一种用于永磁推力轴承动态性能测试加载装置及其设计方法

1.本发明属于永磁推力轴承检测技术领域，涉及一种加载装置，尤其涉及一种用于永磁推力轴承动态性能测试加载装置及其设计方法。


背景技术：

2.随着磁技术的逐步发展，磁轴承在工程领域上的应用不断深入。推力轴承作为机械设备上的重要零部件，永磁推力轴承能够通过磁场的相互作用实现无机械接触，在机械设备应用上有着广阔的前景。永磁推力轴承的动态性能，即轴承动刚度，是磁轴承的关键评价参数。研究永磁推力轴承动刚度对磁轴承性能的提升有着深远的影响，是永磁推力轴承上不可回避的研究重点。永磁推力轴承动态性能测试本质是磁轴承在不同转速下受到静推力和激振力叠加作用下，采集轴向力及轴向偏移量来计算动刚度，进而形成动刚度-频率曲线。实验中，加载装置分别为液压缸和激振器，但液压缸和激振器均只能加载于静端面，而被测对象需在电机驱动下作旋转运动，故无法将载荷直接加载至旋转端面上。
3.目前，永磁推力轴承相关研究内容相对新颖，对其性能参数的研究还尚未形成完整的实验方案体系，故用于永磁推力轴承动态性能测试载荷加载的设备研究和设计相对较少。针对高校科研项目需求，本发明提出一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置设计方法。


技术实现要素：

4.本发明针对液压缸和激振器无法将载荷直接加载至旋转端面上，以及两个独立加载设备不能直接加载至同一端面的难题，发明一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置设计方法，以满足永磁推力轴承动态性能测试的加载需求。通过该种加载机构设计，可实现液压缸和激振器将载荷均匀加载至旋转端面，完成对永磁推力轴承动态性能测试的载荷加载。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于永磁推力轴承动态性能测试加载装置，所述的加载装置包括永磁推力轴承端法兰盘1、垫圈2、交叉滚子轴承3、传感器侧法兰盘4、轮辐式力传感器5、加载悬臂梁7、动力传感器8、推力加载装置6、激振力加载装置9、电涡流位移传感器11组成的主要结构件，以及由位移传感器支架12、交叉滚子轴承外环螺母13、交叉滚子轴承外环螺栓14、传感器侧法兰盘用垫圈15、传感器侧法兰盘用螺栓16、交叉滚子轴承内环螺钉17、传感器侧法兰盘用螺母18组成的辅助零部件。
7.所述永磁推力轴承端法兰盘1为永磁推力轴承输出接口，安装于交叉滚子轴承3动侧；永磁推力轴承端法兰盘1的外形尺寸由永磁推力轴承尺寸确定。
8.所述垫圈2放置于交叉滚子轴承3与永磁推力轴承端法兰盘1之间；垫圈2的内径和外径分别与交叉滚子轴承外环的内径和外径相匹配；垫圈2将交叉滚子轴承3的非旋转内环部分与旋转的永磁推力轴承端法兰盘1相隔开，为加载设备提供非旋转加载端面；所述交叉
滚子轴承3、垫圈2和永磁推力轴承端法兰盘1同心安装，通过交叉滚子轴承外环螺栓14依次穿过交叉滚子轴承3、垫圈2和永磁推力轴承端法兰盘1，交叉滚子轴承外环螺母13采用双螺母式配合。
9.所述交叉滚子轴承3包含内环、外环，两者通过交叉滚子接触连接；交叉滚子轴承3的内环部分与传感器侧法兰盘4通过螺钉连接，为非旋转部分；交叉滚子轴承3的外环部分与永磁推力轴承端法兰盘通过螺栓和螺母连接，为旋转部分。
10.所述传感器侧法兰盘4为本装置的核心部件，传感器侧法兰盘4的结构为凸面法兰盘，该部件在轮辐式力传感器的安装位置加工有与轮辐式力传感器外径尺寸相同的圆形安装槽。传感器侧法兰盘4的作用是与静止的交叉滚子轴承内环部分相连接，传感器侧法兰盘4与交叉滚子轴承3的内环部分通过交叉滚子轴承内环螺钉17与交叉滚子轴承内环螺纹的配合来实现联接；传感器侧法兰盘4的另一作用是为轮辐式力传感器5在静端面处提供安装空间，轮辐式力传感器5安装与传感器侧法兰盘的安装槽内，采用传感器侧法兰盘用螺栓16、传感器侧法兰盘用垫圈15和传感器侧法兰盘用螺母18在加载悬臂梁7一侧配合固定，传感器侧法兰盘用螺母18使用双螺母防松安装，实现传感器侧法兰盘4、轮辐式力传感器5、加载悬臂梁7的固定；传感器侧法兰盘4的法兰盘还需作为电涡流位移传感器11的测量平面，法兰盘的外径根据于电涡流位移传感器11的外形尺寸进行设计。
11.所述的加载悬臂梁7为本装置的另一核心部件，该部件由法兰盘凸台、悬臂梁一体化设计而成。法兰盘的凸台结构为圆柱体，凸台中心轴线与法兰盘中心轴线共线，法兰盘凸台通过铸造工艺制造；悬臂梁通过焊接与凸台连接，焊接要求悬臂梁外侧的螺纹孔中心轴线与凸台轴线共处一个平面；法兰盘凸台中的法兰盘的作用是固定轮辐式力传感器，其尺寸根据于轮辐式力传感器尺寸设计。加载悬臂梁7的悬臂梁、动力传感器8和激振力加载装置9依次通过螺纹相连接；在实验过程中，推力加载装置6通过推杆伸长，压在悬臂梁7的法兰盘凸台中心处，进而对永磁推力轴承的轴向静载荷加载；所述激振力加载装置9通过螺纹与动力传感器8配合，动力传感器8的螺纹与加载悬臂梁7螺纹安装孔相配合，实现激振力加载装置9、动力传感器8以及加载悬臂梁7的联接，进而将激振力加载装置9的载荷加载至悬臂梁7的法兰盘中心轴线处，完成对永磁推力轴承沿轴向的激振力加载。
12.所述推力加载装置6和激振力加载装置9通过支撑件10安装于预定安装平台。
13.所述电涡流位移传感器11通过位移传感器支架12安装于预定安装平台，位移传感器采用非接触式测量，位移传感器探头与传感器侧法兰盘4间相隔一定距离，传感器探头依靠小型线圈产生电磁场，被接近的测体表面会产生感应电流，进而产生反向的电磁场，根据反向电磁场的强度来计算出传感器与被测物间的距离，完成轴向位移的测量。
14.所述轮辐式力传感器5安装于传感器侧法兰盘4和加载悬臂梁7之间，传感器设备本身的刚度支撑其为轴的一部分，在受压中采集轴向力数值；轮辐式力传感器5通过弹性体元件在外力下发生形变，使电阻应变片也发生形变，导致电阻值变化，再对应变换为电信号，实现将外力转换为电信号，进而完成轴向力测量。
15.进一步的，所述激振力加载装置9，包括激振器、功率放大器、信号发生器及在线电荷转换器；需根据实际模拟情景，选配激振器幅值和激振频率。
16.进一步的，所述动力传感器8与加载悬臂梁7和激振力加载装置9串联，测试过程中不承受静力载荷。
17.进一步的，所述的传感器侧法兰盘用垫圈15为防松垫圈，该部件与传感器侧法兰盘用螺栓16、传感器侧法兰盘用垫圈15和传感器侧法兰盘用螺母18配合使用；本装置中的激振器设备会产生振动信号，当传感器侧法兰盘用螺栓16发生松动时，垫圈通过自身结构的相对错动产生抬力，起到防松的作用。
18.一种用于永磁推力轴承动态性能测试加载装置的设计方法，所述设计方法包括交叉滚子轴承、轮辐式力传感器、动力传感器选型、零部件设计及推力加载装置和激振力加载装置的确定，进而完成加载装置结构的设计。该设计方法适用于各种尺寸的永磁推力轴承动态性能测试，具体方法如下所示：
19.(a)选择交叉滚子轴承的尺寸
20.根据永磁推力轴承轴向最大静推力确定交叉滚子轴承的额定负荷f
额
：
21.f
额
＝a
×fmax
22.其中，f
max
为永磁推力轴承动态性能测试轴向静推力的最大值；a为交叉滚子轴承的安全系数，由于交叉滚子轴承为本设备核心部件，需虑及其运行安全性，a的取值范围为1.5-2.5。
23.根据于交叉滚子轴承的的额定负荷f
额
，选择交叉滚子轴承尺寸，进而确定交叉滚子轴承外环的孔数n
交叉
和对应交叉滚子轴承内环的安装孔尺寸d
交叉
。
24.(b)校核交叉滚子轴承外环的螺栓强度
25.本发明中，垫圈2分别与永磁推力端法兰盘1、交叉滚子轴承3外环部分相贴合，其垫圈孔数n
垫
、垫圈外径dw:
26.n
垫
＝n
法兰盘
＝n
交叉
27.dw＝d
法兰盘
＝d
交叉
28.其中：n
法兰盘
、d
法兰盘
、n
交叉
、d
交叉
分别为永磁推力轴承端法兰盘孔数及安装孔尺寸，交叉滚子轴承外环孔数及安装孔尺寸，该尺寸取决于交叉滚子轴承的选择。针对交叉滚子轴承外环螺栓14进行强度校核，选用解析法计算：
29.采用铰孔制固定永磁推力轴承端法兰盘1、垫圈2以及交叉滚子轴承外环螺栓14。该装配方式依靠螺栓剪切和螺栓与孔壁挤压来抵抗转矩。交叉滚子轴承外环螺栓14受到的最大剪切力f
smax
为：
[0030][0031]
其中，t表示来自永磁推力轴承端法兰盘传递扭矩；r
max
表示螺栓的轴线到螺栓组对称中心轴线的最大距离；z表示螺栓组中螺栓的个数；rj表示第j个螺栓的轴线到螺栓组对称中心轴线的距离；
[0032]
对交叉滚子轴承外环螺栓14的剪切强度τ进行校核：
[0033][0034]
其中：i为交叉滚子轴承外环螺栓杆14受剪面的数目；d0为交叉滚子轴承外环螺栓14受剪面直径；[τ]为合金钢材料许用剪切力；[σ]为合金钢材料拉伸许用应力。
[0035]
对交叉滚子轴承外环螺栓14的挤压强度σ
jy
进行校核：
[0036][0037]
其中：l
min
为交叉滚子轴承外环螺栓杆14与交叉滚子轴承外环安装孔孔壁挤压面的最小高度，实际使用时l
min
≥1.25d，其中d表示交叉滚子轴承外环螺栓杆14的直径。
[0038]
(c)设计传感器侧法兰盘
[0039]
本发明中，传感器侧法兰盘4用于分别连接轮辐式力传感器5和交叉滚子轴承3，并作为电涡流位移传感器11的测量平面。传感器侧法兰盘4的直径d
法兰盘
需满足：
[0040]d法兰盘
≥l
位移
+d
位移
[0041]
其中，d
法兰盘
为电涡流位移传感器11中心轴线与传感器法兰盘4中心轴线间的距离；d
位移
为电涡流位移传感器11的最大直径。
[0042]
采用有限元分析方法，单独校核传感器侧法兰盘4部件的结构强度。将传感器侧法兰盘4与交叉滚子轴承内环螺钉17的接触面定义为固定边界，轴向载荷均匀加载于轮辐式力传感器安装端面。在有限元分析结果中，传感器侧法兰盘4的屈服强度σs需满足：
[0043]
σs≤[σs]
[0044]
其中，[σs]为材料屈服强度。
[0045]
(d)选择推力加载装置和激振力加载装置
[0046]
本发明中，推力加载装置9根据永磁推力轴承的轴向最大承载力，确定推力加载装置6的轴向最大推力；激振力加载装置9的激振力最大幅值fd需满足：
[0047][0048]
其中，fs为推力加载装置6的轴向最大推力。
[0049]
(e)设计加载悬臂梁
[0050]
本发明中，加载悬臂梁7由法兰盘与悬臂梁组合而成。悬臂梁长度lf需满足：
[0051][0052]
其中，d
静载
为推力加载装置6的宽度；d
激振力
为激振力加载装置9的宽度。
[0053]
工作过程中加载悬臂梁7的法兰盘中心受到静推力，悬臂梁中心会受到激振力。采用有限元分析单独校核加载悬臂梁7的结构强度。在有限元分析中，将轴向静载荷均布加载于法兰盘中心平面；交变载荷加载于悬臂梁螺纹安装孔底面；定义加载悬臂梁7的安装孔内壁为固定边界。加载悬臂梁屈服强度σf需满足：
[0054]
σf≤[σs]
[0055]
其中，[σs]为材料屈服强度。
[0056]
本发明的有益效果为：
[0057]
本发明针对液压缸和激振器无法将载荷直接加载至旋转端面上，以及两个独立加载设备不能直接加载至同一端面的难题，通过交叉滚子轴承以及传感器侧法兰盘实现动静端面的分离，通过加载端法兰盘实现轴向静推力以及激振力均加载至轴线中心。本发明通过该种加载机构设计，将推力加载装置和激振器的载荷均匀加载至旋转端面，实现对永磁推力轴承的动态载荷加载。
附图说明
[0058]
图1是永磁推力轴承动态性能测试的加载装置整体结构示意图；
[0059]
图2是永磁推力轴承动态性能测试的加载装置整体结构侧视图；
[0060]
图3是永磁推力轴承动态性能测试的加载装置整体结构俯视图；
[0061]
图4是本发明的交叉滚子轴承处的爆炸图；
[0062]
图5是本发明的交叉滚子轴承处的剖视图；
[0063]
图6是本发明的传感器法兰盘及加载悬臂梁处的爆炸图；
[0064]
图7是本发明的传感器法兰盘及加载悬臂梁处的剖视图；
[0065]
图8是本发明的传感器法兰盘有限元分析结果图；
[0066]
图9是本发明的加载悬臂梁有限元分析结果图。
[0067]
图中：1永磁推力轴承端法兰盘；2垫圈；3交叉滚子轴承；4传感器侧法兰盘；5轮辐式力传感器；6推力加载装置；7加载悬臂梁；8动力传感器；9激振力加载装置；10支撑件；11电涡流位移传感器；12位移传感器支架；13交叉滚子轴承外环螺母；14交叉滚子轴承外环螺栓；15传感器侧法兰盘用垫圈；16传感器侧法兰盘用螺栓；17交叉滚子轴承内环螺钉；18传感器侧法兰盘用螺母。
具体实施方式
[0068]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。
[0069]
如附图1，一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，所述的加载装置包括永磁推力轴承端法兰盘1、垫圈2、交叉滚子轴承3、传感器侧法兰盘4、轮辐式力传感器5、加载悬臂梁7、动力传感器8、推力加载装置6、激振力加载装置9、电涡流位移传感器11组成的主要结构件，以及由位移传感器支架12、交叉滚子轴承外环螺母13、交叉滚子轴承外环螺栓14、传感器侧法兰盘用垫圈15、传感器侧法兰盘用螺栓16、交叉滚子轴承内环螺钉17、传感器侧法兰盘用螺母18组成的辅助零部件。
[0070]
如附图2，所述永磁推力轴承端法兰盘1为永磁推力轴承输出接口，安装于交叉滚子轴承3动侧；永磁推力轴承端法兰盘1的外形尺寸由永磁推力轴承尺寸确定；
[0071]
如附图3，所述垫圈2放置于交叉滚子轴承3与永磁推力轴承端法兰盘1之间；垫圈2的内径和外径分别与交叉滚子轴承外环的内径和外径相匹配；垫圈2将交叉滚子轴承3的非旋转内环部分与旋转的永磁推力轴承端法兰盘1相隔开，为加载设备提供非旋转加载端面；所述交叉滚子轴承3、垫圈2和永磁推力轴承端法兰盘1同心安装，通过交叉滚子轴承外环螺栓14依次穿过交叉滚子轴承3、垫圈2和永磁推力轴承端法兰盘1，交叉滚子轴承外环螺母13采用双螺母式配合；
[0072]
如附图4，所述交叉滚子轴承3包含内环、外环，两者通过交叉滚子接触连接；交叉滚子轴承3的内环部分与传感器侧法兰盘4通过螺钉连接，为非旋转部分；交叉滚子轴承3的外环部分与永磁推力轴承端法兰盘通过螺栓和螺母连接，为旋转部分。
[0073]
如附图5，所述传感器侧法兰盘4为本装置的核心部件，传感器侧法兰盘4的结构为凸面法兰盘，该部件在轮辐式力传感器的安装位置加工有与轮辐式力传感器外径尺寸相同的圆形安装槽。传感器侧法兰盘4的作用是与静止的交叉滚子轴承内环部分相连接，传感器
侧法兰盘4与交叉滚子轴承3的内环部分通过交叉滚子轴承内环螺钉17与交叉滚子轴承内环螺纹的配合来实现联接；传感器侧法兰盘4的另一作用是为轮辐式力传感器5在静端面处提供安装空间，轮辐式力传感器5安装与传感器侧法兰盘的安装槽内，采用传感器侧法兰盘用螺栓16、传感器侧法兰盘用垫圈15和传感器侧法兰盘用螺母18在加载悬臂梁7一侧配合固定，传感器侧法兰盘用螺母18使用双螺母防松安装，实现传感器侧法兰盘4、轮辐式力传感器5、加载悬臂梁7的固定；传感器侧法兰盘4的法兰盘还需作为电涡流位移传感器11的测量平面，法兰盘的外径根据于电涡流位移传感器11的外形尺寸进行设计；
[0074]
如附图6，所述的加载悬臂梁7为本装置的另一核心部件，该部件由法兰盘凸台、悬臂梁一体化设计而成。法兰盘的凸台结构为圆柱体，凸台中心轴线与法兰盘中心轴线共线，法兰盘凸台通过铸造工艺制造；悬臂梁通过焊接与凸台连接，焊接要求悬臂梁外侧的螺纹孔中心轴线与凸台轴线共处一个平面；法兰盘凸台中的法兰盘的作用是固定轮辐式力传感器，其尺寸根据于轮辐式力传感器尺寸设计。如附图7，加载悬臂梁7的悬臂梁、动力传感器8和激振力加载装置9依次通过螺纹相连接；在实验过程中，推力加载装置6通过推杆伸长，压在悬臂梁7的法兰盘凸台中心处，进而对永磁推力轴承的轴向静载荷加载；所述激振力加载装置9通过螺纹与动力传感器8配合，动力传感器8的螺纹与加载悬臂梁7螺纹安装孔相配合，实现激振力加载装置9、动力传感器8以及加载悬臂梁7的联接，进而将激振力加载装置9的载荷加载至悬臂梁7的法兰盘中心轴线处，完成对永磁推力轴承沿轴向的激振力加载；
[0075]
所述推力加载装置6和激振力加载装置9通过支撑件10安装于预定安装平台；
[0076]
所述电涡流位移传感器11通过位移传感器支架12安装于预定安装平台，位移传感器采用非接触式测量，位移传感器探头与传感器侧法兰盘4间相隔一定距离，传感器探头依靠小型线圈产生电磁场，被接近的测体表面会产生感应电流，进而产生反向的电磁场，根据反向电磁场的强度来计算出传感器与被测物间的距离，完成轴向位移的测量。
[0077]
所述轮辐式力传感器5安装于传感器侧法兰盘4和加载悬臂梁7之间，传感器设备本身的刚度支撑其为轴的一部分，在受压中采集轴向力数值；轮辐式力传感器5通过弹性体元件在外力下发生形变，使电阻应变片也发生形变，导致电阻值变化，再对应变换为电信号，实现将外力转换为电信号，进而完成轴向力测量。
[0078]
进一步的，所述激振力加载装置9，包括激振器、功率放大器、信号发生器及在线电荷转换器；需根据实际模拟情景，选配激振器幅值和激振频率。
[0079]
进一步的，所述动力传感器8与加载悬臂梁7和激振力加载装置9串联，测试过程中不承受静力载荷。
[0080]
进一步的，所述的传感器侧法兰盘用垫圈15为防松垫圈，该部件与传感器侧法兰盘用螺栓16、传感器侧法兰盘用垫圈15和传感器侧法兰盘用螺母18配合使用；本装置中的激振器设备会产生振动信号，当传感器侧法兰盘用螺栓16发生松动时，垫圈通过自身结构的相对错动产生抬力，起到防松的作用。
[0081]
(a)选择交叉滚子轴承的尺寸
[0082]
根据于永磁推力轴承轴向最大静推力确定交叉滚子轴承的额定负荷f
额
。其中，f
max
为永磁推力轴承动态性能测试轴向静推力的最大值，a为安全系数。结合永磁推力轴承基本参数，永磁推力轴承轴向力最大值为2.5kn，取安全系数为2。
[0083]f额
＝a
×fmax
＝2
×
2.5kn＝5kn
[0084]
结合交叉滚子轴承选型手册，确定交叉滚子轴承的基本尺寸参数，对应交叉滚子轴承的外环基本尺寸为d＝70mm，交叉滚子轴承外环上的孔尺寸为6-φ3.4通孔；交叉滚子轴承内环上的安装孔为6-m3，对应安装孔尺寸为28mm。
[0085]
(b)校核交叉滚子轴承外环的螺栓强度
[0086]
垫圈分别与永磁推力端法兰盘、交叉滚子轴承外环部分相贴合，其交叉滚子轴承外环的孔数n
垫
、交叉滚子轴承外环安装孔尺寸dw:
[0087]n垫
＝n
法兰盘
＝n
交叉
＝6
[0088]dw
＝d
法兰盘
＝d
交叉
＝57mm
[0089]
其中：n
法兰盘
、d
法兰盘
、n
交叉
、d
交叉
分别为永磁推力轴承端法兰盘孔数及安装孔尺寸，交叉滚子轴承外环孔数及安装孔尺寸，该尺寸取决于交叉滚子轴承的选择。针对交叉滚子轴承外环螺栓14进行强度校核，选用解析法计算：
[0090]
采用铰孔制固定永磁推力轴承端法兰盘1、垫圈2以及交叉滚子轴承外环螺栓14。该装配方式依靠螺栓剪切和螺栓与孔壁挤压来抵抗转矩。本设备受到转矩取决于永磁推力轴承电机驱动端，本实施例中，永磁推力轴承端法兰盘传递扭矩t为77n
·
m；r
max
螺栓的轴线到螺栓组对称中心轴线的最大距离r
max
为28.5mm；螺栓组中螺栓的个数z为6个；每个螺栓的轴线到螺栓组对称中心轴线的距离rj为28.5mm；
[0091][0092]
对交叉滚子轴承外环螺栓14剪切强度τ进行校核：
[0093][0094]
其中：i为交叉滚子轴承外环螺栓杆14受剪面的数目；d0为交叉滚子轴承外环螺栓杆14受剪面直径；[τ]为合金钢材料许用剪切力；[σ]为合金钢材料拉伸许用应力。结合附图5，螺栓受剪面为1，螺栓受剪面直径为3mm。本实施例选用12.9级高强度螺栓，合金钢材料拉伸许用应力[σ]为1220mpa。进行校核计算：
[0095][0096]
0.0638mpa≤[τ]＝(0.75～0.8)[σ]
[0097]
结论，交叉滚子轴承外环螺栓14剪切强度合格。
[0098]
该处螺栓受到挤压力，对螺栓挤压强度σ
jy
进行校核：
[0099][0100]
其中：l
min
为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，实际使用时l
min
≥1.25d，本实施例中l
min
取为6mm。进行校核计算：
[0101]
[0102]
25.01mpa≤[σ]
p
＝(1.7～2.0)[σ]
[0103]
结论，交叉滚子轴承外环螺栓14挤压强度合格。
[0104]
(c)设计传感器侧法兰盘
[0105]
本发明中，传感器侧法兰盘4用于分别连接轮辐式力传感器5和交叉滚子轴承3，并作为电涡流位移传感器11的测量平面。传感器侧法兰盘4的直径d
法兰盘
需满足：
[0106]d法兰盘
≥l
位移
+d
位移
[0107]
其中，d
法兰盘
为电涡流位移传感器11中心轴线与传感器法兰盘4中心轴线间的距离；d
位移
为电涡流位移传感器11的最大直径。本具体实施例中，永磁推力轴承的轴向偏移量设计为8mm，选用量程范围为10mm的电涡流位移传感器。该型电涡流位移传感器外形尺寸d
位移
为35mm。本实施例中l
位移
取65mm。因此，d
法兰盘
取为110mm。
[0108]
采用有限元分析方法，本具体实施例中，材料采用45钢；将传感器侧法兰盘4与交叉滚子轴承内环螺钉17的接触面定义为固定边界；轴向载荷为3kn，轴向载荷均匀加载于轮辐式力传感器安装端面。如附图8，在有限元分析结果中，传感器侧法兰盘4的最大应力σw需满足：
[0109]
σs≤[σs]
[0110]
本具体实施例中，本部件选用45钢，材料屈服强度[σs]为355mpa。有限元分析结果见附图8，由结果可得本具体实施例的传感器侧法兰盘4整体受力均匀，应力主要集中在传感器侧法兰盘4与交叉滚子轴承3内环的接触面上，应力最大值集中于传感器测法兰盘4的螺纹孔边缘，结果显示σs最大值为35.842mpa：
[0111]
σs＝35.842mpa≤[σ]
[0112]
结论，传感器侧法兰盘4强度符合。
[0113]
(d)选择推力加载装置和激振力加载装置
[0114]
本发明中，推力加载装置9根据永磁推力轴承的轴向最大承载力，确定推力加载装置6的轴向最大推力；激振力加载装置9的激振力最大幅值fd需满足：
[0115][0116]
其中，fs为推力加载装置6的轴向最大推力。本具体实施例中，永磁推力轴承的额定轴向推力为2.5kn，选择推力加载装置的最大推力fs为3kn，激振力加载装置的最大幅值为100n。
[0117]
(e)设计加载悬臂梁
[0118]
本发明中，加载悬臂梁7由法兰盘与悬臂梁组合而成。悬臂梁长度lf需满足：
[0119][0120]
其中，d
静载
为推力加载装置6的宽度；d
激振力
为激振力加载装置9的宽度。本具体实施例中d
静载
150，d
激振力
为80mm。以上式为根据，lf取205mm。
[0121]
工作过程中加载悬臂梁7的法兰盘中心受到静推力，悬臂梁中心会受到激振力。采用有限元分析单独校核加载悬臂梁7的结构强度。本具体实施例材料采用45钢；在有限元分析中，轴向静载荷3kn均布加载于法兰盘中心平面，交变载荷加载于悬臂梁安装孔底面，幅值为100n；加载悬臂梁的安装孔内壁设为固定边界。本具体实施例中，本部件选用45钢，材
料屈服强度[σs]为355mpa。有限元分析结果见附图9，由结果可得，加载悬臂梁整体结构的应力分布较为均匀；加载悬臂梁的悬臂梁部分与凸台结构的交界部分应力较大，约为8.73mpa；在加载悬臂梁的凸台结构与法兰盘的交界处的应力较大，约为11.649mpa；加载悬臂梁法兰盘的安装孔边缘应力较大，该部分是分析结果中应力最大的位置，结果显示σf最大值为26.209mpa：
[0122]
σf≤[σ]
[0123]
结论，加载悬臂梁7强度符合。
[0124]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，其特征在于，所述的加载装置包括主要结构件和辅助零部件，所述主要结构件包括永磁推力轴承端法兰盘(1)、垫圈(2)、交叉滚子轴承(3)、传感器侧法兰盘(4)、轮辐式力传感器(5)、加载悬臂梁(7)、动力传感器(8)、推力加载装置(6)、激振力加载装置(9)、电涡流位移传感器(11)，所述辅助零部件包括位移传感器支架(12)；所述永磁推力轴承端法兰盘(1)为永磁推力轴承输出接口，安装于交叉滚子轴承(3)动侧；永磁推力轴承端法兰盘(1)的外形尺寸由永磁推力轴承尺寸确定；所述垫圈(2)放置于交叉滚子轴承(3)与永磁推力轴承端法兰盘(1)之间，为加载设备提供非旋转加载端面；垫圈(2)与交叉滚子轴承外环相匹配；所述交叉滚子轴承(3)包含内环、外环，两者通过交叉滚子接触连接；其内环部分与传感器侧法兰盘(4)连接，为非旋转部分；其外环部分与永磁推力轴承端法兰盘(1)连接，为旋转部分；所述传感器侧法兰盘(4)结构为凸面法兰盘，其在轮辐式力传感器的安装位置加工有与轮辐式力传感器外径尺寸相同的圆形安装槽；传感器侧法兰盘(4)作用是：与静止的交叉滚子轴承(3)的内环部分相连接，另一作用是为轮辐式力传感器(5)在静端面处提供安装空间，并与加载悬臂梁(7)的法兰盘凸台端配合安装；传感器侧法兰盘(4)的法兰盘作为电涡流位移传感器(11)的测量平面，法兰盘外径根据电涡流位移传感器(11)的外形尺寸进行设计；所述的加载悬臂梁(7)由法兰盘凸台、悬臂梁一体化设计而成；法兰盘凸台为圆柱体，凸台中心轴线与法兰盘中心轴线共线；悬臂梁远离法兰盘凸台侧的螺纹孔中心轴线与凸台轴线共处一个平面；法兰盘凸台中法兰盘的作用是固定轮辐式力传感器(5)；加载悬臂梁(7)的悬臂梁、动力传感器(8)和激振力加载装置(9)依次串联连接，测试过程中不承受静力载荷；使用过程中，推力加载装置(6)压在悬臂梁(7)的法兰盘凸台中心处，进而对永磁推力轴承的轴向静载荷加载；激振力加载装置(9)的载荷通过动力传感器(8)、悬臂梁加载至法兰盘凸台的中心轴线处，完成对永磁推力轴承沿轴向的激振力加载；所述推力加载装置(6)和激振力加载装置(9)底部通过支撑件10安装于预定安装平台；所述电涡流位移传感器(11)通过位移传感器支架(12)安装于预定安装平台，位移传感器(11)采用非接触式测量，传感器探头与传感器侧法兰盘(4)面不接触，传感器探头产生电磁场，被接近的测体表面产生感应电流，进而产生反向电磁场，根据反向电磁场的强度来计算出位移传感器(11)与被测物间的距离，完成轴向位移的测量；所述轮辐式力传感器(5)安装于传感器侧法兰盘(4)和加载悬臂梁(7)的法兰盘凸台之间，在受压中采集轴向力数值。2.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，其特征在于，所述交叉滚子轴承(3)、垫圈(2)和永磁推力轴承端法兰盘(1)同心安装，通过交叉滚子轴承外环螺栓(14)依次穿过交叉滚子轴承(3)、垫圈(2)和永磁推力轴承端法兰盘(1)，与交叉滚子轴承外环螺母(13)采用双螺母式配合。3.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，其特征在于，所述的传感器侧法兰盘(4)与交叉滚子轴承(3)的内环部分通过交叉滚子轴承内环螺钉(17)与交叉滚子轴承内环螺纹的配合来实现连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，其特征在于，所述的轮辐式力传感器(5)安装于传感器侧法兰盘(4)的安装槽内，采用传感器侧法兰盘用螺栓(16)、传感器侧法兰盘用垫圈(15)和传感器侧法兰盘用螺母(18)在加载悬臂梁(7)一侧配合固定，传感器侧法兰盘用螺母(18)使用双螺母防松安装，实现传感器侧法兰盘(4)、轮辐式力传感器(5)、加载悬臂梁(7)的固定。5.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，其特征在于，所述激振力加载装置(9)包括激振器、功率放大器、信号发生器及在线电荷转换器；需根据实际模拟情景，选配激振器幅值和激振频率。6.根据权利要求1所述的一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置，其特征在于，所述的传感器侧法兰盘用垫圈(15)为防松垫圈，该部件与传感器侧法兰盘用螺栓(16)、传感器侧法兰盘用垫圈(15)和传感器侧法兰盘用螺母(18)配合使用；本装置中的激振器设备会产生振动信号，当传感器侧法兰盘用螺栓(16)发生松动时，垫圈通过自身结构的相对错动产生抬力，起到防松的作用。7.一种权利要求1-6任一所述的用于永磁推力轴承动态性能测试加载装置的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括交叉滚子轴承、轮辐式力传感器、动力传感器选型、零部件设计及推力加载装置和激振力加载装置的确定，完成加载装置结构的设计；该设计方法适用于各种尺寸的永磁推力轴承动态性能测试，包括以下步骤：(a)选择交叉滚子轴承的尺寸根据永磁推力轴承轴向最大静推力确定交叉滚子轴承的额定负荷f
额
：f
额
＝a
×
f
max
其中，f
max
为永磁推力轴承动态性能测试轴向静推力的最大值；a为交叉滚子轴承的安全系数，a的取值范围为1.5-2.5；根据于交叉滚子轴承的的额定负荷f
额
，选择交叉滚子轴承尺寸，进而确定交叉滚子轴承外环的孔数n
交叉
和对应交叉滚子轴承内环的安装孔尺寸d
交叉
；(b)校核交叉滚子轴承外环的螺栓强度垫圈(2)分别与永磁推力端法兰盘(1)、交叉滚子轴承(3)外环部分相贴合，其垫圈孔数n
垫
、垫圈外径d
w
如下：n
垫
＝n
法兰盘
＝n
交叉
d
w
＝d
法兰盘
＝d
交叉
其中：n
法兰盘
、d
法兰盘
、n
交叉
、d
交叉
分别为永磁推力轴承端法兰盘孔数及安装孔尺寸，交叉滚子轴承外环孔数及安装孔尺寸，该尺寸取决于交叉滚子轴承的选择；采用解析法对交叉滚子轴承外环螺栓(14)进行强度校核：采用铰孔制固定永磁推力轴承端法兰盘(1)、垫圈(2)以及交叉滚子轴承外环螺栓(14)；交叉滚子轴承外环螺栓(14)受到的最大剪切力f
smax
为：其中，t表示来自永磁推力轴承端法兰盘传递扭矩；r
max
表示螺栓的轴线到螺栓组对称中心轴线的最大距离；z表示螺栓组中螺栓的个数；r
j
表示第j个螺栓的轴线到螺栓组对称
中心轴线的距离；对交叉滚子轴承外环螺栓(14)的剪切强度τ进行校核：其中：i为交叉滚子轴承外环螺栓杆(14)受剪面的数目；d0为交叉滚子轴承外环螺栓(14)受剪面直径；[τ]为合金钢材料许用剪切力；[σ]为合金钢材料拉伸许用应力；对交叉滚子轴承外环螺栓(14)的挤压强度σ
jy
进行校核：其中：l
min
为交叉滚子轴承外环螺栓杆(14)与交叉滚子轴承外环安装孔孔壁挤压面的最小高度，实际使用时l
min
≥1.25d，其中d表示交叉滚子轴承外环螺栓杆(14)的直径；(c)设计传感器侧法兰盘传感器侧法兰盘(4)用于分别连接轮辐式力传感器(5)和交叉滚子轴承(3)，并作为电涡流位移传感器(11)的测量平面；传感器侧法兰盘(4)的直径d
法兰盘
需满足：d
法兰盘
≥l
位移
+d
位移
其中，d
法兰盘
为电涡流位移传感器(11)中心轴线与传感器法兰盘(4)中心轴线间的距离；d
位移
为电涡流位移传感器(11)的最大直径；采用有限元分析方法，单独校核传感器侧法兰盘(4)部件的结构强度；将传感器侧法兰盘(4)与交叉滚子轴承内环螺钉(17)的接触面定义为固定边界，轴向载荷均匀加载于轮辐式力传感器安装端面；在有限元分析结果中，传感器侧法兰盘(4)的屈服强度σ
s
需满足：σ
s
≤[σ
s
]其中，[σ
s
]为材料屈服强度；(d)选择推力加载装置和激振力加载装置推力加载装置(9)根据永磁推力轴承的轴向最大承载力，确定推力加载装置(6)的轴向最大推力；激振力加载装置(9)的激振力最大幅值f
d
需满足：其中，f
s
为推力加载装置(6)的轴向最大推力；(e)设计加载悬臂梁加载悬臂梁(7)由法兰盘与悬臂梁组合而成；悬臂梁长度l
f
需满足：其中，d
静载
为推力加载装置(6)的宽度；d
激振力
为激振力加载装置(9)的宽度；工作过程中加载悬臂梁(7)的法兰盘中心受到静推力，悬臂梁中心会受到激振力；采用有限元分析单独校核加载悬臂梁(7)的结构强度；在有限元分析中，将轴向静载荷均布加载于法兰盘中心平面；交变载荷加载于悬臂梁螺纹安装孔底面；定义加载悬臂梁(7)的安装孔内壁为固定边界；加载悬臂梁屈服强度σ
f
需满足：σ
f
≤[σ
s
]
其中，[σ
s
]为材料屈服强度。

技术总结
本发明提供一种用于永磁推力轴承动态性能测试加载装置及其设计方法，属于永磁推力轴承检测技术领域。加载装置包括永磁推力轴承端法兰盘、垫片、交叉滚子轴承、传感器法兰盘、轮辐式力传感器、加载悬臂梁、动力传感器、推力加载装置、激振力加载装置、电涡流位移传感器。本发明针对液压缸和激振器无法将载荷直接加载至旋转端面上，以及两个独立加载设备不能直接加载至同一端面的难题，公开一种用于永磁推力轴承动态性能测试的加载装置设计方法，能够满足永磁推力轴承动态性能测试的加载需求。足永磁推力轴承动态性能测试的加载需求。足永磁推力轴承动态性能测试的加载需求。


技术研发人员：亓昌 李睿 刘巍 杨姝 刘学术 裴连政
受保护的技术使用者：大连理工大学宁波研究院
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/20