CN110967129B - 一种高温转子***轴向力测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温转子***轴向力测试***，该***包括转轴(1)、基座(2)、电磁装置(3)、位移盘(4)、传感器安装座(5)、径向轴承(6)、位移传感器(7)、温度传感器(8)、电流传感器(9)、功率放大器(10)、控制***(11)、以及PC(12)。本发明提供的高温转子***轴向力测试***采用非接触测量方式，一次安装后可以测量双向轴向力，同时测试装置不对转子***引入额外干扰，寿命相对较长。
Description
技术领域
本发明属于机械设计及测试与控制技术领域，具体涉及一种高温转子***轴向力测试***及测试方法。
背景技术
转子***的轴向力是评估结构强度、轴承寿命、工作状态等所需的关键参数之一。在一些轴向力占主导的转子应用场合，如重型立式转子、轴流式压气机、航空发动机、重型燃气轮机等，准确获得转子轴向力对***性能及寿命评估十分重要。
现在业界对转子***轴向力的测量主要有直接法和间接法(马前容，吴虎，郭昕.《核心机轴向力测量与应用研究》，测控技术，2013， 23(6)，39-42)。直接法一般采用应力环直接接触测量轴系的轴向力。在这种测量方法中，粘结了多片应变片的应变环一般被安放在滚动轴承(或推力轴承)旁，转子轴向力通过轴承作用在应力环上。应变片受力变形，应变导致应变片电路电阻改变，电阻值变化通过桥式电路转化为电压变化，再通过电压换算出力。应变环(应变片)使用前需进行标定。这种方法的优点是结构简单、测量误差小、成本较低。但是使用此方法测量双向轴向力需要两个应力环，且应变片在应力环的拆装过程中易损坏。同时，此方法对轴承同轴度、轴承安装等要求较高，否则会引入较大误差(来自径向载荷、轴承预紧力等)。此外，由于应变片自身结构所限，应力环一般不能用于温度较高场合。间接法在不便安装应力环时采用，主要应用于一些特殊的转子应用场合。如在轴流泵中，可以通过测量叶轮前后压差来换算轴向力；有时可以用振动加速度来间接计算轴向力。但是这种方法受转子***使用场合限制，并不适用于所有转子***。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，本发明提供一种非接触式的、可测量双向轴向力且能用于较高温度场合的转子轴向力测试***及方法。
技术方案
本发明提供了一种高温转子***轴向力测试***，所述***包括转轴(1)、基座(2)、电磁装置(3)、位移盘(4)、传感器安装座(5)、径向轴承(6)、位移传感器(7)、温度传感器(8)、电流传感器(9)、功率放大器(10)、控制***(11)、以及PC(12)。
优选的，所述电磁装置(3)包括定子(15)、绕制在定子(15) 槽中的线圈(16)、与定子(15)对称布置的吸力盘(17)和设于吸力盘之间的隔盘(18)；
所述线圈(16)通电后，定子(15)与吸力盘(17)形成磁路，产生电磁吸力；
所述定子(15)与吸力盘(17)之间所形成的电磁吸力在轴向方向上；所述隔盘(18)为不导磁金属制成。
优选的，所述定子(15)和吸力盘(17)采用高磁导率软磁合金制成。
优选的，所述高磁导率软磁合金的居里温度高于使用环境温度。
优选的，所述线圈(16)绕制成型后，线圈外被覆隔热材料。
优选的，所述传感器外被覆隔热陶瓷。
优选的，所述控制器(11)采集来自位移传感器(7)的信号，经过计算后转化为控制信号，经功率放大器(10)放大后输送给电磁装置(3)。
优选的，所述径向轴承(6)采用滚子轴承。
本发明的另一目的在于提供一种高温转子***轴向力测试方法，所述方法包括如下步骤：
S1：位移传感器(7)采集转子的位置信号，并输送给控制器(11)；
S2：控制器(11)利用转子位移信号计算并发出相应控制电流到功率放大器(10)；
S3：功率放大器(10)放大电流后输送给电磁装置(3)，电磁装置 (3)中励磁线圈(16)产生磁场，电磁吸力施加在吸力盘(17)上，平衡转子轴向力；
S4：PC(12)通过控制器(11)反馈的励磁电流强度计算出电磁力，根据转子轴向受力平衡原则，转子此时的轴向力大小等于为电磁力，从而获得转子轴向力。
有益效果
1、本发明采用非接触测量方式，一次安装后可以测量双向轴向力，同时测试装置不对转子***引入额外干扰，寿命相对较长；
2、本发明提供的高温转子***轴向力测试***中所包含的电磁装置可起到止推轴承作用，测试时可省略专门止推轴承，简化转子***结构；
3、本发明提供的高温转子***轴向力测试***中的电磁装置、位移盘、位移传感器等部件均耐高温，可以在高温环境(<300℃)中测量转子轴向力；
4、本发明中各测试装置可以脱离被测***单独标定和校准，且一次标定后可多次重复使用，简化了测试程序.
附图说明
图1为本发明实施例所提供的测试***的结构图
图2为本发明实施例中的电磁装置结构图
图3为本发明实施例中电磁装置的电流和磁感线示意图
图4为本发明中信号处理流程图
其中：1:转轴；2：基座；3：电磁装置；4：位移盘；5：传感器安装座；6：径向轴承；7：位移传感器；8：温度传感器；9：电流传感器； 10：功率放大器；11：控制器；12：PC；13：高温区；14：隔热环； 15：定子；16：线圈；17：吸力盘；18：隔盘。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步解释。
如图1所示，为本发明所提供的用于测量某转子***双向轴向力的测试***的结构图。
该***包括转轴(1)、基座(2)、电磁装置(3)、位移盘(4)、传感器安装座(5)、径向轴承(6)、位移传感器(7)、温度传感器(8)、电流传感器(9)、功率放大器(10)、控制***(11)、以及PC(12)。
所述电磁装置(3)包括定子(15)、绕制在定子(15)槽中的线圈(16)、与定子(15)对称布置的吸力盘(17)和设于吸力盘之间的隔盘(18)；所述线圈(16)通电后，定子(15)与吸力盘(17) 形成磁路，产生电磁吸力；所述定子(15)与吸力盘(17)之间所形成的电磁吸力在轴向方向上；所述隔盘(18)为不导磁金属制成。所述定子(15)和吸力盘(17)采用高磁导率居里温度高于使用环境温度的软磁合金制成。所述线圈(16)绕制成型后，线圈外被覆隔热材料。
所述传感器外被覆隔热陶瓷。
所述控制器(11)采集来自位移传感器(7)的信号，经过计算后转化为控制信号，经功率放大器(10)放大后输送给电磁装置(3)。
所述径向轴承(6)采用滚子轴承，此类轴承只提供径向力，而不提供轴向力。因为圆柱滚子轴承需要润滑油或润滑脂进行润滑，不能承受过高温度，因此利用两个隔热环(14)将这两个径向轴承隔离在高温区(13)外。
高温区内安装电磁装置(3)、位移盘(4)、传感器安装座(5) 及位移传感器(7)。电磁装置安装时，吸力盘(17)、隔盘(18)先以过盈方式套装在被测转轴(1)上，再安装定子(15)与线圈(16)。位移盘(4)同样套装在转轴(1)上。传感器安装座(5)固连在转子基座或壳体上，其上安装位移传感器。温度传感器(8)可以和位移传感器(7)一起安装在传感器安装座(5)上，也可以安装在距位移传感器(7)较近的基座或壳体上。其余各设备按图1中示意连接并调试至正常工作状态。转子***开始运转后，两个励磁线圈的电流通过线缆送入电流传感器(9)，参照图2，假设左侧线圈中电流为i1，右侧线圈中电流为i2。在电磁装置(3)中，设计安装时，左右侧吸力盘(17)与左右侧定子(15)之间有初始间隙x0。假设位移传感器 (7)监测到转子有一轴向位移x，则电磁装置(3)对轴产生的轴向力为
其中，μ0为真空磁导率，S为单侧定子在吸力盘上的投影面积， n为线圈匝数。电磁装置(3)加工完毕后，S与n便已确定，因此Fe只由两个线圈电流i1和i2确定，电磁装置中的电流及磁感线示意图见图3。
对于转子，有平衡方程
其中，m为转子质量，
为转子轴向加速度。控制器(11)采用 PID控制算法后，转子轴向位置只在平衡位置附近作小幅窜动，
值极小，故而可认为
Fe＝F (3)
此外，若事先知道转子质量m，则通过对位移信号x两次微分得到
可以将这两个值带入式(2)，获得更准确的F值。
在此过程中，两线圈电流不断被控制器采集，通过式(1)进行换算，即可得到每一瞬时电磁装置(3)提供的电磁力大小，然后可利用式(2)或式(3)获得转子受到的轴向力。一般情况下，高温会影响位移传感器(7)的精度，使其产生温度漂移，此时可利用温度传感器(8)的信号对位移传感器(7)的信号进行修正补偿。整个测试***的工作原理流程图如图4所示。
第一次使用电磁装置(3)时，由于加工误差、材料参数误差等因素影响，直接利用式(1)计算出来的电磁力可能会与实际电磁力有误差，此时需对电磁装置(3)进行一次性标定。控制器正常工作时，轴向位移x极小，在此小范围内可以将电磁力线性化，即
Fe＝ki(i1-i2)+kxx (4)
式中ki，kx为只与结构有关的常数。可以利用式(4)，通过在不断改变电流强度的同时测量其提供的轴向电磁力大小，对其进行标定，获得ki，kx参数。在以后使用中，只要不分解电磁装置(3)，每次使用前可以不必再标定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高温转子***轴向力测试***，其特征在于，包括转轴（1）、基座（2）、电磁装置（3）、位移盘（4）、传感器安装座（5）、径向轴承（6）、位移传感器（7）、温度传感器（8）、电流传感器（9）、功率放大器（10）、控制器（11）、以及PC（12）；
所述电磁装置（3）包括定子（15）、绕制在定子（15）槽中的线圈（16）、与定子（15）对称布置的吸力盘（17）和设于吸力盘之间的隔盘（18）；
所述线圈（16）通电后，定子（15）与吸力盘（17）形成磁路，产生电磁吸力；
所述定子（15）与吸力盘（17）之间所形成的电磁吸力在轴向方向上；
所述隔盘（18）为不导磁金属制成；
所述控制器（11）采集来自位移传感器（7）的信号，经过计算后转化为控制信号，经功率放大器（10）放大后输送给电磁装置（3）；
所述径向轴承（6）采用滚子轴承，所述径向轴承（6）利用隔热环（14）隔离在高温区（13）外；
所述电磁装置（3）、位移盘（4）、传感器安装座（5）及位移传感器（7）安装在高温区（13）内，位移盘（4）、吸力盘（17）和隔盘（18）套装在转轴（1）上，传感器安装座（5）固连在转子基座或壳体上，位移传感器（7）安装在传感器安装座（5）上，温度传感器（8）安装在传感器安装座（5）上。
2.根据权利要求1所述的高温转子***轴向力测试***，其特征在于，所述定子（15）和吸力盘（17）采用高磁导率软磁合金制成。
3.根据权利要求2所述的高温转子***轴向力测试***，其特征在于，所述高磁导率软磁合金的居里温度高于使用环境温度。
4.根据权利要求1所述的高温转子***轴向力测试***，其特征在于，所述线圈（16）绕制成型后，线圈外被覆隔热材料。
5.一种高温转子***轴向力测试方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-4任一项所述的高温转子***轴向力测试***，包括如下步骤：
S1：位移传感器（7）采集转子的位置信号，并输送给控制器（11）；
S2：控制器（11）利用转子位移信号计算并发出相应控制电流到功率放大器（10）；
S3：功率放大器（10）放大电流后输送给电磁装置（3），电磁装置（3）中线圈（16）产生磁场，电磁吸力施加在吸力盘（17）上，平衡转子轴向力；
S4：PC（12）通过控制器（11）反馈的励磁电流强度计算出电磁力，根据转子轴向受力平衡原则，转子此时的轴向力大小等于为电磁力，从而获得转子轴向力。
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