微小轴承相对位移的测量

　　0引言

　　垂直安装的小型转子系统是一类应用广泛的旋转机械装置,如各种小型分析用离心机、飞轮等。转子下部支承有时采取针状轴承以减少机械接触。已有实验发现,轴与轴承之间的松动和不良摩擦可能会导致转子系统的非线性振动,引发故障,从而影响系统安全、有效地运行。

　　在研究中首先观察到转子运行时偶有噪声出现,同时伴有较大幅度的进动。由于转子系统的复杂性,往往难以确定故障的来源。为了确定轴和轴承之间是否存在相对运动,专门设计了微小电涡流位移传感器,以获取轴与轴承间相对运动的数据,确定故障来源。

　　本文通过实验手段,首次获得微小针轴的相对位移数据,并分析了特定转速下针轴相对运动的行为。进一步根据这一事实,修改了转子系统的理论模型,采用新的理论模型计算得到的转子运行行为与实验观察到的现象一致。

　　1　实验装置

　　图1为某一垂直转子系统示意图。转子上端是磁力轴承,用来提供上端的磁力耦合刚度。下端是一接触式轴承副,由针轴和带碗状轴承窝的下支承组成。下支承和针轴末端位于阻尼器油液中,下支承和阻尼器之间的弹簧用来提供支承的横向刚度。由于针轴附近的空间十分有限,针对实验,我们专门设计并制作了尺寸比较小的电涡流位移传感器。电涡流位移传感器的工作原理如下:高频电流从振荡器通到传感器的线圈中,在传感器线圈附近产生了一个高频磁场。如果金属针轴接近这个磁场,就会在此金属针轴的表面产生电涡流。电涡流的强弱随着传感器线圈与针轴之间的距离而变化,从而影响到传感器线圈的阻抗,距离的改变可通过测量阻抗的改变得到。这样传感器就会输出一个与距离成比例的直流电压。

　　图2所示为装有位移传感器的轴承副部分放大示意图。针轴直径约为1.5mm。电涡流位移传感器被设计安装并固定在下支承上。由于安装空间十分狭小,所以传感器的尺寸也非常小。实验中使用的传感器是自制的电涡流传感器,长10mm,直径4mm,骨架材料为有机玻璃。下支承座由原来的金属材料换成聚四氟乙烯(不包括轴承窝),以减小轴承对传感器测量的影响。安装完毕后涡流线圈端面与针轴距离约为1.1mm。针轴末端和安装好传感器的下支承部分浸泡于下阻尼器的阻尼油液中。传感器信号导线通过下阻尼器外壳新开的小孔引到转子筒外,导线孔通过橡皮垫片和螺母压紧达到真空密封效果。

　　制作完成的传感器必须配上相应的测量电路才可以正常工作。图3为传感器的测量及数据采集系统,包括测量电路、数据处理单元、实时监测等部分。数据处理单元中的记录设备为带高速数据采集卡的计算机设备,通过不间断的数据采集我们能够获得针轴相对运动的数据并即时分析。