一种气体静压轴承微间隙气膜流场观测装置

本发明涉及超精密气体轴承润滑技术领域，尤其涉及一种气体静压轴承微间隙气膜流场观测装置。

背景技术：

气体静压轴承在航空航天、精密仪器、超精密机床等领域有着广泛的应用。气体静压轴承气膜流场对轴承的性能具有重要影响。但是，气膜间隙非常微小，非常不利于在线观测，从而影响了气膜流场特性的深入研究。因此，国内外现有研究基本从理论分析和数值仿真的角度去研究气体静压轴承的气膜流场特性，基于实验的研究非常少。而气体静压轴承气膜流场的观测实验对于真实了解流场特性以及其对轴承性能的影响具有十分重要的意义。因此，研发气体静压轴承气膜流场观测装置是十分必要的。

专利号为cn201511028940.2的中国发明专利公开了一种气体静压轴承内气体流场观测装置及其使用方法，利用传统piv技术对内部气体流场进行观测。但是，由于该装置通过一束激光透过承载面照射到流场中，因此材料必须选择透明玻璃或者新型塑料，这类材料限制了入口压力，与实际气体静压轴承的气膜流场存在一定差距。其次，由于激光会透过承载面照射粒子，再让粒子反射的光透过承载面接收到并成像，会发生光的折射和光强度的损失，影响成像质量，造成像的扭曲，导致较大的实验误差。

技术实现要素：

为克服上述问题，本发明提供一种气体静压轴承微间隙气膜流场观测装置。

本发明采用的技术方案是：一种气体静压轴承微间隙气膜流场观测装置，包括气源系统、轴承系统和激光观测系统；

所述气源系统包括用于产生高压气体的压缩机(1)、用于产生示踪粒子的示踪粒子发生器(6)、以及用于形成高压示踪粒子混合气体的示踪粒子箱(9)；压缩机(1)通过气管ⅰ(2)与储气罐(3)连接，储气罐(3)通过气管ⅱ(4)与示踪粒子箱(9)的第一进气端连接，气管ⅱ(4)上设有阀门ⅰ(5)；示踪粒子发生器(6)通过气管ⅲ(7)与示踪粒子箱(9)的第二进气端连接，气管ⅲ(7)上设有阀门ⅱ(8)；示踪粒子箱(9)的出气端通过气管ⅳ(11)与气压传感器(12)连接，气管ⅳ(11)上设有阀门ⅲ(10)；

所述轴承系统包括呈水平上下设置的轴承止推板(13)和轴承承载面(17)，轴承止推板(13)与轴承承载面(17)之间形成轴承气膜间隙；轴承止推板(13)中心设有轴承进气孔，气压传感器(12)的另一端与轴承止推板(13)的轴承进气孔连接，并与轴承气膜间隙连通，高压示踪粒子混合气体通过气压传感器(12)在轴承气膜间隙中形成气膜；

所述激光观测系统包括光路互相垂直的第一光束组和第二光束组，第一光束组包括设置在轴承气膜间隙左侧的光源ⅱ(21)和聚光镜ⅱ(20)，聚光镜ⅱ(20)聚焦光源ⅱ(21)发出的第一光束至轴承气膜间隙；第二光束组包括设置于轴承气膜间隙前侧的光源ⅰ(18)和聚光镜ⅰ(19)，聚光镜ⅰ(19)聚焦光源ⅰ(18)发出的第二光束至轴承气膜间隙；第二光束、第一光束的光色分别为红、绿、蓝之中的两种不同颜色；第一光束从轴承气膜间隙左端进入气膜，第二光束从轴承气膜间隙前端进入气膜，第二光束垂直于第一光束；将轴承气膜间隙右端的出口边界作为小孔，气膜中的示踪粒子被第一光束、第二管束照射叠加后的反射光沿小孔射出，形成小孔成像；轴承气膜间隙的右侧依次设有滤光凹透镜(16)、显微物镜(15)、高速摄像机(14)，且光源ⅱ(21)、聚光镜ⅱ(20)、轴承气膜间隙、滤光凹透镜(16)、显微物镜(15)、高速摄像机(14)同轴设置；滤光凹透镜(16)滤掉从小孔出射的干扰光、过滤出第二光束、第一光束合成后的色光；显微物镜(15)放大滤光凹透镜(16)过滤出的像，高速摄像机(14)用于进行拍摄。

进一步，所述轴承气膜间隙的大小为10-30μm。

进一步，所述示踪粒子的直径小于1μm。

进一步，所述光源ⅰ(18)、光源ⅱ(21)为连续光源或高频率脉冲光源。

进一步，所述轴承止推板(13)、轴承承载面(17)采用不透明金属材料制成。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用小孔成像原理，将气膜出口边界当作成像的小孔，利用滤光凹透镜将光路变成平行光进行流场观测。

2)本发明采用两束激光源，可以有效弥补小孔成像中孔尺寸过小对成像亮度的减弱。

3)本发明采用两束不同光色的激光源，通过滤光凹透镜过滤出单种颜色的反射光，只过滤出合成后的色光，有效减少实验成像中的干扰，提高实验的准确性。

4)本发明可采用不透明金属材料制作成观测装置，可以实现气体静压轴承微间隙气膜流场的有效观测，观测质量高，可以真实反映实际气体静压轴承的气膜流场特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中激光观测系统和轴承系统的俯视图

附图标记说明：1-压缩机，2-气管ⅰ，3-储气罐，4-气管ⅱ，5-阀门ⅰ，6-示踪粒子发生器，7-气管ⅲ，8-阀门ⅱ，9-示踪粒子箱，10-阀门ⅲ，11-气管ⅳ，12-气压传感器，13-轴承止推板，14-高速摄像机，15-显微物镜，16-滤光凹透镜，17-轴承承载面，18-光源ⅰ，19-聚光镜ⅰ，20-聚光镜ⅱ，21-光源ⅱ。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，一种气体静压轴承微间隙气膜流场观测装置，包括气源系统、轴承系统和激光观测系统；

所述气源系统包括用于产生高压气体的压缩机1、用于产生示踪粒子的示踪粒子发生器6、以及用于形成高压示踪粒子混合气体的示踪粒子箱9；压缩机1通过气管ⅰ2与储气罐3连接，储气罐3通过气管ⅱ4与示踪粒子箱9的第一进气端连接，气管ⅱ4上设有阀门ⅰ5；示踪粒子发生器6通过气管ⅲ7与示踪粒子箱9的第二进气端连接，气管ⅲ7上设有阀门ⅱ8；示踪粒子箱9的出气端通过气管ⅳ11与气压传感器12连接，气管ⅳ11上设有阀门ⅲ10；

所述轴承系统包括呈水平上下设置的轴承止推板13和轴承承载面17，轴承止推板13与轴承承载面17之间形成轴承气膜间隙，轴承止推板13、轴承承载面17可采用金属非透明材料，便于观测；轴承气膜间隙保持在10-30μm；轴承止推板13中心设有轴承进气孔，气压传感器12的另一端与轴承止推板13的轴承进气孔连接，并与轴承气膜间隙连通，高压示踪粒子混合气体通过气压传感器12在轴承气膜间隙中形成气膜，示踪粒子选用直径小于1μm以下的粒子；

所述激光观测系统包括光路互相垂直的第一光束组和第二光束组，第一光束组包括设置在轴承气膜间隙左侧的光源ⅱ21和聚光镜ⅱ20，聚光镜ⅱ20聚焦光源ⅱ21发出的第一光束至轴承气膜间隙；第二光束组包括设置于轴承气膜间隙前侧的光源ⅰ18和聚光镜ⅰ19，聚光镜ⅰ19聚焦光源ⅰ18发出的第二光束至轴承气膜间隙；第二光束、第一光束的光色分别为红、绿、蓝之中的两种不同颜色；第一光束从轴承气膜间隙左端进入气膜，第二光束从轴承气膜间隙前端进入气膜，第二光束垂直于第一光束；将轴承气膜间隙右端的出口边界作为小孔，气膜中的示踪粒子被第一光束、第二管束照射叠加后的反射光沿小孔射出，形成小孔成像；轴承气膜间隙的右侧依次设有滤光凹透镜16、显微物镜15、高速摄像机14，且光源ⅱ21、聚光镜ⅱ20、轴承气膜间隙、滤光凹透镜16、显微物镜15、高速摄像机14同轴设置；滤光凹透镜16滤掉从小孔出射的干扰光、过滤出第二光束、第一光束合成后的色光；显微物镜15放大滤光凹透镜16过滤出的像，高速摄像机14用于进行拍摄。

其具体工作原理为：参见图1，将气体静压轴承止推板与轴承承载面形成的轴承气膜间隙出口边界看作小孔，利用小孔成像原理，示踪粒子被光源照射后反射的光沿小孔射出，形成小孔成像，通过滤光凹透镜过滤掉干扰光(干扰光一般只呈现激光的光色)，只通过合成后的色光(被两束激光共同照射的领域)，有效减少成像结果的干扰，提高成像的准确性。轴承气膜间隙右侧从左到右分别是滤光凹透镜、显微物镜、高速摄像机，显微物镜可以把滤光凹透镜过滤出的像进行放大，然后高速摄像机进行拍摄，方便得到更加清晰的像。其中，滤光凹透镜、显微物镜、高速摄像机可以整体在水平面内沿纵向进行位置调整(即垂直于平面向内或向外)，也可以分别在水平面内进行横向平移(即平行于平面向左或向右)，调整焦距，获得更加清晰的像。

参见图2，由两束激光发射器组成的光源ⅰ和光源ⅱ分别通过自身配套的聚光镜ⅰ和聚光镜ⅱ共同照射微小间隙中的示踪粒子使其成像。聚光镜可以缩小激光光斑直径，提高成像精度。两束光源采用光的三原色(红、绿、蓝)中的两种颜色，同时照射时，照射重合的部分会产生不同的颜色，当完成小孔成像时，通过滤光凹透镜的作用，只通过该颜色，保证相同时刻内其他区域的粒子所反射的光被过滤掉，这样可以保证最后成像的精度，获得高质量的成像结果。此外，两束光源为独立且垂直的光源，光源可以分别沿轴承气膜间隙边界方向进行移动，达到照射到气膜间隙的不同位置的目的，并且使右端滤光凹透镜、显微物镜和高速摄像机进行相应的移动，这样就可以观测到轴承气膜间隙中不同位置的气膜流场状态，最终可用于气膜流场特性的分析。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。