本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性模擬實驗系統(tǒng)，特別是一種多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置。

背景技術(shù)：

近年來，在航空航天、車載艦船和分布式能源等領(lǐng)域的渦輪動力系統(tǒng)中，普遍存在以提高軸系運行轉(zhuǎn)速為核心，使動力裝置逐步向高轉(zhuǎn)速、高功率比、高推重比和微型化、集成化、功能化、智能化方向發(fā)展的趨勢。隨著軸系轉(zhuǎn)速的不斷提高，系統(tǒng)的輕結(jié)構(gòu)、大柔性特征逐漸凸顯，使得轉(zhuǎn)子更容易出現(xiàn)非線性運動耦合失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，如何揭示轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)響應(yīng)機(jī)理和有效地控制軸系的非線性振動成為制約高速柔性軸系及其動力裝置發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)的典型軸系結(jié)構(gòu)之一為氣體軸承支承的單跨永磁柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其典型特點是采用氣體軸承支承，在超臨界、強磁場耦合、多變機(jī)動狀態(tài)、多振源干擾下運行，因此其動力學(xué)問題特別復(fù)雜與突出，尤其是在采用氣體軸承實現(xiàn)轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速運行時，轉(zhuǎn)軸的渦動和柔性變形與軸承、磁場耦合效應(yīng)、多變機(jī)動工況效應(yīng)會使系統(tǒng)的動力學(xué)行為與穩(wěn)定性變得異常復(fù)雜。因此有必要結(jié)合微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計一種多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置，為多場耦合作用下轉(zhuǎn)子的動力學(xué)理論計算提供較好的參考數(shù)據(jù)及實驗支撐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是針對微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的結(jié)構(gòu)特點，提供一種多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置，對轉(zhuǎn)子在氣體軸承支承作用下、氣-彈耦合作用下、氣-彈-磁多場耦合作用下、多種激勵力作用下、多變機(jī)動狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性的模擬，從而為微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)仿真計算提供實驗參考依據(jù)。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置，包括：軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺本體單元、非線性振動測試單元、激振裝置、橡膠隔振器主動控制裝置和控制分析單元；所述軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺本體單元，用于安裝永磁轉(zhuǎn)子；所述激振裝置，用于提供激振力；所述橡膠隔振器主動控制裝置，用于模擬實驗裝置的可變機(jī)動狀態(tài)；所述非線性振動測試單元，用于檢測永磁轉(zhuǎn)子的參數(shù)；所述控制分析單元，用于分析轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺本體單元包括：實驗臺基座、轉(zhuǎn)子底座、第一氣體軸承座第二氣體軸承座、定子線圈座定子線圈、氣體徑向-止推聯(lián)合軸承、氣體止推軸承、氣體徑向軸承、驅(qū)動葉輪、蝸殼和中間體；所述轉(zhuǎn)子底座安裝于所述實驗臺基座上，所述轉(zhuǎn)子底座上安裝有所述第一氣體軸承座、第二氣體軸承座和定子線圈座；所述氣體徑向-止推聯(lián)合軸承、氣體止推軸承安裝于所述第一氣體軸承座，所述氣體徑向軸承安裝于所述第二氣體軸承座，所述定子線圈固定在所述定子線圈座；所述永磁轉(zhuǎn)子貫穿定子線圈座，與所述定子線圈組成發(fā)電機(jī)，永磁轉(zhuǎn)子安裝于氣體徑向-止推聯(lián)合軸承和氣體徑向軸承，并安裝于氣體止推軸承，其一端安裝驅(qū)動葉輪，蝸殼通過中間體固定在第一氣體軸承座上。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述橡膠隔振器主動控制裝置包括：橡膠隔振器和主動控制器；所述實驗臺基座通過橡膠隔振器支撐于地面，所述橡膠隔振器連接主動控制器，所述主動控制器連接控制分析單元，所述主動控制器控制橡膠隔振器的剛度及阻尼特性。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述非線性振動測試單元包括：電渦流位移傳感器、加速度傳感器、激光轉(zhuǎn)速傳感器和振動采集儀；兩個電渦流位移傳感器成對布置于第一氣體軸承座一側(cè)，兩個電渦流位移傳感器成對布置于第二氣體軸承座一側(cè)，用于測量永磁轉(zhuǎn)子的水平方向和垂直方向的動力學(xué)響應(yīng)；兩個加速度傳感器分別黏貼在第一氣體軸承座和第二氣體軸承座上，用于測量永磁轉(zhuǎn)子的加速度；激光轉(zhuǎn)速傳感器布置于第二氣體軸承座一側(cè)，用于測量永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度；電渦流位移傳感器、加速度傳感器、激光轉(zhuǎn)速傳感器連接振動采集儀，振動采集儀連接控制分析單元。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述激振裝置包括：激振器、載荷單元和力傳感器；激振器通過載荷單元作用在第二氣體軸承座上。

在本發(fā)明的一些實施例中，還包括30kw負(fù)載箱，通過電纜連接發(fā)電機(jī)，30kw負(fù)載箱連接控制分析單元。

在本發(fā)明的一些實施例中，橡膠隔振器的數(shù)量為至少四個。

在本發(fā)明的一些實施例中，電渦流位移傳感器的數(shù)量為至少四個；加速度傳感器的數(shù)量為至少兩個；激光轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)量為至少一個。

在本發(fā)明的一些實施例中，力傳感器為電阻應(yīng)變式壓力傳感器。

在本發(fā)明的一些實施例中，控制分析單元為計算機(jī)。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明能夠模擬轉(zhuǎn)子在氣體軸承支承作用下、氣-彈耦合作用下、氣-彈-磁多場耦合作用下、多種激勵力作用下、多變機(jī)動狀態(tài)下的非線性動力學(xué)行為，能夠為微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)仿真計算提供實驗參考依據(jù)。

(2)本發(fā)明在結(jié)構(gòu)和功能上具有可拓展性，能夠為更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性研究模擬實驗裝置提供可借鑒的思路。

(3)本發(fā)明在動力學(xué)特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸承支承三個方向與微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似度較高，能夠模擬轉(zhuǎn)子在多場耦合作用下的動力學(xué)特性，原理清晰，避免了因形式差異造成的實驗結(jié)果的實效，且易于實現(xiàn)，重復(fù)性和可操作性好，為微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性研究提供了可靠的保障。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置的軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺本體單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是激振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【符號說明】

1-實驗臺基座；2-轉(zhuǎn)子底座；3-第一氣體軸承座；4-第二氣體軸承座；5-定子線圈座；6-永磁轉(zhuǎn)子；7-定子線圈；8-氣體徑向-止推聯(lián)合軸承；9-氣體止推軸承；10-氣體徑向軸承；11-驅(qū)動葉輪；12-蝸殼；13-中間體；14-橡膠隔振器；15-緊固螺栓；16-激振器；17-載荷單元；18-力傳感器；19-主動控制器；20-振動采集儀；21-電渦流位移傳感器；22-加速度傳感器；23-激光轉(zhuǎn)速傳感器；24-計算機(jī)；25-30kw負(fù)載箱。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明實施例的多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置，包括：軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺本體單元、非線性振動測試單元、激振裝置、橡膠隔振器主動控制裝置。

如圖1所示，軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺本體單元包括：實驗臺基座1、轉(zhuǎn)子底座2、第一氣體軸承座3、第二氣體軸承座4、定子線圈座5、定子線圈7、氣體徑向-止推聯(lián)合軸承8、氣體止推軸承9、氣體徑向軸承10、驅(qū)動葉輪11、蝸殼12和中間體13。

實驗臺基座1上安裝轉(zhuǎn)子底座2，轉(zhuǎn)子底座2上安裝有第一氣體軸承座3和第二氣體軸承座4、定子線圈座5，定子線圈座5位于第一氣體軸承座3和第二氣體軸承座4之間，第一氣體軸承座3和第二氣體軸承座4用緊固螺栓15固定在轉(zhuǎn)子底座2上，定子線圈座5通過緊固螺栓15與轉(zhuǎn)子底座2連接。

氣體徑向-止推聯(lián)合軸承8、氣體止推軸承9安裝于第一氣體軸承座3，氣體徑向軸承10安裝于第二氣體軸承座4，定子線圈7固定在定子線圈座5。

實驗裝置的測試對象為永磁轉(zhuǎn)子6，永磁轉(zhuǎn)子6貫穿定子線圈座5，與定子線圈7組成發(fā)電機(jī)，永磁轉(zhuǎn)子6安裝于氣體徑向-止推聯(lián)合軸承8和氣體徑向軸承10，并同時安裝于氣體止推軸承9。永磁轉(zhuǎn)子6一端安裝驅(qū)動葉輪11，蝸殼12通過中間體13固定在第一氣體軸承座3上，驅(qū)動葉輪11位于蝸殼12中。

同時參見圖2，橡膠隔振器主動控制裝置包括橡膠隔振器14和主動控制器19，實驗臺基座1通過橡膠隔振器14支撐于地面，橡膠隔振器14通過導(dǎo)線連接主動控制器19，主動控制器19通過導(dǎo)線連接計算機(jī)24。主動控制器19控制橡膠隔振器14的剛度及阻尼特性，用于模擬實驗裝置的可變機(jī)動狀態(tài)。在本實施例中，包括四個或以上的橡膠隔振器14，由對應(yīng)數(shù)量的主動控制器19分別控制。

非線性振動測試單元包括電渦流位移傳感器21、加速度傳感器22、激光轉(zhuǎn)速傳感器23和振動采集儀20。

兩個電渦流位移傳感器21通過傳感器支架成對布置于第一氣體軸承座3的一側(cè)，另兩個電渦流位移傳感器21通過傳感器支架成對布置于第二氣體軸承座4的一側(cè)，用以測量氣體軸承附近處永磁轉(zhuǎn)子的水平方向和垂直方向的動力學(xué)響應(yīng)。兩個加速度傳感器22分別黏貼在第一氣體軸承座3和第二氣體軸承座4上，用以測量永磁轉(zhuǎn)子的加速度。激光轉(zhuǎn)速傳感器23通過傳感器支架布置于第二氣體軸承座4的一側(cè)，用以測量永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。電渦流位移傳感器21、加速度傳感器22、激光轉(zhuǎn)速傳感器23通過導(dǎo)線連接到八通道振動采集儀20，振動采集儀20通過導(dǎo)線連接到計算機(jī)24。

在其他示例中，電渦流位移傳感器21的數(shù)量可以多于四個，加速度傳感器22的數(shù)量可以多于兩個，激光轉(zhuǎn)速傳感器23的數(shù)量可以多于一個，振動采集儀20的通道數(shù)可以多于八個。

激振裝置包括激振器16、載荷單元17及其力傳感器18。激振裝置能夠提供正弦激勵、脈沖激勵、固定激勵等多種類型的激振力，用以模擬基礎(chǔ)激勵特性。

如圖3所示，激振器16通過載荷單元17作用在第二氣體軸承座4上，并通過力傳感器18測量所施加載荷的特性。力傳感器18優(yōu)選為電阻應(yīng)變式壓力傳感器，采用鋁合金材料。

在本實施例中，實驗裝置還包括30kw負(fù)載箱25，通過電纜連接發(fā)電機(jī)，30kw負(fù)載箱25連接計算機(jī)24，在計算機(jī)24的控制下，模擬不同負(fù)載、不同磁場特性下轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性。當(dāng)實驗裝置不接入負(fù)載時，其可以模擬氣-彈作用下永磁轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性。

在本實施例中，氣體徑向-止推聯(lián)合軸承8、氣體止推軸承9及氣體徑向軸承10可更換為不同結(jié)構(gòu)形式的氣體軸承，用以模擬不同軸承支承參數(shù)對轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的影響。

本實施例的多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置，工作時，將永磁轉(zhuǎn)子6貫穿定子線圈座5，并安裝于氣體徑向-止推聯(lián)合軸承8、氣體徑向軸承10和氣體止推軸承9，永磁轉(zhuǎn)子一端安裝驅(qū)動葉輪11。驅(qū)動葉輪11被高壓氣體驅(qū)動，帶動同軸的永磁轉(zhuǎn)子6旋轉(zhuǎn)。主動控制器19控制橡膠隔振器14的剛度及阻尼特性，激振裝置提供激振力。電渦流位移傳感器21將檢測的永磁轉(zhuǎn)子的水平方向和垂直方向的動力學(xué)響應(yīng)、激光轉(zhuǎn)速傳感器23將檢測的永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、加速度傳感器22將檢測的永磁轉(zhuǎn)子加速度傳輸給振動采集儀20，振動采集儀20對上述信號采集處理后發(fā)送至計算機(jī)24，計算機(jī)24作為控制分析單元，結(jié)合上述參數(shù)，分析轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性。

本發(fā)明的多場耦合作用下轉(zhuǎn)子非線性動力學(xué)特性模擬實驗裝置，能夠模擬轉(zhuǎn)子在氣體軸承支承作用下、氣-彈耦合作用下、氣-彈-磁多場耦合作用下、多種激勵力作用下、多變機(jī)動狀態(tài)下的非線性動力學(xué)行為，能夠為微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)仿真計算提供實驗參考依據(jù)。本發(fā)明實驗裝置在結(jié)構(gòu)和功能上具有可拓展性，能夠為更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性研究模擬實驗裝置提供可借鑒的思路。

總之，本發(fā)明在動力學(xué)特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸承支承三個方向與微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似度較高，能夠模擬轉(zhuǎn)子在多場耦合作用下的動力學(xué)特性，原理清晰，避免了因形式差異造成的實驗結(jié)果的實效，且易于實現(xiàn)，重復(fù)性和可操作性好，為微型燃?xì)廨啓C(jī)及高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性研究提供了可靠的保障。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明有了清楚的認(rèn)識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換，例如：

(1)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍；

(2)上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。