Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор электромагнитных, газостатических, гибридных бесконтактных опор и электрооборудования на их основе
1.1 Обзор электромагнитных опор 12
1.1.1 Классификация электромагнитных опор 13
1.1.2 Магнитные системы активных магнитных подшипников (АМП) 17
1.1.3 Высокоскоростное электрооборудование на электромагнитных опорах и промышленные образцы АМП 24
1.1.4 Управление магнитным полем в АМП 32
1.1.5 Существенные недостатки АМП 38
1.2 Обзор газостатических опор и методов стабилизации положения ротора в них 40
1.2.1 Газостатический подшипник (ГСП) 40
1.2.2 Активная стабилизация положения ротора в ГСП 42
1.3. Обзор газомагнитных опор (ГМО) 44
1.3.1 Взаимодействие электромагнитной и газостатической частей ГМО 45
1.3.2 Использование ГМО в высокоскоростном электрооборудовании. 49
1.4 Выводы 51
ГЛАВА 2. Разработка электромеханической части ГМО
2.1 Выбор и сравнение компоновочных схем ГМО 53
2.2 Определение сил, действующих на ротор в ГМО 60
2.3 Исследование в среде Ansoft Maxwell тягового усилия электромагнита и распределения магнитной индукции в ГМО 67
2.4. Аналитическое описание ГМО как объекта управления 71
2.5 Выводы 72
ГЛАВА 3. Разработка системы управления (СУ) ГМО
3.1 Разработка структуры СУ 74
3.2 Определение коэффициентов регулятора СУ 77
3.3 Алгоритм устранения ошибки при измерении зазора 82
3.4 Исследование СУ на точность и на устойчивость
3.4.1 Исследование СУ на точность 85
3.4.2 Исследование СУ на устойчивость
3.5 Моделирование работы СУ в среде LabVIEW 91
3.6 Алгоритм проектирования СУ 94
3.7 Выводы 96
ГЛАВА 4. Техническая реализация и экпериментальные исследования электромеханической части и СУ ГМО
4.1 Техническая реализация электромеханической части ГМО и экспериментальные стенды 97
4.2 Реализация СУ на базе контроллера NI sbRIO-9636 104
4.3 Функциональная и принципиальная схемы СУ 117
4.4 Экспериментальные исследования электротехнического комплекса ГМО 132
4.5 Выводы 135
Заключение 136
Библиографический список
- Магнитные системы активных магнитных подшипников (АМП)
- Определение сил, действующих на ротор в ГМО
- Алгоритм устранения ошибки при измерении зазора
- Реализация СУ на базе контроллера NI sbRIO-9636
Введение к работе
Актуальность темы. С увеличением скорости вращения и мощности высокоскоростного электрооборудования (электродвигателей, генераторов, турбин и т.д.) при одновременной тенденции к уменьшению его массовых и габаритных показателей на первый план выходит проблема обеспечения параметрической надежности подшипниковых узлов.
Традиционно в высокоскоростном электрооборудовании используют подшипники качения. Однако физический принцип работы таких опор ограничивает их быстроходность. Альтернативой подшипникам качения являются гидростатические подшипники, но их применение на высоких скоростях ограничено высоким тепловыделением. Бесконтактные опоры на газовой смазке обеспечивают высокие скорости вращения, однако их недостатком является сравнительно низкая несущая способность. К бесконтактным быстроходным опорам относят также активные магнитные подшипники (АМП). Недостатками АМП являются низкая надежность вследствие возможности контакта ротора с магнитными полюсами статора и необходимость иметь страховочный механический подшипник.
Использование бесконтактных газомагнитных опор (ГМО), сочетающих в себе газовый и магнитный подвес, позволяет повысить несущую способность подшипниковых узлов, существенно увеличить жесткость и точность позиционирования ротора, что особенно важно в высокоскоростном электрооборудовании, защитить магнитный подвес страховочным газовым подвесом в случае аварийных ситуаций.
Следовательно, проблема создания электротехнического комплекса ГМО высокоскоростного электрооборудования является актуальной, а для ее реализации требуется решить следующие задачи: разработать конструкцию опоры с низким магнитным торможением, выполнить ее математическое моделирование и синтезировать структурную схему системы управления, осуществить техническую реализацию последней на базе современной цифровой техники, провести экспериментальные исследования ГМО.
Целью диссертационной работы является разработка электротехнического комплекса ГМО путем создания ее электротехнической части и СУ.
Задачи исследования:
- анализ известных технических разработок бесконтактных опор и обоснование
целесообразности применения управляемых ГМО для роторов высокоскоростного электро
оборудования;
разработка конструкций ГМО с низким магнитным торможением;
выполнение математического моделирования ГМО как объекта управления и синтез структурной схемы системы управления ГМО;
техническая реализация СУ средствами программируемой цифровой техники;
экспериментальные исследования ГМО с предложенной СУ.
Объектом исследования является электромагнитный подвес как управляемая активная часть ГМО высокоскоростного электрооборудования, работающий во взаимодействии с газостатическим подвесом.
Методы исследования включают аналитические и численные методы
электромагнитных расчетов, синтеза и анализа систем автоматического управления, методы разработки электрических цепей, микроэлектронных и микропроцессорных устройств. Использованы современные пакеты прикладного программного обеспечения ANSYS, Matlab, LabVIEW, MathCAD. Экспериментальные исследования проведены на модернизированных автором стендах.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректным использованием методов математического моделирования. Проведенные испытания на экспериментальном стенде подтверждают работоспособность исследуемой ГМО и СУ.
Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:
предложен принцип построения электротехнического комплекса ГМО, обеспечивающий повышенную несущую способность и точность позиционирования ротора;
предложена СУ электромагнитной составляющей ГМО и синтезированы параметры регулятора с учетом газовой составляющей;
выявлено распределение магнитной индукции в магнитной цепи ГМО, обеспечивающее малое магнитное торможение;
получены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность работы предложенного электротехнического комплекса ГМО.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложены СУ и конструкции электромеханической части ГМО, на которые получены патенты № 2545146, №135747, №134260. Предложен алгоритм проектирования СУ ГМО. Разработаны цифровая СУ ГМО на базе ПЛИС, а также опытный образец ГМО с низким магнитным торможением. Предложен алгоритм по устранению ошибки измерения зазора из-за отклонения формы вала (свидетельство о гос. регистр. прогр. для ЭВМ № №2013617434) и программа построения годографа ротора (свидетельство о гос. регистр. прогр. для ЭВМ № 2012660515).
Работа выполнена при поддержке гранта № 14.В37.21.0449 «Совершенствование металлорежущих станков путем внедрения в их конструкцию сверхпрецизионных высокоскоростных шпиндельных узлов на бесконтактных опорах для обработки ответственных деталей силовых и вспомогательных установок кораблей и объектов океанотехники».
Реализация результатов работы.
СУ для опытно-промышленного образца высокоскоростного электрошпинделя на ГМО внедрена в производство в ПАО «Амурский судостроительный завод» (г. Комсомольск-на-Амуре). Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ».
Личный вклад автора состоит в проведении анализа современных конструкций управляемых бесконтактных опор, в разработке методики расчета тягового усилия ГМО, в разработке структуры СУ и алгоритма устранения ошибки измерения зазора из-за отклонения формы ротора, в определении зависимостей для нахождения коэффициентов ПИД регулятора, в разработке алгоритма управления ГМО. Автором выполнен весь комплекс физических и численных экспериментов, а также обработка и анализ полученных результатов.
На защиту выносятся:
- конструктивные схемы ГМО;
- результаты моделирования распределения магнитной индукции в магнитной цепи
ГМО;
методика определения тягового усилия ГМО;
описание электротехнической части ГМО как объекта управления;
алгоритм устранения ошибки измерения зазора из-за отклонения формы ротора;
структура электротехнического комплекса ГМО;
алгоритм проектирования СУ для ГМО;
результаты экспериментальных исследований электротехнического комплекса ГМО. Апробация результатов исследований и разработок. Материалы работы доложены:
на конференции North Charleston, SC, USA: CreateSpace, 2014;
на XXI международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук», г. Москва, 2014 г.;
на III Международной научной конференции «Современные тенденции технических наук», г. Казань, 2014 г.;
на международной научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука XXI века: новый подход», г. Санкт-Петербург, 2014 г.;
- на XVII конкурсе молодых учёных и аспирантов Хабаровского края, г. Хабаровск,
2015 г.;
- на конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, г. Комсомольск-на-Амуре, 2013 г.
Публикации по теме диссертации: по теме диссертации опубликовано 15 работ, 4 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, 6 в научно-технических журналах и сборниках, 3 патента и 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 110 наименования, а также 2 приложений. Работа изложена на 161 страницах и включает 94 рисунка, 5 таблиц.
Магнитные системы активных магнитных подшипников (АМП)
Главной особенностью рассматриваемой конструкции является сильное влияние соседних полюсов друг на друга. Увеличение потока одного полюса невозможно без изменения потоков смежных с ним полюсов. Если ротор смещен от центрального положения, то увеличение усилия по одной координате влечет за собой существенное изменение усилия по другой оси.
Второй тип конструкции АМП с сосредоточенными обмотками имеет магнитопровод с независимыми полюсами [14,105], как показано на рис. 1.4.
Электромагнитный привод с независимыми полюсами В данной конструкции магнитные потоки токовых зон практически не зависят от соседних, так как не имеют общих ферромагнитных путей для их замыкания. Магнитные потоки полюсов зависят только от намагничивающей силы собственных обмоток и магнитных проводимостей. В представленной конструкции станина должна быть немагнитопроводной для того, чтобы свести взаимовлияние полюсов разных каналов управления к минимуму.
К достоинствам явнополюсных систем следует отнести: - возможность получить большую амплитуду намагничивающей силы полюса, используя мощные сосредоточенные катушки, - простоту и технологичность конструкции. К недостаткам можно отнести сильную взаимную зависимость усилий по осям в четырехполюсной конструкции и большую индуктивность сосредоточенных обмоток, которая отрицательно сказывается на быстродействии системы. Кроме того, если магнитная система выполняется разъемной по межполюсному окну, то в магнитопроводе появляется дополнительный технологический зазор на участке, по которому проходит полный поток;
Двухосевой АМП На рис. 1.5 представлен двухосевой АМП. В данной конструкции ротор вставляется в сердечник ротора. Возникающие силы между ротором и статором обеспечивают двухсторонний подвес ротора, нижний торец ротора находится на осевом позиционировании, данная конструкция подходит для вертикально расположенных роторов [1,6].
Схемы конструкций АМП: а - внутренний ротор, б - внешний ротор, с - полый ротор, д - электрическая машина с центральным нагружением
Схема конструкции АМП (рис. 1.6, а) содержит в себе три АМП - два осевых АМП1, АМП2 и один упорный АМП. Два ротора вращаются с валом внутри двух статоров, от выбега вала защищает упорный АМП. Данная конструкция подходит для насосов, компрессоров, нагрузка может быть приложена к одному из концов вала.
Схема конструкции, представленной на рис. 1.6, б, показывает, что ротор может находиться за пределами статора. Такая конструкция может применяться в жестких дисках персональных компьютеров, подходит для маховика диска. Она имеет два осевых АМП1, АМП2 и один упорный АМП.
Конструкция (рис. 1.6, с) представляет собой модификацию конструкции на рис. 1.6, а. В ней вал выполнен полым, упорный АМП установлен в центре двух осевых АМП1, АМП2. данная конструкция может применяться в расходомерах, герметичных насосах, шпинделях.
В случаях, когда не требуется вращение вала, а нужно воспринимать вертикальные нагрузки, может применяться конструкция, представленная на рисунке 1.6, д. В данной конструкции нет упорного АМП, а радиальные АМП1 и АМП2 расположены на торцах вала.
Поперечное сечение различных вариантов компоновки АМП1 с различными электромеханическими комплексами: а) применение АМП1 с радиальным АМП, б) комбинация АМП1 с механическим подшипником, в) использование АМП1 для поддержки длинного ротора Целевой АМП1 может применяться совместно с радиальным АМП (рис. 1.7, а), совместно с механическими подшипниками (рис. 1.7, б) и выступать в качестве поддерживающей опоры при использовании систем с длинными роторами (рис. 1.7, в). Наиболее широкое внедрение электромагнитные подшипники получили в роторных агрегатах для газоперекачивающих станций. Это обусловлено требованиями к снижению потерь, повышению ресурса работы и КПД в высокооборотных газоперекачивающих агрегатах. Французская фирма S2M, основанная в 1976 г., пользуется известностью среди зарубежных разработчиков магнитного подвеса для роторных машин различного назначения [8,105]. Фирме S2M удалось успешно внедрить ряд приоритетных конструктивных разработок.
Английская фирма "Ваукеша Беарингс" (Waukesha Bearings) с 50 -летним опытом занимает лидирующее место в разработках, производстве и применении различных типов подшипниковых узлов, в том числе и электромагнитных [1,4]. Отличительной чертой их продукции является выпуск страховочных подшипников для магнитного подвеса по собственной уникальной технологии.
Схема магнитного подвеса ротора состоит из одного осевого и двух радиальных АМП (рис. 1.8) [105]. Видно, что в магнитный подвес входят радиальные блоки датчиков, отслеживающие радиальные перемещения ротора, шихтованный ротор радиального электромагнита, электромагнит радиальный с шихтованным магнитопроводом, электромагнит осевой, ротор осевого электромагнита и осевой блок датчиков, контролирующих вылет ротора.
В некоторых конструкциях магнитных подшипников с целью уменьшения магнитного торможения, вызываемого образованием круговых токов, возникающих при вращении проводящего ротора в магнитном поле, источники поля расположены таким образом, что в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, находятся одноименные полюса. Силовые линии магнитного поля в этом случае лежат в плоскостях, проходящих через ось вращения, как показано на рис. 1.9 [14,105].
Определение сил, действующих на ротор в ГМО
Данная конструкция имеет четыре магнитопровода, расположенных вдоль вала под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Предложено использовать Ш-образные магнитопроводы, которые встраиваются в конструкцию газовой части. Кроме того, обмотка электромагнита оптимальным образом заполняет окна магнитопровода, а суммарная площадь трех полюсов обеспечивает повышенную силу притяжения магнита. Задавая одинаковое направление токов в катушках, можно добиться параллельного прохождения магнитных потоков вдоль вала и снижения потерь на вихревые токи, а также существенного уменьшения магнитного торможения.
В случае использования четырех электромагнитов достаточно иметь два ортогонально расположенных датчика перемещения и два канала регулирования. Токи в противоположно расположенных электромагнитах должны дополнять друг друга: если в первом ток увеличивается, то во втором – уменьшается. Для ГМО с продольным расположением Ш-образных магнитопроводов выполнено 2D-моделирование магнитного поля в среде Ansoft Maxwell. Выбрано сечение радиальной ГМО вдоль оси вала. Полученное распределение силовых линий представлено на рис. 2.5.
Приведен случай, когда включены магниты, расположенные на противоположных сторонах опоры, токи в обмотках равны и магнитные потоки направлены одинаково. Выявленная картина силовых линий показывает, что магниты не завязаны между собой по магнитным потокам.
Среди особенностей ГМО с продольным расположением Ш-образных магнитопроводов следует отметить определенную сложность технической реализации, связанную со встраиванием средних стержней магнитопроводов в газовую часть. С целью упрощения конструкции и повышения технологичности изготовления предложен вариант конструкции радиальной ГМО с продольным расположением трех П-образных магнитопроводов. Данный вариант, разработанный с помощью программы T-FLEX CAD, представлен на рис. 2.6.
Опора имеет три П-образных магнитопровода, охватывающих газостатический подшипник и размещенных вдоль оси вала. Полюса электромагнитов пространственно раздвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу. Соосно с каждым электромагнитом установлен вихретоковый датчик зазора. Выбор трех магнитопроводов обусловлен получением максимальной рабочей площади полюсов при сохранении возможности получения вектора магнитной тяги в необходимом радиальном направлении. Так использование трех электромагнитов позволяет увеличить рабочую площадь полюса, соответствующую углу 120 градусов, примерно на 8% по сравнению с конструкцией с четырьмя электромагнитами, рабочая площадь полюса которой соответствует углу 90 градусов. В случае работы одного электромагнита для уравновешивания противоположно направленной возмущающей силы будет задействовано примерно 33% ресурсов магнитной части опоры с тремя электромагнитами по сравнению с 25% ресурсов опоры с четырьмя электромагнитами. Предложенная конструкция радиальной ГМО улучшает характеристики высокоскоростной роторной системы за счет увеличения относительно низкой несущей способности газового подшипника магнитной силой и активного управления ей. В свою очередь газовый подшипник не требует управления, так как он является самоустанавливающимся. Поэтому управление жесткостью и точностью позиционирования ГМО осуществляется посредством управления магнитной силой. Опора сконструирована таким образом, что внутренний диаметр вкладыша газовой части меньше диаметра кольца, в котором, закреплены полюса электромагнитов. В результате условия истечения газа не изменяются. Магнитная часть не ухудшает работу газовой части, а напротив выводит ее в оптимальный режим работы, способствует стабилизации положения вала, увеличивает точность позиционирования и несущую способность.
Исходя из конструктивных особенностей, параметров и характеристик газовых и магнитных подшипников, входящих в состав ГМО, предложена следующая методика определения газовых и магнитных сил, действующих на ротор в комбинированной опоре. Задаются диаметр вала D , несущая способность газовой части Fmax G, средний радиальный зазор в газовой части SG. Используя выражение (2.16), рассчитывается длина газовой части LG.
Выбирается относительный эксцентриситет, при котором газовая часть имеет достаточно высокую несущую способность и отсутствует опасность касания валом вкладыша. Рекомендуется выбирать значение относительного эксцентриситета є равным 0,6 [20].
В отличие от среднего радиального зазора в газовой части SG, который ограничен величиной 50 мкм, воздушный зазор в магнитной части опоры / может быть существенно больше. Для обеспечения технологичности изготовления и сборки опоры целесообразно использовать соотношение l = 2SG.
Так как отношение толщины зазора l к линейным размерам поверхности полюса магнитопровода малы, можно принять допущение об однородности магнитного поля в зазоре между магнитопроводом и валом, а также можно пренебречь потоками рассеяния и полями выпучивания.
Для снижения электромагнитного торможения при вращении вала, вызванного токами Фуко, магнитопроводы рекомендуется размещать вдоль оси вала. Сила каждого электромагнита достигает максимума тогда, когда ферромагнитный сердечник входит в насыщение. Для определения порога насыщения целесообразно использовать кривую намагниченности материала сердечника.
Алгоритм устранения ошибки при измерении зазора
Добиться высокой точности ГМО можно, введя ненулевой коэффициент передачи интегрального звена К3 (см. рис. 3.2, 3.3). Поэтому в качестве регулятора целесообразно использовать ПИД - регулятор. Критерий выбора коэффициента передачи интегрального звена будет введен после того, как система будет исследована на точность. Коэффициенты передачи пропорционального и дифференциального звена находятся из выражений (3.13) и (3.14).
Достоверное измерение толщины зазора в ГМО необходимо для исследования характеристик таких опор, а также для управления работой активных опор с обратными связями. Рабочий зазор в опорах такого типа не превышает 100 мкм, что предъявляет жесткие требования к средствам измерений зазора.
Ранее был предложен бесконтактный измеритель малых зазоров, выполненный на основе емкостных датчиков перемещения. Особенностью данного устройства является применение интегрирующих конденсаторов, что увеличивает время измерения. Кроме того, для повышения чувствительности требуется увеличивать площадь обкладки конденсатора до нескольких квадратных сантиметров и уменьшать расстояние между этой обкладкой и валом примерно до 0,2 мм, что вызывает трудности при монтаже датчика. Альтернативным методом измерения малых зазоров является использование индуктивных датчиков перемещения со встроенной схемой фильтрации и формирования аналогового выходного сигнала. Преимуществами индуктивных датчиков перемещения являются линейная характеристика для некоторых типов датчиков и сравнительно небольшой диаметр рабочего торца, составляющий доли квадратного сантиметра.
Необходимо учесть, что промышленных образцов отечественных ГМО пока не существует, а для исследований используются опытные образцы, выполненные по заказу в единичных экземплярах на неспециализированном оборудовании. При исследовании таких опытных опор выявлено, что на толщину воздушного зазора в опоре существенно влияет неидеальная округлость вала, которая приводит к ошибкам измерения перемещения вала относительно исследуемой опоры. В качестве примера на рис. 3.9 приведена осциллограмма сигнала с выхода индуктивного датчика при вращении вала опытной ГМО.
Осциллограмма сигнала индуктивного датчика зазора опытной ГМО По полученной осциллограмме можно судить о существенном отличии формы поверхности вала от идеальной окружности, что приводит к неоднозначности определения зазора в опоре.
Для устранения влияния формы вала на измерение его перемещения предложено использовать в качестве результата среднеарифметическое значение измеренного зазора за определенное число целых периодов вращения вала. При этом в течение каждого периода вращения снимается множество равноотстоящих мгновенных отсчетов зазора.
Алгоритм устранения ошибки измерения зазора приведен на рис. 3.10. Рис. 3.10. Алгоритм устранения ошибки измерения зазора в ГМО С помощью отражательной оптопары и нанесенной на вал метки определяется частота и период вращения ротора. Вычисляется время десяти оборотов вала и частота снятия отсчетов с индуктивного датчика исходя из заданного числа преобразований. Сигнал с датчика поступает на АЦП. Программа собирает заданное число отсчетов датчика и вычисляет среднее значение зазора за десять оборотов, а также рассчитывает относительный эксцентриситет вала. Таким образом, можно компенсировать систематическую ошибку, вносимую за счет неидеально обработанной поверхности вала, и определять относительный эксцентриситет в опоре.
Для оценки точности вычислим коэффициенты ошибки системы управления по току радиальной ГМО. Определим передаточные функции по ошибке СУ, приведенной на рис. 3.4. Передаточная функция разомкнутой системы по управлению описывается выражением (3.1), тогда передаточная функция по ошибке e относительно управления lС :
Реализация СУ на базе контроллера NI sbRIO-9636
Опытный образец ГМО имеет конструкцию радиальной опоры с продольным расположением трех П-образных магнитопроводов (см. рис. 2.6), преимущества которой рассмотрены в главе 2. В программе T-FLEX CAD разработаны чертежи всех элементов электромеханической части ГМО, по которым изготовлен опытный образец опоры. В процессе конструирования найдены новые технические решения. Так вкладыш ГМО представляет собой втулку с буртиками для герметизации воздушной напорной полости. Во втулке выфрезерованы два ряда отверстий диаметром 8 мм по 6 отверстий в ряду. В отверстия вклеены пористые вставки из термически обработанной древесины березы. На способ специальной подготовки древесины для придания требуемых физических свойств получен патент на изобретение (Патент №2554897 «Способ обработки пористого вкладыша газового подшипника»). вала D = 50 мм, средний радиальный зазор в газовой части SG=50 мкм, радиальный зазор в магнитной части / = 150 мкм, площадь полюса каждого электромагнита S = 4-Ю 5 м, число витков в обмотках 800. Соосно с каждым электромагнитом установлен вихретоковый датчик перемещения. Это позволяет использовать три независимых одинаковых контура управления, что в целом упрощает систему управления.
Для проведения исследования неуправляемого газомагнитного подшипника с одним поперечно расположенным электромагнитом ранее был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, структура которого приведена на рис. 4.4.
Стенд объединяет механическую, пневматическую и электронную измерительную части. Механическая часть содержит два опорных газостатических подшипника 7 и 8, обеспечивающих воздушный подвес вала 11, который приводится во вращение с помощью крыльчатки 27 подаваемым сжатым воздухом. В средней части вала расположена плавающая исследуемая опора 14 и средства ее нагружения. Пневматическая часть установки обеспечивает питание подшипников и движителя сжатым воздухом.
Стенд включает вал 11, опорные газостатические подшипники 7,8, устройство для создания радиальной нагрузки 16,28, исследуемый газомагнитный подшипник 14, турбину 20, 27, расходомерное устройство 19, частотомер 25, индикатор 17, прибор для регистрации зазора между валом и исследуемым подшипником 32, датчик виброускорения 33.
Вал 11 выполнен диаметром 50 мм и длиной 270 мм. На концах вала имеются шейки, на которых установлены подпятники 12,13. На одной из шеек вала крепится рабочее колесо турбины 20. Короткая шейка 23 предназначена для измерения частоты вращения вала. Опорами вала служат два радиально-упорных цилиндрических газостатических подшипника 7, 8. Опорные подшипники имеют два сдвоенных ряда питателей. Упорные подшипники – однорядные с шестнадцатью питающими отверстиями диаметром 0,7 мм. Подпятники 12 установлены в обоймах, которые крепятся в шарнирных самоустанавливающихся опорах 21, позволяющих подшипникам занимать положение соосное с валом. Шарнирные опоры установлены в стойках 9,10.
Радиальная нагрузка на испытываемый подшипник создается поршнем 16 диаметром 50 мм, размещенным в корпусе 28. Шток поршня диаметром 10 мм связан с корпусом исследуемого газомагнитного подшипника с одним поперечно расположенным электромагнитом через магнитопровод, жестко закреплённый в этом корпусе, гибкой связью 15.
Усовершенствованный автором экспериментальный стенд дополнен индуктивными датчиками перемещения Balluff BAW-M08EI-UA с рабочим диапазоном измерений 0,5…1,5 мм, имеющими линейный аналоговый выход, оптическим датчиком вращения вала на базе отражательной оптопары, измерительным DAQ-устройством NI 6259, ПК с программным обеспечением LabVIEW и цифровым осциллографом. Фотография усовершенствованного экспериментального стенда приведена на рис. 4.5.
На стенде получены нагрузочные характеристики опытной ГМО для использования в разрабатываемой СУ, апробирован алгоритм устранения ошибки измерения зазора из-за отклонения формы вала, испытана цифровая СУ и проведено исследование работы опытной ГМО.
Структурная схема электронной части усовершенствованного стенда представлена на рис. 4.6. Измерительным устройством является многофункциональное быстродействующее устройство сбора информации с USB интерфейсом NI6259 компании National Instruments, в котором сигнал с датчика перемещения поступает на аналоговый вход, а сигнал с оптопары – на цифровой вход.