环17和圆盘卡环31拆下，取下转轴12、轴承16、轴承卡环17和轴承套15；
60.步骤二：通过定位滑块25将卡盘连接底座22与燕尾槽导轨7上的矩形槽连接实现对中状态的定位；
61.步骤三：依次在轴上安装各卡盘式轴承组件9中的轴承套15、轴承16和轴承卡环17及卡盘式轴承组件9间的碰摩支架机构10，并拧紧固定圆盘卡环31、轴承卡环17，将转轴12与电机6调整对中相连后再拧紧联轴器一11，根据实验要求滑动燕尾滑块26的位置从而确定卡盘式轴承组件9的轴向位置；
62.步骤四：根据实验所需的不平衡量确定配种螺钉的数量，在碰摩支架机构10中的圆盘30的螺纹孔32位置安装实验所需的配重螺钉，实现调节转子不平衡量，然后运行电机6，根据实验要求通过变频器5调节电机6转速运行实验。
63.实施例3
64.采用上述一种多跨多功能故障转子系统综合实验台进行碰摩实验的方法，具体包括以下步骤：
65.采用上述综合实验台进行碰摩实验时，通过设置碰摩支架28上的摩擦螺钉29的进给量，实现模拟不同程度的碰摩故障来满足实验要求，具体步骤如下：
66.步骤一：如图4-图5所示，解除转轴12上零件的固定，即将电机6所连接的联轴器二20、轴承卡环17和圆盘卡环31拆下，取下转轴12、轴承16、轴承卡环17和轴承套15；
67.步骤二：通过定位滑块25将卡盘连接底座22与燕尾槽导轨7上的矩形槽连接实现对中状态的定位；
68.步骤三：依次安装各卡盘式轴承组件9中的轴承套15、轴承16和轴承卡环17及卡盘式轴承组件9间的碰摩支架机构10，并拧紧固定圆盘卡环31、轴承卡环17与联轴器一11，根据实验要求滑动燕尾滑块26的位置从而确定卡盘式轴承组件9的轴向位置；
69.步骤四：根据实验需求调节碰摩支架28的摩擦螺钉29的进给量即设置转子系统碰摩量，然后运行电机6，根据实验要求通过变频器5调节电机6转速运行实验。
70.实施例4
71.采用上述综合实验台进行不对中、不平衡和碰摩故障中的任意两种或三种同时构成的复合故障进行模拟实验时，根据实验实际需求中不同故障成分，根据实施例1-3的方法步骤分别设置不对中量、不平衡量及碰摩状态量即可，然后运行电机6，根据实验要求通过变频器5调节电机6转速运行实验。
72.本发明提供的多跨多功能故障转子系统实验台整体结构简单，移动、固定、安装以及调试方便。本发明用于模拟复杂转子系统中多种故障形式，实现轴承16夹持孔的无级调节和不对中偏移量的横向无级调节，大大提高了转子动力学相关研究的可靠性和相关模拟实验的可行性。