一种气体驱动的空气轴承高速主轴试验系统及试验方法与流程

本技术涉及高速轴承测试、测量、试验，特别涉及一种气体驱动的空气轴承高速主轴试验系统及试验方法。

背景技术：

1、动压空气轴承是利用周围空气在轴颈与轴套内弹性元件间产生压力气膜的原理来实现旋转支承和润滑的，因此具有结构简单、条件适应性强和转速高等优点。由于气膜压力随转速增加而增加，在高速下具有更高的承载能力和更好的稳定性，因此，动压空气轴承一般适用于高速甚至超高转速场合，如高速涡轮透平、微型燃气轮机、离心鼓风机、压缩机、飞机环控系统和辅助动力系统等。与传统的机械轴承不同，动压空气轴承尚未建立完善的理论研究体系，由于气膜压力与弹性结构变形间的强耦合效应导致其动态性能研究只能依赖于试验，在试验系统设计和试验工况的设置上，也比传统机械轴承试验提出了更高的转速要求，因此，在空气轴承试验系统中，具有高转速水平和较大调速范围的主轴试验系统并在试验过程中对转速进行快速、稳定的控制调节是进行多规格空气轴承动态性能测试的关键。

2、国内外专门针对主轴驱动方式及转速调节方法的相关专利不多，大部分专利关注试验装置、载荷加载装置、静力学测试装置及方法等，且多数试验系统均采用电机驱动主轴(电主轴)。少数在涉及台架设计、载荷加载装置等方向的实用新型专利中提及采用气体驱动的方式。

3、如专利cn 207850688u《一种箔片动压空气止推轴承性能测试台》提出配套主轴以静压空气轴承作为支撑，由气体驱动冲击涡轮带动转子旋转，解决了传统驱动端振动较大以及电主轴无法驱动大尺寸箔片止推轴承达到较高转速的问题。专利cn 207556848u《一种箔片空气轴承高速转子试验台的轴向加载装置》提出主轴由气体驱动冲击涡轮带动旋转，在涡轮异侧设置模拟叶轮，并通过控制模拟叶轮两端气压，实现止推轴承试验中不同的轴向载荷加载。专利cn 211784281u《一种多功能空气轴承试验台》所述试验台设置了多个轴承测试空间，通过设计结构布局实现与径向、止推轴承的分别联接，并提出在不同转速场合，旋转轴可以安装叶轮，也可以与电机转轴连接，以此达到转速驱动。

4、上述方法的不足之处在于：关注试验台和加载装置设计，仅提及驱动方案，并未对转速调节方法进行详细描述，不能为试验系统和试验方案设计提供全面参考；按所述试验台方案对应的结构接口或加载装置方案，对轴承种类和轴承规格的普适性不强。

技术实现思路

1、本技术提供了一种气体驱动的空气轴承高速主轴试验系统及试验方法，可用于解决主轴驱动方式及转速调节方法繁琐，无法对不同类型进行普适性调整的技术问题。

2、本技术提供一种气体驱动的空气轴承高速主轴试验系统，系统包括：

3、主轴试验台体、气路系统、测控系统；

4、其中，主轴试验台体用于安装受试轴承，提供所需转速的运动和转矩；

5、气路系统为主轴试验台体提供所需高压气体，通过气体温度、压力、流量的调节达到控制主轴转速的目的；

6、测控系统用于承载主轴系统控制方案，根据设定的目标转速，向气路系统和试验台体下达控制信号，实现系统转速的闭环控制；

7、其中，气路系统与主轴试验台体通过气流管路联接，测控系统与气路系统、主轴试验台体通过通信线路联接。

8、可选的，主轴试验台体包括底板1、轴承安装区2、转轴3、涡轮叶轮4、柔性联轴器5、可变角度静叶6、叶片转向机构7；涡轮叶轮4通过焊接或端部压紧的方式与转轴3联接，转轴3再通过柔性联轴器5与轴承安装区2联接；底板1为试验台体的基座，通过螺栓安装固定可变角度静叶6及轴承安装区2；

9、其中，底板1上表面加工有导向槽和垫块接口；

10、轴承安装区2中被动转轴为可更换零件，当进行止推轴承试验时，被动转轴有一组径向静压气体或油轴承支承；

11、转轴3和被动转轴采用柔性联轴器联接；

12、叶片转向机构7为电驱动执行器，用于调整静叶6角度，从而调整涡轮流通特性。叶轮由轻质耐高温材料制作而成。

13、可选的，气路系统包括空压机8、空压机调节器9、空气加热器10、温度调节器11、气流管路12、放气阀13、分流阀14、背压阀15；

14、沿着气体流向，气路系统布局依次为空压机8、空气加热器10、气流管路12，气体进入主轴试验台体完成做功排出；

15、气路系统的元件之间通过管路和法兰实现机械联接；其中，空压机调节器9、温度调节器11分别安装在空压机8、空气加热器10本体上，放气阀13、分流阀14安装在空气加热器10进口前管路上，背压阀15安装在主轴试验台体出口管路上；

16、其中，空压机调节器9用于调节空压机8的出口压力；温度调节器11用于调节空气加热器10出口温度；

17、放气阀13用于调节进入气流管路12的气体流量；

18、分流阀14用于调节气流管路12中冷气、热气的混合比例，当工作在两个极限位置时，分别对应只有冷气或热气，不经混合直接进入静叶6；被压阀15用于调节涡轮叶片4出口的通流面积，改变背压；

19、其中，空压机调节器9、温度调节器11以及以及放气阀13、分流阀14、背压阀15实现电信号远程控制开度；空气加热器10选用化学燃烧方式；气流管路12和被压阀15承受试验设定温度，并具备预设的安全余量。

20、可选的，测控系统包括传感器16、转速控制器17及调节控制器18，三者通过通信线路联接；

21、其中，传感器16包括转速传感器、压力传感器、温度传感器及流量传感器，传感器实现电信号远程输出；调节控制器18根据元件状态量生成控制电信号并发送。

22、本技术还提供一种气体驱动的空气轴承高速主轴试验方法，方法包括：

23、步骤1，转速控制器17根据转速n设定值和传感器采集值，运行控制策略，确定所需的气体参数；其中气体参数包括气体压力p、气体流量g、气体温度t、涡轮叶片出口的被压pa，当转速变化小于设定阈值时，优先改变p、g，转速变化范围小于设定阈值时，则改变t、pa；

24、步骤2，是转速控制器17再根据p、g、t、pa和气路元件特性，确定空压机调节器9的状态参数k1、温度调节器11的状态参数k2、静叶角度α、放气阀13、分流阀14、背压阀15的开度k3、k4、k5，并向调节控制器18下达指令；

25、步骤3，调节控制器18根据转速控制器17下达的指令和各调节元件特性，确定空压机调节器9的电信号i1、温度调节器11的电信号i2、转向执行机构电信号iα以及放气阀13、分流阀14、背压阀15的电信号i3、i4、i5，并根据采集得到的各调节元件状态参数，实现闭环控制。

26、可选的，气体参数通过以下方法确定：

27、转速变化量与涡轮功的关系见式(1)涡轮功与气体流量、温度、压力的关系见式(2)；涡轮通流特性取决于静叶6和涡轮叶轮4共同确定的等效通流面积，当入口流量增大时，可提高涡轮功，但通流面积决定了流量上限，因此，通过调节静叶角度提高上限，静叶通流面积与涡轮流量的关系见式(3)；

28、c(l-lload)/n＝m2δn    (1)

29、式中：δn为δt时间内的转速变化量，l、lload为δt时间内涡轮功及负载功，c为与涡轮功及扭矩转换效率相关的常值参数，m为转动体总的转动惯量，n为当前转速；

30、

31、式中：g为涡轮流量，k为比热比、r为气体常数、t为气体温度，p、pa分别为涡轮叶片进出口压力；

32、

33、式中：fs、fd分别为静叶、涡轮叶片的当量出口截面积，ρ为气体密度，为与进出口压力p、pa相关量；

34、

35、本技术采用高压气体驱动涡轮的高速主轴系统，可使转子转速达到十万转甚至几十万转以上，解决了电机驱动主轴的转速限制；

36、以涡轮入口流量、涡轮通流面积和入口气体温度三因素分段调节方法及闭环调节控制，实现转速的大范围稳定可调，可满足开展各种规格空气轴承启停、起飞、额定工况运行等一系列性能测试；

37、采用低惯量涡轮叶轮及转子结构，并通过闭环控制实现主轴启动及调节的快速响应，避免非考核转速区间对试验结果的影响。