一种整体式高刚度气体推力轴承动态性能测试实验台的制作方法

本发明属于气体推力轴承测试技术领域，具体涉及一种整体式高刚度气体推力轴承动态性能测试实验台。

背景技术：

气体推力轴承的工作介质是轴承与静导轨之间一层很薄的且厚度基本保持恒定不变的气膜。气体推力轴承动态性能是指轴承在稳态工作点工作时受到垂直于气膜方向的外部扰动而表现出来的性能，其实质是气膜的动态性能，是影响气浮导轨动态性能的重要因素。

气体推力轴承因其低摩擦、非接触的特性广泛应用于精密线性平台。但由于其工作介质、本身结构设计等因素的影响，气体推力轴承也存在一些缺点。例如由于气体的可压缩性，气体轴承的刚度较小且提高困难、承载能力低，甚至可能出现自发激振现象。空气轴承在整个工作期间(如在机床上)不可避免的都要受到振动，且气体推力轴承的气膜既是运动副的润滑剂又起着承担载荷的作用，气膜的波动影响着系统的稳定性，如果能使轴承动态性能十分合理就可以保证轴承在工作载荷作用下稳定持久地工作。因此认识气体轴承的动态特性对于气体轴承的参数设计、工程应用和精密气浮导轨的调试具有重要的意义。

气体推力轴承的动态性能研究的一种方法是利用计算机的快速计算能力去求解针对气体轴承物理模型建立的偏微分方程，但这类方程是经过简化的，反映的人类对气体轴承的认识是有限的。另一种方法是实验研究，是最接近实际应用的研究方式，对于理论分析和数值计算得到的动态性能参数的有效性最终也需要通过实验来验证。

气体推力轴承在工程应用中往往采用对称封闭安装、重量平衡等方式达到最佳工作气膜间隙（即稳态工作点），对于其动态性能的测试在动态力加载之前首先要求轴承达到稳态工作点。而目前气体推力轴承的性能测试装置大多只能实现静态力的加载进行静态性能的测试，也有类似装置实现了动态力和静态力的同时加载，但因其实验台刚度低导致的微变形、加载方式造成轴承的倾斜等影响动态测试结果，不能满足气体推力轴承动态性能测试的要求。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为分析、研究和应用气体推力轴承提供技术保障，设计专用的气体推力轴承测试装置，提供一种适于工程应用的、可准确测试气体推力轴承的动态气膜间隙和动态承载力的专用实验台。

本发明的技术方案为：

一种整体式高刚度气体推力轴承动态性能测试实验台，包括口字形框架1、设置于口字形框架内的机械系统和与机械系统连接的测试控制系统，所述的机械系统包括沿口字形框架竖直中心线方向依次连接设置的静态力加载机构、空气弹簧、动态力加载机构、承载压板和测力圆盘，所述承载压板和测力圆盘之间设置多个非接触式位移传感器，所述测力圆盘与口字形框架内壁的底面之间设置多个测力传感器，在承载压板和测力圆盘之间安设被测轴承，被测轴承的气浮工作面朝上正对承载压板下表面，所述的动态力加载机构通过空气弹簧与静态力加载机构串联对被测轴承进行动静同时加载；所述静态力加载机构的上端与口字形框架内壁的顶面固定连接；所述的测试控制系统包括与动态力加载机构连接的动态力加载控制系统、与被测轴承连接的压缩气体控制系统和与多个非接触式位移传感器、多个测力传感器连接的数据采集及测试显示系统。

所述的静态力加载机构为螺旋剪式千斤顶，其上端通过螺钉固定在口字形框架内壁的顶面，下端通过螺栓与空气弹簧刚性连接；所述的动态力加载机构为激振器，激振器上、下两端的顶杆均为球头结构，上端顶杆的球头结构与空气弹簧下表面的锥形凹槽配合形成球铰，下端顶杆的球头结构与承载压板上表面中心的锥形凹槽配合形成球铰；所述激振器还设置有激振器位置锁死装置，激振器位置锁死装置包括激振器安装导套、导向光轴和光轴支架；所述激振器安装导套的一端通过螺栓与激振器的底座刚性连接，激振器安装导套的另一端设置纵向的光轴孔，光轴孔内穿设所述的导向光轴，导向光轴的上、下两端连接光轴支架，光轴支架安装在口字形框架内壁的侧立面上；在激振器安装导套的光轴孔外壁设置有两个锁死螺钉。

所述的口字形框架采用一整体花岗岩石材加工成型，其壁厚不低于150mm。

所述的口字形框架底部设置有调平机构，调平机构主要包括五个角点螺栓。

所述的测力传感器设置三个，通过螺钉将测力圆盘、三个测力传感器、口字形框架固定连接；所述的非接触式位移传感器设置三个，三个非接触式位移传感器通过紧定螺钉安装在测力圆盘上并正对承载压板的下表面；三多个非接触式位移传感器和三个测力传感器均以口字形框架的竖直中心线为轴线环状均布设置。

所述的测力圆盘上设置有被测轴承定位装置，被测轴承定位装置包括定位弹簧柱塞，定位弹簧柱塞安装在测力圆盘的中心孔内，定位弹簧柱塞的上端头为球头结构并伸出测力圆盘的上表面；所述被测轴承的非气浮工作面几何中心处设置锥形凹槽，锥形凹槽与定位弹簧柱塞上端头的球头配合对被测轴承进行定位。

所述的动态力加载控制系统包括信号发生器、功率放大器和示波器，信号发生器的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接激振器；所述数据采集及测试显示系统包括分别与非接触式位移传感器和测力传感器连接的两个信号放大器、数据采集卡、工控机和示波器，两个信号放大器的输出端分别连接数据采集卡的模拟信号输入端，数据采集卡与工控机总线相连接，两个信号放大器的输出端分别连接一个示波器。

所述的非接触式位移传感器和测力传感器响应频率均不低于5KHz，所述的数据采集卡的采样频率不低于30KHz。

本发明的有益效果：

1.本发明整体布置采用立式结构，螺旋剪式千斤顶、空气弹簧、激振器和测力圆盘均沿框架竖直中心线设置，同轴度误差不超过0.5mm；螺旋剪式千斤顶构成的静态力加载机构和激振器构成的动态力加载机构采用串联方式安装对被测轴承进行动静同时加载；串联加载的方式结构简单，克服了气体推力轴承动静加载相互干涉的问题，同时避免了动静并联加载导致气体轴承的倾斜等问题。

2.本发明螺旋剪式千斤顶和激振器之间设置了一个空气弹簧，空气弹簧的一个作用是将剪式千斤顶的大位移加载转化为承载压板的小位移连续加载，另一作用是将激振器的动态位移输出转化为动态的加载力；空气弹簧相较于普通弹簧响应速度快。

3.本发明螺旋剪式千斤顶将水平作用的旋紧力通过丝杆螺母及施力臂转化为竖直方向的支撑力，千斤顶撑起时，空气弹簧压缩从而产生静态加载力，保证气体轴承的稳态气膜间隙，剪式千斤顶的使用大大降低了静态力施加的操作高度，同时避免了重量平衡加载方式带来惯性量过大的问题。

4.本发明口字形框架和测力圆盘具有较大的刚度，较气膜刚度大多个数量级，其中口字形框架采用一整体花岗岩石材加工成型，使整个实验台完全是力封闭的，避免了焊接或螺栓连接框架的刚度不足和采用铸件造成的单件加工成本高的问题；测力圆盘的高刚度保证除了气膜传递的力以外没有其他的力被测力传感器测量到；高刚度减小了因零部件变形产生的气膜间隙厚度测量误差。

5.本发明均布设置多个位移传感器和测力传感器、激振器上下端球铰的应用、被测轴承中心定位方法的应用以及调平机构的应用将气膜倾斜误差的影响最小化。

6.本发明适用范围广，可以进行多种规格气体推力轴承的动态性能测试，同时可以进行承载能力、气膜间隙厚度等静态性能测试，具有测试准确、自动化高的优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A侧剖视图；

图3为本发明被测轴承和测力圆盘的配合示意图；

图4为图3的B-B侧剖视图；

图中，1-口字形框架，2-螺旋剪式千斤顶，3-空气弹簧，4-激振器，5-光轴支架，6-导向光轴，7-激振器安装导套，8-锁死螺钉，9-承载压板，10-非接触式位移传感器，11-测力圆盘，12-被测轴承，13-测力传感器，14-角点螺栓，15-定位弹簧柱塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明，如图1-图4所示的一种整体式高刚度气体推力轴承动态性能测试实验台，包括口字形框架1、设置于口字形框架1内的机械系统和与机械系统连接的测试控制系统，所述的机械系统包括沿口字形框架1竖直中心线方向依次连接设置的静态力加载机构、空气弹簧3、动态力加载机构、承载压板9和测力圆盘11，所述承载压板9和测力圆盘11之间设置多个非接触式位移传感器10，所述测力圆盘11与口字形框架1内壁的底面之间设置多个测力传感器13，在承载压板9和测力圆盘11之间安设被测轴承12，被测轴承12的气浮工作面朝上正对承载压板9下表面，所述的动态力加载机构通过空气弹簧3与静态力加载机构串联对被测轴承12进行动静同时加载；所述静态力加载机构的上端与口字形框架1内壁的顶面固定连接；所述的测试控制系统包括与动态力加载机构连接的动态力加载控制系统、与被测轴承12连接的压缩气体控制系统和与多个非接触式位移传感器10、多个测力传感器13连接的数据采集及测试显示系统。

所述的静态力加载机构为螺旋剪式千斤顶2，其上端通过螺钉固定在口字形框架1内壁的顶面，下端通过螺栓与空气弹簧3刚性连接；所述的动态力加载机构为激振器4，激振器4上、下两端的顶杆均为球头结构，上端顶杆的球头结构与空气弹簧3下表面的锥形凹槽配合形成球铰，下端顶杆的球头结构与承载压板9上表面中心的锥形凹槽配合形成球铰；所述激振器4还设置有激振器位置锁死装置，激振器位置锁死装置包括激振器安装导套7、导向光轴6和光轴支架5；所述激振器安装导套7的一端通过螺栓与激振器4的底座刚性连接，激振器安装导套7的另一端设置纵向的光轴孔，光轴孔内穿设所述的导向光轴6，导向光轴6的上、下两端连接光轴支架5，光轴支架5安装在口字形框架1内壁的侧立面上；在激振器安装导套7的光轴孔外壁设置有两个锁死螺钉8。

口字形框架1和测力圆盘11均具有较大的刚度（远高于被测轴承气膜的刚度），口字形框架1采用一整体花岗岩石材加工成型，其壁厚不低于150mm，测力圆盘11亦采用具有较大的刚度的材料制成，测力圆盘11同时通过增加厚度提高其纵向刚度。

所述的口字形框架1底部设置有调平机构，调平机构主要包括五个角点螺栓14。

所述的测力传感器13设置三个，三个通过螺钉将测力圆盘11、测力传感器13和口字形框架1固定连接；所述的非接触式位移传感器10设置三个，三个非接触式位移传感器10通过紧定螺钉安装在测力圆盘11上并正对承载压板9的下表面；三个非接触式位移传感器10和三个测力传感器13均以口字形框架1的竖直中心线为轴线环状均布设置。

所述的测力圆盘11上设置有被测轴承定位装置，被测轴承定位装置包括定位弹簧柱塞15，定位弹簧柱塞15安装在测力圆盘11的中心孔内，定位弹簧柱塞15的上端头为球头结构并伸出测力圆盘11的上表面；所述被测轴承12的非气浮工作面几何中心处设置锥形凹槽，锥形凹槽与定位弹簧柱塞15上端头的球头配合对被测轴承12进行定位。

所述的动态力加载控制系统包括信号发生器、功率放大器和示波器，信号发生器的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接激振器；所述数据采集及测试显示系统包括分别与非接触式位移传感器和测力传感器连接的两个信号放大器、数据采集卡、工控机和示波器，两个信号放大器的输出端分别连接数据采集卡的模拟信号输入端，数据采集卡与工控机总线相连接，两个信号放大器的输出端分别连接一个示波器。

所述的非接触式位移传感器10和测力传感器13响应频率均不低于5KHz，所述的数据采集卡的采样频率不低于30KHz。

下面具体介绍本发明的具体使用方法及步骤：

第一步，调平：

通过调节实验台底部的角点螺栓14对实验台的工作面（即测力圆盘11的上表面）进行调平，借助水平尺和合像水平仪辅助调平；

第二步，标定：

测试控制系统通电预热30分钟，对非接触式位移传感器10和测力传感器13分别进行标定；

第三步，静态力加载：

在被测轴承12不接通压缩气体的状态下，将被测轴承12放置于测力圆盘11上表面中心处；转动螺旋剪式千斤顶2的螺杆使承载压板9下表面与被测轴承12气浮工作面紧密接触，分别记录位移传感器和测力传感器数据；对被测轴承12接通压缩气体，供气压力在0.4MPa左右（各组实验进行期间要求供气压力波动值小于0.002MPa）；通气后，通过转动螺旋剪式千斤顶2的螺杆改变气膜间隙，调整完成后，通过锁死螺钉8将激振器位置锁死；

第四步，动态力加载：

动态力加载控制系统的信号发生器、功率放大器以及激振器4分别在之前通电预热，调整信号发生器的信号频率、幅值、相位角和功率放大器的增益使激振器按预定规律产生动态加载力，通过示波器对各个信号进行监测；

第五步，数据记录：

运行工控机的数据采集程序，逐次改变动态力加载控制系统的信号发生器所产生信号的频率值，调整范围在0-1000Hz，记录并保存不同的频率值时的动态气膜间隙和动态承载力数据值；

第六步，系列测试：

分别改变气膜间隙值和供气压力值，重复第三步至第五步，完成测试。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。