一种微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法技术

本发明专利技术涉及微型气体轴承测试技术领域，公开了一种微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，包括以下步骤：1)试验前标定测试轴承转子的初始位置；2)连续采集测试轴承转子的试验数据；3)计算获得测试轴承转子的静动态特性参数和图表，并判断测试轴承转子的稳定性；将所述试验数据代入MATLAB的模型方程中进行计算求解，得到测试轴承转子在不同工作状态下的刚度和阻尼，根据刚度和阻尼构建稳定性特征方程，根据稳定性特征方程及轴承稳定性理论判断测试轴承转子的稳定性，这种微型气体轴承稳定性测试及控制方法操作简单、计算量小，可以连续测量并计算出测试轴承转子在不同工作状态下的静、动态特性参数，并判断测试轴承转子的稳定性。

A test method for static and dynamic characteristics and stability of micro gas bearings

The present invention relates to the technical field of micro gas bearing test, discloses a micro gas bearing static test method of dynamic characteristics and stability, which comprises the following steps: 1) the initial position before the test calibration test of rotor test; 2) continuous data acquisition test of rotor; 3) calculate the static and dynamic characteristics of the rotor bearing test parameters and charts, and judge the stability test of rotor; will the test data into the model equations in the MATLAB calculation, get the test rotor bearing stiffness and damping in different working conditions, according to the stiffness and damping build stability characteristic equation, characteristic equation according to the stability and bearing stability theory to determine the stability of rotor bearing test the micro gas bearing, stability test and control method has the advantages of simple operation, small amount of calculation, continuous measure The static and dynamic parameters of the bearing rotor under different working conditions are calculated, and the stability of the rotor is tested.

【技术实现步骤摘要】
一种微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法
本专利技术涉及微型气体轴承测试领域，特别涉及一种微型气体轴承静动特性及稳定性测试方法。
技术介绍
近年来，随着全球经济和科技的快速发展，推动了以航空航天、国防装备、高端医疗及机器人为代表的高端装备正朝着高速化、小型化、智能化的方向发展。气体轴承因其工作摩擦小、转速高、寿命长、效率高、清洁环保的优点已经成为高速旋转机械不可或缺的重要组成部分，为高速机械的发展提供了技术方案。由于气体轴承承载的原理，当气体轴承工作转速超过其稳定运行的临界转速而进入高速、超高速状态运行时，产生气膜振荡、轴承失稳，严重影响了高速旋转机械的发展。因此，数十年来国内外专家学者进行了一系列的研究探索，在轴承稳定性方面取得了丰硕的成果，但是这方面的试验却不多。为了测试气体轴承的稳定性，国内外专家设计出了一系列的气体轴承试验机，并且提出了一些稳定性的相关试验方法及相应的算法。分析现有的气体轴承稳定性测试及计算方法，尤其是对于工作状态连续变化的试验测试过程，其功能、测试精度及测试项目存在很大局限。无法准确识别出气体轴承高速运转过程中瞬态的动态特性系数，也不能同时对稳定性进行分析。研究启停阶段稳定性的试验过程，限制条件多、针对性强，测算出来的试验数据和实际工作状态有一定差距，且无法进行其他工作状态的稳定性试验研究，设备启停频率高，效率低下。目前解决上述问题使用静一动法和二次激振相结合法，静一动法即先后分三次在不同方向上对轴承进行缓慢加载(每次只在一个方向上进行加载)，忽略阻尼和惯性对轴承的影响，可以求出轴承的18个刚度和阻尼值，但是此方法假设限制较多，与轴承的实际工况不符，求解出来的数值误差较大；三次激振法，该方法是通过三个相互独立的激振力激振三次，可以求出轴承18个刚度和阻尼值，更加符合轴承实际运行时的状态，但是每一组数值需要计算6个矩阵方程，计算量大；复合激振法，是对试验轴承同时施加三个频率不同的激振力，可以一次解出轴承的18个刚度和阻尼值，该方法工况最容易保证，结果精度高，但是这种方法设备复杂、数据处理繁琐，且缓慢加载过程中载荷的摆动对测试结果影响较大。因此，对气体轴承甚至是其他传统轴承性能的测试试验及计算还缺乏有效的方法。本专利技术的测试试验和计算方法，是在现有的气体轴承试验台上对气体轴承各个运行状态进行的实时连续的试验检测及在线计算的试验方案，克服了现有气体轴承方法中假设条件多、气体轴承试验工况与实际使用工况差距大、测试状态不连续、多次测量多重计算运算量大的缺点，是在已经申请的专利技术专利，申请号为201610526871.6，名称为“一种微型气体轴承试验机及试验方法”的基础上实现的。
技术实现思路
本专利技术提供微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，可以解决现有技术中的上述问题。本专利技术提供了一种微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，包括以下步骤：1)试验前标定测试轴承转子的初始位置开启激光位移传感器，此时测试轴承转子与轴承座外圈在最低点接触，Y轴激光位移传感器记录此时Y轴初始最大值y0max,将测试轴承转子沿Y轴提升至与轴承座外圈在最高点接触，Y轴激光位移传感器记录此时Y轴初始的最小值y0min,然后将测试轴承转子Y轴的初始值设置为y0＝y0max-1/2(y0min+y0max),X、Z轴的初始值设置为0；2)连续采集测试轴承转子的试验数据启动测试轴承转子的压力控制阀，确保测试轴承转子处于悬浮状态时开启电磁驱动系统驱动测试轴承转子，试验机连续采集测试轴承转子在不同工作状态下分别进行空载和激振运行时的试验数据，并将不同工作状态下的试验数据送入信号采集分析系统和MATLAB的模型方程中进行分析计算；3)计算获得测试轴承转子的静动态特性参数和图表，并判断测试轴承转子的稳定性信号采集分析系统将所述试验数据进行分析计算，直接生成测试轴承转子在不同工作状态下静、动态特性参数和图表包括：转速、偏心量、振动波形图、频谱图、轨迹图、振幅-时间-频率三维图和振幅-转速分叉图；将测试轴承转子在不同工作状态下静、动态特性参数和所述试验数据代入MATLAB的模型方程中进行计算求解，得到测试轴承转子在不同工作状态下的刚度和阻尼值，根据刚度和阻尼构建稳定性特征方程，根据稳定性特征方程及轴承稳定性理论判断测试轴承转子的稳定性。进一步地，上述步骤2)和步骤3)中的不同工作状态是通过改变测试轴承转子的转速、供气压力和外加载荷中的一种或任何几种的组合所形成的工作状态。进一步地，上述步骤3)中的稳定性特征方程是根据MATLAB的模型方程轴承-转子系统动力学方程和气膜增量与运动参数关系方程获得的；所述轴承-转子系统动力学方程为：所述气膜增量与运动参数关系方程为：联立方程(1)和(2)得模型方程(3)为：模型方程(3)变换为模型矩阵方程组(4)为：模型矩阵方程组(4)中参数的计算公式(5)为：其中，X0、Y0、Z0为测试轴承转子轴心轨迹的初始位置；Xn、Yn、Zn为tn时刻测试轴承转子轴心轨迹的位置；ΔXn、ΔYn、ΔZn为X、Y、Z轴上激光位移传感器tn时刻测试的振动量；m为测试轴承转子的质量；g为重力加速度；Δt为两次采样的时间间隔；en为tn时刻测试轴承转子的偏心量；Δen为tn时刻测试轴承转子的偏心量变化量；θn为tn时刻测试轴承转子的偏心角；Δθn为tn时刻测试轴承转子的偏心角变化量；为tn时刻与参数e、θ、Z相关的气膜增量；为tn时刻与参数e、θ、Z有关的主刚度；为tn时刻与参数e、θ、Z两两耦合有关的交叉刚度；为tn时刻与参数e、θ、Z有关的主阻尼；为tn时刻与参数e、θ、Z两量耦合有关的的交叉阻尼；为tn时刻测试轴承转子的偏心量变化量一次导数；为tn时刻测试轴承转子的偏心角变化量一次导数；为tn时刻测试轴承转子的X轴向位移变化量一次导数；为tn时刻测试轴承转子的偏心量二次导数；为tn时刻测试轴承转子的偏心角二次导数；为tn时刻测试轴承转子的X轴向位移二次导数；将试验数据采集中第n-2到n+3次采样所对应的测试轴承转子的参数ΔXn、ΔYn、ΔZn、Δen、Δθn、代入模型矩阵方程组(4)中进行求解，n≥2，得到第n次采样时刻测试轴承转子的18个刚度和阻尼值矩阵为：将式(6)中的刚度和阻尼值代入下列各式计算测试轴承转子稳定性特征方程的系数：a0、a1、a2、a3、a4、a5和a6a0＝m3a1＝m2(bee+bθθ+bzz)a2＝m2(kee+kθθ+kzz)+m(beebθθ+bθθbzz+bzzbee-bezbze-beθbθe-bθzbzθ)a3＝m[kee(bθθ+bzz)+kθθ(bee+bzz)+kzz(bee+bθθ)]-m[(kezbze+kzebez)+(keθbθe+kθebeθ)+(kθzbzθ+kzθbθz)]+(bzzbθθbee+bθebezbzθ+bzebeθbθz)-(bezbzebθθ+bθzbzθbee+bθebeθbzz)a4＝m[(keekθθ+kθθkzz+kzzkee)-(kezkze+kθzkzθ+kθekeθ)]+kee(bθθbzz-bzθbθz)+kθθ(bzzbee-bzebez)+kzz(beebθθ-beθbθe)+keθ(bθzbze-bθebzz)+kθz本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：1)试验前标定测试轴承转子的初始位置开启激光位移传感器，此时测试轴承转子与轴承座外圈在最低点接触，Y轴激光位移传感器记录此时Y轴初始最大值y

【技术特征摘要】
1.一种微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：1)试验前标定测试轴承转子的初始位置开启激光位移传感器，此时测试轴承转子与轴承座外圈在最低点接触，Y轴激光位移传感器记录此时Y轴初始最大值y0max,将测试轴承转子沿Y轴提升至与轴承座外圈在最高点接触，Y轴激光位移传感器记录此时Y轴初始的最小值y0min,然后将测试轴承转子Y轴的初始值设置为y0＝y0max-1/2(y0min+y0max),X、Z轴的初始值设置为0；2)连续采集测试轴承转子的试验数据启动测试轴承转子的压力控制阀，确保测试轴承转子处于悬浮状态时开启电磁驱动系统驱动测试轴承转子，试验机连续采集测试轴承转子在不同工作状态下分别进行空载和激振运行时的试验数据，并将不同工作状态下的试验数据送入信号采集分析系统和MATLAB的模型方程中进行分析计算；3)计算获得测试轴承转子的静动态特性参数和图表，并判断测试轴承转子的稳定性信号采集分析系统将所述试验数据进行分析计算，直接生成测试轴承转子在不同工作状态下静、动态特性参数和图表包括：转速、偏心量、振动波形图、频谱图、轨迹图、振幅-时间-频率三维图和振幅-转速分叉图；将测试轴承转子在不同工作状态下静、动态特性参数和所述试验数据代入MATLAB的模型方程中进行计算求解，得到测试轴承转子在不同工作状态下的刚度和阻尼，根据刚度和阻尼构建稳定性特征方程，根据稳定性特征方程判断测试轴承转子的稳定性。2.如权利要求1所述的微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)中的不同工作状态是通过改变测试轴承转子的转速、供气压力和外加载荷中的一种或任何几种的组合所形成的工作状态。3.如权利要求1所述的微型气体轴承静动态特性及稳定性测试方法，其特征在于，所述步骤3)中的稳定性特征方程是根据MATLAB的模型方程轴承-转子系统动力学方程和气膜增量与运动参数关系方程获得的；所述轴承-转子系统动力学方程为：所述气膜增量与运动参数关系方程为：联立方程(1)和(2)得模型方程(3)为：模型方程(3)变换为模型矩阵方程组(4)为：模型矩阵方程组(4)中参数的计算公式(5)为：其中，X0、Y0、Z0为测试轴承转子轴心轨迹的初始位置；Xn、Yn、Zn为tn时刻测试轴承转子轴心轨迹的位置；ΔXn、ΔYn、ΔZn为X、Y、Z轴上激光位移传感器tn时刻测试的振动量；m为测试轴承转子的质量；g为重力加速度；Δt为两次采样的时间间隔；en为tn时...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾晨辉，张海江，高靖，马文锁，邱明，崔志武，贠永胜，王振清，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41