[發(fā)明專利]一種微型氣體軸承靜動態(tài)特性及穩(wěn)定性測試方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610889649.2
• 申請日: 2016-10-12
• 公開（公告）號: CN106644475B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發(fā)明（設計）人: 賈晨輝;張海江;高靖;馬文鎖;邱明;崔志武;贠永勝;王振清
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: G01M13/04
• 分類號: G01M13/04
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 俞曉明

1.一種微型氣體軸承靜動態(tài)特性及穩(wěn)定性測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)試驗前標定測試軸承轉子的初始位置

開啟激光位移傳感器，此時測試軸承轉子與軸承座外圈在最低點接觸，Y軸激光位移傳感器記錄此時Y軸初始最大值y_0max,將測試軸承轉子沿Y軸提升至與軸承座外圈在最高點接觸，Y軸激光位移傳感器記錄此時Y軸初始的最小值y_0min,然后將測試軸承轉子Y軸的初始值設置為y₀＝y(tǒng)_0max-1/2(y_0min+y_0max),X、Z軸的初始值設置為0；

2)連續(xù)采集測試軸承轉子的試驗數(shù)據(jù)

啟動測試軸承轉子的壓力控制閥，確保測試軸承轉子處于懸浮狀態(tài)時開啟電磁驅動系統(tǒng)驅動測試軸承轉子，試驗機連續(xù)采集測試軸承轉子在不同工作狀態(tài)下分別進行空載和激振運行時的試驗數(shù)據(jù)，并將不同工作狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)送入信號采集分析系統(tǒng)和MATLAB的模型方程中進行分析計算；

3)計算獲得測試軸承轉子的靜動態(tài)特性參數(shù)和圖表，并判斷測試軸承轉子的穩(wěn)定性

信號采集分析系統(tǒng)將所述試驗數(shù)據(jù)進行分析計算，直接生成測試軸承轉子在不同工作狀態(tài)下靜、動態(tài)特性參數(shù)和圖表包括：轉速、偏心量、振動波形圖、頻譜圖、軌跡圖、振幅-時間-頻率三維圖和振幅-轉速分叉圖；

將測試軸承轉子在不同工作狀態(tài)下靜、動態(tài)特性參數(shù)和所述試驗數(shù)據(jù)代入MATLAB的模型方程中進行計算求解，得到測試軸承轉子在不同工作狀態(tài)下的剛度和阻尼，根據(jù)剛度和阻尼構建穩(wěn)定性特征方程，根據(jù)穩(wěn)定性特征方程判斷測試軸承轉子的穩(wěn)定性；

所述步驟3)中的穩(wěn)定性特征方程是根據(jù)MATLAB的模型方程軸承-轉子系統(tǒng)動力學方程和氣膜增量與運動參數(shù)關系方程獲得的；

所述軸承-轉子系統(tǒng)動力學方程為：

所述氣膜增量與運動參數(shù)關系方程為：

聯(lián)立方程(1)和(2)得模型方程(3)為：

模型方程(3)變換為模型矩陣方程組(4)為：

模型矩陣方程組(4)中參數(shù)的計算公式(5)為：

其中，X₀、Y₀、Z₀為測試軸承轉子軸心軌跡的初始位置；

X_n、Y_n、Z_n為t_n時刻測試軸承轉子軸心軌跡的位置；

ΔX_n、ΔY_n、ΔZ_n為X、Y、Z軸上激光位移傳感器t_n時刻測試的振動量；

m為測試軸承轉子的質量；

g為重力加速度；

Δt為兩次采樣的時間間隔；

e_n為t_n時刻測試軸承轉子的偏心量；

Δe_n為t_n時刻測試軸承轉子的偏心量變化量；

θ_n為t_n時刻測試軸承轉子的偏心角；

Δθ_n為t_n時刻測試軸承轉子的偏心角變化量；

為t_n時刻與參數(shù)e、θ、Z相關的氣膜增量；

為t_n時刻與參數(shù)e、θ、Z有關的主剛度；

為t_n時刻與參數(shù)e、θ、Z兩兩耦合有關的交叉剛度；

為t_n時刻與參數(shù)e、θ、Z有關的主阻尼；

為t_n時刻與參數(shù)e、θ、Z兩量耦合有關的的交叉阻尼；

為t_n時刻測試軸承轉子的偏心量變化量一次導數(shù)；

為t_n時刻測試軸承轉子的偏心角變化量一次導數(shù)；

為t_n時刻測試軸承轉子的X軸向位移變化量一次導數(shù)；

為t_n時刻測試軸承轉子的偏心量二次導數(shù)；

為t_n時刻測試軸承轉子的偏心角二次導數(shù)；

為t_n時刻測試軸承轉子的X軸向位移二次導數(shù)；

將試驗數(shù)據(jù)采集中第n-2到n+3次采樣所對應的測試軸承轉子的參數(shù)ΔX_n、ΔY_n、ΔZ_n、Δe_n、Δθ_n、代入模型矩陣方程組(4)中進行求解，n≥2，得到第n次采樣時刻測試軸承轉子的18個剛度和阻尼值矩陣為：

將式(6)中的剛度和阻尼值代入下列各式計算測試軸承轉子穩(wěn)定性特征方程的系數(shù)：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆

a₀＝m³

a₁＝m²(b_ee+b_θθ+b_zz)

a₂＝m²(k_ee+k_θθ+k_zz)+m(b_eeb_θθ+b_θθb_zz+b_zzb_ee-b_ezb_ze-b_eθb_θe-b_θzb_zθ)

a₃＝m[k_ee(b_θθ+b_zz)+k_θθ(b_ee+b_zz)+k_zz(b_ee+b_θθ)]-

m[(k_ezb_ze+k_zeb_ez)+(k_eθb_θe+k_θeb_eθ)+(k_θzb_zθ+k_zθb_θz)]+

(b_zzb_θθb_ee+b_θeb_ezb_zθ+b_zeb_eθb_θz)-(b_ezb_zeb_θθ+b_θzb_zθb_ee+b_θeb_eθb_zz)

a₄＝m[(k_eek_θθ+k_θθk_zz+k_zzk_ee)-(k_ezk_ze+k_θzk_zθ+k_θek_eθ)]+

k_ee(b_θθb_zz-b_zθb_θz)+k_θθ(b_zzb_ee-b_zeb_ez)+k_zz(b_eeb_θθ-b_eθb_θe)+

k_eθ(b_θzb_ze-b_θeb_zz)+k_θz(b_zeb_eθ-b_zθb_ee)+k_ze(b_eθb_θz-b_ezb_θθ)+

k_θe(b_zθb_ez-b_eθb_zz)+k_zθ(b_ezb_θe-b_θzb_ee)+k_ez(b_θeb_zθ-b_zeb_θθ)

a₅＝b_ee(k_θθk_zz-k_θzk_zθ)+b_θθ(k_zzk_ee-k_zek_ez)+b_zz(k_eek_θθ-k_eθk_θe)+

b_ez(k_θek_zθ-k_zek_θθ)+b_zθ(k_ezk_θe-k_θzk_ee)+b_θe(k_zθk_ez-k_eθk_zz)+

b_eθ(k_zek_θz-k_θek_zz)+b_θz(k_eθk_ze-k_zθk_ee)+b_ze(k_θzk_eθ-k_ezk_θθ)

a₆＝(k_zzk_θθk_ee+k_θzk_zek_eθ+k_ezk_zθk_θe)-(k_ezk_zek_θθ+k_θzk_zθk_ee+k_eθk_θek_zz)

m為測試軸承轉子的質量；

k_ee、k_θθ、k_zz為與偏心量e、偏心角θ和軸向振動z有關的主剛度；

k_eθ、k_ez、k_θe、k_θz、k_ze、k_zθ為偏心量e、偏心角θ和軸向振動z兩兩耦合有關的交叉剛度；

b_ee、b_θθ、b_zz為與偏心量e、偏心角θ和軸向振動z有關的主阻尼；b_eθ、b_ez、b_θe、b_θz、b_ze、b_zθ為偏心量e、偏心角θ和軸向振動z兩兩耦合有關的交叉阻尼；

根據(jù)穩(wěn)定性特征方程的系數(shù)a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆的結果構造測試軸承轉子的穩(wěn)定性特征方程(7)為：

a₀v⁶+a₁v⁵+a₂v⁴+a₃v³+a₄v²+a₅v¹+a₆＝0(7)

依據(jù)軸承穩(wěn)定性理論，軸承-轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決特征根v在復平面的分布狀況：當v<0時，系統(tǒng)將處于穩(wěn)定狀態(tài)；當v＝0時，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)；當v>0時，系統(tǒng)處于失穩(wěn)狀態(tài)；判斷軸承-轉子系統(tǒng)在某一工作狀態(tài)下是否穩(wěn)定，只需判定特征根v是否具有負實部。

2.如權利要求1所述的微型氣體軸承靜動態(tài)特性及穩(wěn)定性測試方法，其特征在于，所述步驟2)和步驟3)中的不同工作狀態(tài)是通過改變測試軸承轉子的轉速、供氣壓力和外加載荷中的一種或任何幾種的組合所形成的工作狀態(tài)。