CN102121875B - 气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台 - Google Patents

Abstract

本发明一种气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，涉及超高速旋转机械加载技术；主要基于超高速气体轴承支承模块，一体化基础支撑结构，迷宫-气膜联合密封结构，静、动态加载机构和转子系统等关键技术；包括径向气体轴承、止推气体轴承、径向-止推联合气体轴承、轴承拆卸工装、一体化机匣、凸台、盖板、密封支架、迷宫密封环、气膜密封环、主支撑架、激振器、可调简支梁、非连续变截面简支梁、简支梁加载调整螺栓、加载弹簧、力-频率传感器、可倾瓦加载轴承、蜗壳、驱动涡轮、止推盘、转轴等；本发明结构简单、拆装方便，可靠性高、综合性强，能够确保实验台各气体轴承处于完全对中状态，静态加载力稳定可靠，动态加载力大小、频率可控。

Description

气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台

技术领域

本发明涉及超高速旋转机械加载技术，用于研究各种超高速旋转机械支承轴承静、动态特性的实验台。

背景技术

旋转机械在国民经济的各个领域具有重要的应用，旋转机械支承的核心部件是轴承。目前常用的轴承类型有油润滑滑动轴承、滚动轴承、陶瓷轴承、电磁轴承、气体轴承等。气体轴承是20世纪中期迅速发展起来的一项高科技产品，它与传统的滚动轴承或油质滑动轴承相比，具有高转速、高精度、低功耗、无污染、寿命长、环境适应性强等优点。因此广泛应用于国防、能源、机床及医疗等行业，尤其是在超高速旋转机械和超精密仪器技术领域更有明显的优越性。

气体轴承-转子系统的性能是关系到超高速旋转机械静、动态性能，可靠性、稳定性和寿命等核心品质的关键因素。因此对气体轴承-转子系统开展实验研究工作是超高速旋转机械发展的必经步骤之一。超高速旋转机械实验研究的主要目的是测试气体轴承的静、动态特性，即气体轴承的静态刚度、动态刚度、阻尼等。由于气体轴承摩擦功耗极低，因此其阻尼较小，因此主要关心气体轴承静、动态刚度指标。

对于气体轴承静、动态刚度进行测试的实验台，一般需要满足以下几个条件：

(1)静态加载力稳定，容易控制。静态加载需要在转子高速运行下进行施加，且静态加载力本身需要稳定，容易控制和实现。

(2)动态加载力的大小和频率可变。动态加载需要在转子高速运行下进行施加，动态加载力的大小、频率可变，且具有一定的调频范围；气体轴承的动态刚度是衡量气体轴承性能的最重要参数；气体轴承在动态激振下的测试的刚度才是气体轴承的动态刚度，且气体轴承的动态刚度随动态加载的频率变化而变化。动态刚度和静态刚度相差很大。

(3)保证实验台各气体轴承处于完全对中状态。由于气体轴承工作间隙在20-50um之间，如果实验台设计不当，就会导致实验台加工和安装过程中径向同轴度、径向平行度出现较大误差，直接导致了气体轴承偏心率与实际情况不符，而气体轴承刚度与偏心率呈非线性关系，因此实验台设计的对中状态(包括轴向平行度、径向平行度，下同)严重影响气体轴承刚度测试的精度，严重影响气体轴承-转子系统的动力学特性。

(4)实验台本身结构简洁、拆装方便、可重复性好。由于实验台的气体轴承是实验对象，它们工作在高转速和各种变工况下，也是易损部件，在试验过程中，需要经常更换不同参数的实验对象即气体轴承；因此，实验台还需要具有结构简洁，拆装方便，方便更换实验轴承、损坏的轴承，各种状态具有可对比性、可重复性等苛刻要求。

目前对于各种轴承，尤其是超高速气体轴承进行测试的实验台均不具备以上特点。其功能、精度等存在较大问题。

专利申请：

径向动静压气体轴承实验台，申请号：200820028010.6，见图1所示，其主要内容如下：它由底座1、测试轴承2、测试主轴3、支杆4、导向套5、调力螺杆6、拉力传感器7、拉力弹簧8、加载轴承9、支架10、支座11构成。该实验台在测试气体轴承静态特性、保证静态加载力均匀方面，具有较高的实用性，但存在以下3个主要问题：

(1)无法实现轴承的动态加载，即动态加载力的频率无法改变。因此无法获得气体轴承的动态刚度性能。该性能是气体轴承最重要的评价参数。

(2)实验台的两个对称布置的加载轴承(原文编号9)和一个测试轴承(原文编号2)分别位于三个不同的轴承座(轴承的支撑装置)上，且加载轴承和测试轴承结构不尽相同，这就导致三个轴承的轴心难以保证要求的同轴度，即加工和安装过程中，均难以实现要求的同轴度。气体轴承气膜间隙即偏心一般在20-50um之间，因此实验台的三个气体轴承的偏心无法保证在要求的精度范围内，而气体轴承的偏心直接影响到气体轴承的刚度，气体轴承的刚度测量结果存在较大误差。

(3)当实验台轴承出现问题或由于其他原因需要更换时，无法保证原来的状态，实验台可重复性较差。

专利申请：轴承加载装置，申请号：200620041080.6，见图2所示，其主要内容如下：它由压圈1、挡圈2、支撑圈3、加载螺钉4、加载力传感器5组成；主要采用滚珠轴承加载，决定了其适用场合为低速、短寿命，且无法对实验轴承进行动态加载，即不能改变加载的频率。因此，该发明不适用于气体轴承支承的超高速旋转机械，且无法实现动态加载。

发明内容

本发明克服了上述轴承加载实验台的不足，提出气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台。该实验台具有以下特点：

(1)静态加载力大小稳定、可变，容易控制，且可以在转子高速运行下加载(通常大于7万转/分)。

(2)可以实现转子在各转速下运行时的动态加载，动态加载力的大小和频率可变，具有一定的调频范围。

(3)保证实验台各气体轴承处于完全对中状态。

(4)实验台本身结构简洁、拆装方便、可重复性强。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，包括超高速气体轴承支承模块，一体化基础支撑结构，迷宫-气膜联合密封结构，静、动态加载机构和转子系统五个部分。

超高速气体轴承支承模块包括径向气体轴承、止推气体轴承和径向-止推联合气体轴承；径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承作为被测量轴承。

一体化基础支撑结构包括一体化机匣、凸台和盖板，一体化机匣为圆筒形，中间设置凸台，一体化机匣中间开设方孔，用于安放可倾瓦加载轴承，一体化机匣上还在止推气体轴承附近开设两个通孔，用于安放传感器探头；径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承的轴向同轴度通过这两个轴承的外表面和一体化机匣的内表面实现；径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承的径向平行度通过这两个轴承侧壁和凸台两侧面的平行度来实现；一体化基础支撑结构由于结构简单、加工精度容易保证，因此可靠性高，工作稳定，可重复性好。

迷宫-气膜联合密封结构包括密封支架、迷宫密封环和气膜密封环，迷宫密封环内表面开设迷宫槽，气膜密封环内表面开设泵槽，气膜密封采用经降压后的外界高压气体供气，转轴旋转时在转轴和气膜密封环之间形成气膜，泵槽开设方向是实现该气膜的气体由气膜密封环出口流向迷宫密封环出口；迷宫-气膜联合密封结构的密封原理是通过迷宫密封环降低大部分气体压力，再通过气膜密封环隔绝迷宫密封出口的气体向气膜密封方向扩散。

静、动态加载机构包括主支撑架、激振器、可调简支梁、简支梁加载调整螺栓、加载弹簧、力-频率传感器、可倾瓦加载轴承；可调简支梁为一个矩形块，其厚度为2-5mm，其两端开有连接孔，可调简支梁中间处上下平面上焊接两个圆柱体；可倾瓦加载轴承主要由耐磨合金、支承体、供气孔、供气通道和密封橡胶圈组成，为3瓦块可倾瓦气体轴承或者4瓦块可倾瓦气体轴承中的一个瓦块，可倾瓦加载轴承可以绕密封橡胶圈弹性支点360°动态摆动，即通过可以摆动的瓦块来动态微调加载力的方向，保证加载力的方向通过轴心，使加载力稳定、可靠；静、动态加载机构的作用原理是通过激振器调节加载频率，通过可调简支梁、加载弹簧调节加载力的大小，采用弯曲简支梁和弹簧的耦合刚度作用，实现加载力的稳定可靠输出，力-频率传感器实现加载力大小、频率的测量，可倾瓦加载轴承使加载力稳定、可靠地施加到转轴上，转轴再将加载力的大小、频率传递给被测量轴承。

转子系统包括蜗壳、驱动涡轮、止推盘和转轴，转轴和止推盘是一体结构，止推盘位于转轴1/5位置处，转轴上对应迷宫密封环位置开设迷宫槽，转轴和止推盘交界处圆周上开设2-8个对称布置的导流孔；涡轮通过蜗壳诱导的气体驱动转子系统的转轴，导流孔用于平衡止推盘两侧的气体压力，使转轴轴向运动更为稳定。

气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台各个部分、各个部件之间的连接关系为：

转子系统通过超高速气体轴承支承模块支承、通过迷宫-气膜联合密封结构实现密封，超高速气体轴承支承模块、迷宫-气膜联合密封结构安装固定到一体化基础支撑结构之上，静、动态加载机构和一体化基础支撑结构连接，实现实验台的加载功能。

止推盘两侧的转轴上分别放置径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承，转轴上没有止推盘的一端放置径向气体轴承；径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承和径向气体轴承放置于一体化机匣中，径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承的外圆表面和一体化机匣的内表面贴合，径向气体轴承的一个侧壁、止推气体轴承的一个侧壁分别和凸台的两个侧壁贴合；一体化机匣右侧安装盖板，一体化机匣左侧安装密封支架，径向-止推联合气体轴承左侧安装气膜密封环，气膜密封环左侧安装迷宫密封环，迷宫密封环和气膜密封环的外圆表面和密封支架内表面贴合；转轴的端部安装涡轮，涡轮外部安装蜗壳；主支撑架的下方用于固定一体化机匣，上部横梁上安装激振器，两个侧壁上通过简支梁加载调整螺栓固定和调节可调简支梁，可调简支梁向下弯曲压紧加载弹簧，压紧弹簧下端连接力-频率传感器，力-频率传感器下端连接可倾瓦加载轴承，可倾瓦加载轴承穿过一体化机匣上开设的方孔放置于转轴上方，位于径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承中间位置；

涡轮、蜗壳、密封支架、迷宫密封环、气膜密封环、一体化机匣、径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承、径向气体轴承、凸台、挡板、可倾瓦加载轴承和转轴同轴；可倾瓦加载轴承和转轴的间隙在15-100um，径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承与止推盘之间的轴向间隙均为50um，径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承与转轴径向间隙均为20-60um；

所述的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，其所述的超高速气体轴承支承设有轴承拆卸工装，用于止推气体轴承和径向气体轴承的拆卸；轴承拆卸工装由螺杆、调整螺母、定位盘、开合爪、开合爪转轴、开合爪固定盘组成；螺杆上攻有螺纹，其一端安装开合爪固定盘，开合爪固定盘上开设开合爪方槽并安装开合爪转轴，开合爪安装在开合爪转轴上，螺杆另一端穿上定位盘，旋转调整螺母，可以使定位盘沿轴向移动；开合爪有2-6个，与开合爪转轴连接的一端为半圆结构，在螺杆转动时开合爪可以自动张开。其工作原理是：闭合开合爪，将轴承拆卸工装的开合爪经由被拆卸轴承的内表面穿到被拆卸轴承的内侧，转动螺杆使开合爪张开，拉出螺杆使开合爪扣住被拆卸轴承内侧壁面，通过调整螺母将定位盘压向一体化机匣，开合爪便可将被拆卸轴承拉出。

所述的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，其所述的可调简支梁，还可以采用非连续变截面简支梁代替；非连续变截面简支梁由矩形体、凹槽、连接孔、圆柱体组成；矩形体的两端各开有一个凹槽，凹槽长度与矩形体长度的比为1∶10至1∶20，矩形体两个截面的高度比为10∶1到4∶1；矩形体两端开有连接孔，矩形体中间处上下平面上焊接两个圆柱体，用于连接激振器和加载弹簧；非连续变截面简支梁通过调节两端的支承力，获得欧拉压杆的效果，该非连续变截面简支梁和下方安装的加载弹簧一起构成低频支承系统，使静、动态加载机构的整体固有频率降低至5Hz以下，从而避开了激振器频率和静、动态加载机构固有频率的相接近时带来的共振问题，使动态加载更为稳定，测量结果更为精确。

本发明的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，优点在于：

(1)实验台结构简洁、精巧，通过一体化基础支撑结构保证了径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承3个轴承的轴向同轴度、径向平行度。采用轴承拆卸工装方便了实验台的拆卸、安装，并有效保证了实验台的可重复性。

(2)采用静、动态加载机构实现了静态加载力大小的稳定、可靠变化，并实现了动态加载力大小、频率的可控、可调节，通过可倾瓦加载轴承实现了加载力动态穿过和跟踪转轴的轴心；当静、动态加载机构固有频率和激振器频率比较接近时，还可以通过非连续变截面简支梁降低静、动态加载机构的固有频率至5Hz以内。

(3)通过迷宫-气膜联合密封结构，实现了对驱动涡轮工作气体和各个气体轴承工作气体或者大气之间的隔绝，这对于气体介质为易燃易爆气体、有毒气体、易产生化学反应气体、高温气体、低温气体等时，密封效果更加显著。

附图说明

图1是对比专利“径向动静压气体轴承实验台”结构示意图。

图2是对比专利“轴承加载装置”结构示意图。

图3是气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台主截面示意图。

图4是可倾瓦加载轴承结构示意图。

图5是轴承拆卸工装结构示意图。

图6是非连续变截面简支梁结构示意图。

图中：

01蜗壳；02驱动涡轮；03密封支架；04迷宫密封环；05气膜密封环；06止推盘；07转轴；08一体化机匣；09凸台；010主支撑架；011盖板；012径向气体轴承；013简支梁加载调整螺栓；014可倾瓦加载轴承；015力-频率传感器；016加载弹簧；017激振器；018可调简支梁；019止推气体轴承；020径向-止推联合气体轴承。

014-1至014-5为可倾瓦加载轴承的结构组成部件，其中：014-1耐磨合金；014-2支承体；014-3供气孔；014-4供气通道；014-5密封橡胶圈。

018-1至018-4为非连续变截面简支梁结构组成部件，其中：018-1矩形体；018-2凹槽；018-3连接孔；018-4圆柱体。

021-1至021-5为轴承拆卸工装结构组成部件，其中：021-1螺杆；021-2调整螺母；021-3定位盘；021-4开合爪；021-5开合爪转轴；021-6开合爪固定盘。

具体实施方式

图3是本发明的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台结构示意图；图4是可倾瓦加载轴承结构示意图；图5是轴承拆卸工装结构示意图。如图所示，本发明的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台由蜗壳01、驱动涡轮02、密封支架03、迷宫密封环04、气膜密封环05、止推盘06、转轴07、一体化机匣08、凸台09、主支撑架010、盖板011、径向气体轴承012、简支梁加载调整螺栓013、可倾瓦加载轴承014、力-频率传感器015、加载弹簧016、激振器017、可调简支梁018、止推气体轴承019、径向-止推联合气体轴承020、轴承拆卸工装021等组成；其中，可倾瓦加载轴承014由耐磨合金014-1、支承体014-2、供气孔014-3、供气通道014-4、密封橡胶圈014-5等组成；轴承拆卸工装021由螺杆021-1、调整螺母021-2、定位盘021-3、开合爪021-4、开合爪转轴021-5、开合爪固定盘021-6等组成；可调简支梁018还可以更换为非连续变截面简支梁，非连续变截面简支梁由矩形体018-1；凹槽018-2；连接孔018-3；圆柱体018-4组成。

在实验台安装过程中，先将一体化机匣08安装于主支撑架010之上，然后安装径向气体轴承012、止推气体轴承019；安装转轴07，调整轴向位置；径向-止推联合气体轴承的一个侧壁、止推气体轴承的一个侧壁分别和凸台的两个侧壁贴合；将密封支架03安装到一体化机匣08上，之后分别安装气膜密封环05、迷宫密封环04；在转轴07上安装驱动涡轮02，在密封支架03上安装蜗壳01；在一体化机匣08一端安装盖板011；在主支撑架010之上分别安装激振器017、可调简支梁018，并调整垂向位置；在可调简支梁018下方安装加载弹簧016、力-频率传感器015、可倾瓦加载轴承014，并调整可调简支梁018两端的简支梁加载调整螺栓013，达到合适的激振力；之后将可倾瓦加载轴承014的供气通道、径向气体轴承012、止推气体轴承019、径向-止推联合气体轴承020、蜗壳01的供气软管分别连接到气源上，气膜密封环05供气软管通过减压阀降压后连接到起源上，即完成了整个实验台的安装。

在进行轴承动态加载实验时，先给可倾瓦加载轴承014供气，使得转轴和可倾瓦加载轴承014悬浮，调整可调简支梁018两端的简支梁加载调整螺栓013，通过力-频率传感器015获得加载力的大小，直至达到要求为止；然后调整激振器017激振头和调整可调简支梁018上表面的距离，并调整激振器017的频率，达到要求后即可进行测量。

在拆卸实验台时，按照上述相反的顺序，在拆卸径向-止推联合气体轴承020时，需要沿轴向轻轻敲击转轴07的尾端(非涡轮安装的一端)，将径向-止推联合气体轴承020顶出；之后可以将转轴07取出；在拆卸止推气体轴承019和径向气体轴承012时，需要使用轴承拆卸工装021，即：闭合开合爪021-4，将其经由被拆卸轴承的内表面穿到被拆卸轴承的内侧，转动螺杆021-1使开合爪021-4张开，拉出螺杆021-1使开合爪021-4扣住被拆卸轴承内侧壁面，通过调整螺母021-2将定位盘021-3压向一体化机匣08，开合爪021-4便可将被拆卸轴承拉出。

Claims (3)

1.气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，包括超高速气体轴承支承模块，一体化基础支撑结构，迷宫-气膜联合密封结构，静、动态加载机构和转子系统五个部分；其特征在于：

超高速气体轴承支承模块包括径向气体轴承、止推气体轴承和径向-止推联合气体轴承；径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承作为被测量轴承；

一体化基础支撑结构包括一体化机匣、凸台和盖板，一体化机匣为圆筒形，中间设置凸台，一体化机匣中间开设用于安放可倾瓦加载轴承的方孔，一体化机匣上还在止推气体轴承附近开设两个用于安放传感器探头的通孔；

迷宫-气膜联合密封结构包括密封支架、迷宫密封环和气膜密封环，迷宫密封环内表面开设迷宫槽，气膜密封环内表面开设泵槽，气膜密封采用经降压后的外界高压气体供气，转轴旋转时在转轴和气膜密封环之间形成气膜，泵槽开设方向是实现该气膜的气体由气膜密封环出口流向迷宫密封环出口；

静、动态加载机构包括主支撑架、激振器、可调简支梁、简支梁加载调整螺栓、加载弹簧、力-频率传感器、可倾瓦加载轴承；可调简支梁为一个矩形块，其厚度为2-5mm，其两端开有连接孔，可调简支梁中间处上下平面上焊接两个圆柱体；可倾瓦加载轴承主要由耐磨合金、支承体、供气孔、供气通道和密封橡胶圈组成，为3瓦块可倾瓦气体轴承或者4瓦块可倾瓦气体轴承中的一个瓦块，可倾瓦加载轴承绕密封橡胶圈弹性支点360°动态摆动；

转子系统包括蜗壳、驱动涡轮、止推盘和转轴，转轴和止推盘是一体结构，止推盘位于转轴1/5位置处，转轴上对应迷宫密封环位置开设迷宫槽，转轴和止推盘交界处圆周上开设2-8个对称布置的导流孔；

气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台各部件之间的连接关系如下：

转子系统通过超高速气体轴承支承模块支承、通过迷宫-气膜联合密封结构实现密封，超高速气体轴承支承模块、迷宫-气膜联合密封结构安装固定到一体化基础支撑结构之上，静、动态加载机构和一体化基础支撑结构连接，实现实验台的加载功能；

止推盘两侧的转轴上分别放置径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承，转轴上没有止推盘的一端放置径向气体轴承；径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承和径向气体轴承放置于一体化机匣中，径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承的外圆表面和一体化机匣的内表面贴合，径向气体轴承的一个侧壁、止推气体轴承的一个侧壁分别和凸台的两个侧壁贴合；一体化机匣右侧安装盖板，一体化机匣左侧安装密封支架，径向-止推联合气体轴承左侧安装气膜密封环，气膜密封环左侧安装迷宫密封环，迷宫密封环和气膜密封环的外圆表面和密封支架内表面贴合；转轴的端部安装涡轮，涡轮外部安装蜗壳；主支撑架的下方用于固定一体化机匣，上部横梁上安装激振器，两个侧壁上通过简支梁加载调整螺栓固定和调节可调简支梁，可调简支梁向下弯曲压紧加载弹簧，加载弹簧下端连接力-频率传感器，力-频率传感器下端连接可倾瓦加载轴承，可倾瓦加载轴承穿过一体化机匣上开设的方孔放置于转轴上方，位于径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承中间位置；

涡轮、蜗壳、密封支架、迷宫密封环、气膜密封环、一体化机匣、径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承、径向气体轴承、凸台、盖板、可倾瓦加载轴承和转轴同轴；可倾瓦加载轴承和转轴的间隙在15-100um，径向-止推联合气体轴承、止推气体轴承与止推盘之间的轴向间隙均为50um，径向气体轴承、径向-止推联合气体轴承与转轴径向间隙均为20-60um。

2.如权利要求1所述的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，其特征还在于，超高速气体轴承支承模块设有轴承拆卸工装，该轴承拆卸工装由螺杆、调整螺母、定位盘、开合爪、开合爪转轴、开合爪固定盘组成；螺杆上攻有螺纹，其一端安装开合爪固定盘，开合爪固定盘上开设开合爪方槽并安装开合爪转轴，开合爪安装在开合爪转轴上；螺杆另一端穿上定位盘，旋转调整螺母，使定位盘沿轴向移动；开合爪有2-6个，与开合爪转轴连接的一端为半圆结构，在螺杆转动时开合爪自动张开。

3.如权利要求1所述的气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台，其特征还在于，其所述的可调简支梁，采用非连续变截面简支梁代替；非连续变截面简支梁由矩形体、凹槽、连接孔、圆柱体组成；矩形体的两端各开有一个阶梯形凹槽，凹槽长度与矩形体长度的比为1∶10至1∶20，矩形体两个截面的高度比为10∶1到4∶1；矩形体两端开有连接孔，矩形体中间处上下平面上焊接两个圆柱体；非连续变截面简支梁通过调节两端的支承力，获得欧拉压杆的效果，该非连续变截面简支梁和下方安装的加载弹簧一起构成低频支承系统。

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