CN103308447B - 一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，它包括基架，轴承部分，加载机构和检测系统。轴承部分包括上轴承板和下轴承板，气体-纳米粒子的混合气流通过上轴承板进入轴承内部，使上轴承板浮起，下轴承板安装在高精度传动轴上，再通过同步齿形带与外加伺服电机相连；从检测系统引出的柔性测量线安装在上轴承板上。该装置能够模拟纳米粒子气膜静压止推轴承的接触碰磨状态，可通入带有纳米粒子的气体润滑介质，能够改变轴承承受的载荷和轴承转速，并可在线测得接触碰磨时两表面间的摩擦系数值。

Description

一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置

技术领域

本发明属于气体轴承接触碰磨研究领域，涉及一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置。

背景技术

现今，气体轴承的应用范围越来越广泛，尤其是在高速高精度的场合。但在实际工况中，如果遇到突变冲击载荷，由于气体轴承的刚度较低，往往会造成转轴与轴承表面的接触滑擦。另外，在机器运转时如果突然停电，空气压缩机会停止供气，正在高速运转中的轴不会立即停下来，由于此时气体压力不足，气膜被破坏，轴很可能与配合面发生碰撞，产生严重滑擦。当负载较大时，碰撞后果会更严重，这会大大缩短气体轴承的工作寿命。

近年来，纳米粒子作为润滑油添加剂表现出了优良的减磨性能。为此，考虑将纳米粒子加入到气体润滑膜中，形成气体-纳米粒子两相流体润滑膜，以期来改善气体轴承在遇到突变冲击载荷时的润滑性能。

为了研究纳米粒子气膜在遇到突变冲击载荷或突然停止供气时的接触摩擦性能，需要一套装置可以模拟气体轴承的实际碰磨发生工况；而现有技术中并没有这样的装置。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，该装置能够模拟纳米粒子气膜静压止推轴承的接触碰磨状态，能够改变轴承承受的载荷和轴承转速。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，包括基架、轴承部分、加载机构和检测系统；

所述的基架包括通过支架螺杆相连接的底座、轴承安装基板和上基板；

所述的轴承部分包括相匹配的上轴承板和下轴承装置，其中上轴承板与轴连接，轴穿过安装在上基板的直线轴承与加载机构相连接，快速接头与上轴承板内的气体通道相连接，快速接头内插入有气路管；下轴承装置安装在高精度传动轴上，高精度传动轴固定在轴承安装基板上，高精度传动轴下端设有传动轴带轮，同步齿形带将传动轴带轮与伺服电机的电机带轮相连接；

所述的检测系统包括悬臂梁传感器、三坐标位移台和垫块，其中悬臂梁传感器固定在三坐标位移台上，三坐标位移台通过垫块固定于轴承安装基板上；

柔性测量线绕在上轴承板开设的凹槽内，首端与悬臂梁传感器相连接，尾端与上轴承板固定连接。

所述的上轴承板与轴为同轴安装，并通过内六角螺钉固定，在周向通过键来固定；上轴承板内设有与快速接头相连通的进气通道，进气通道的出口设有节流孔，距离出气口为0～0.2mm，配重孔设置在相对于进气通道进口的一侧设置。

所述的下轴承装置包括下轴承板和下轴承板固定盘，下轴承板与下轴承板固定盘通过十字头沉头螺钉连接，下轴承板固定盘下部设有与高精度传动轴配合连接的圆形凸台，下轴承板固定盘内部有凹槽，为连接下轴承固定盘和高精度传动轴的安装留足空间。

所述的柔性测量线从悬臂梁传感器表面垂直引出并保持水平，柔性测量线与设在悬臂梁传感器端部的圆柱头螺钉相连接，由悬臂梁传感器引出的柔性测量线绕在上轴承板的凹槽内，柔性测量线的尾端通过螺钉固定在上轴承板上。

所述的加载机构包括加载盘、砝码和砝码位置确定杆组成，加载盘与轴相连接，砝码和砝码位置确定杆设置在加载盘上。

所述的底座由与其相连接的外六角螺栓支撑安放在实验台上，底座、轴承安装基板和上基板从下到上依次固定在四根支架螺杆上，轴承安装基板、上基板的安装位置由支架螺母来调节，待调节至预设位置时还用双螺母锁死；在轴承安装基板和底座之间还通过两根双头螺柱连接。

所述的电机带轮设置在伺服电机的下端，伺服电机固定在电机架上，电机架安装在底座上。

所述的通过气路管向上轴承板与下轴承板之间的间隙通入气体-纳米粒子的混合气流，形成纳米粒子气膜，上轴承板浮起；当伺服电机通过驱动高精度传动轴带动下轴承板转动后，手动转动上轴承板使柔性测量线伸直并开始受力，将悬臂梁传感器的输出信号值调零；

在停止供入气体-纳米粒子的混合气流后，下轴承板持续转动，上轴承板与下轴承板相接触并相互滑擦，上轴承板在下轴承板的摩擦力矩带动下转动时也受到柔性测量线的拉力作用；当柔性测量线通过悬臂梁传感器产生的力矩与摩擦力矩平衡时，上轴承板停止转动。

所述的气体-纳米粒子的混合气流中纳米粒子体积浓度从零变化到0.5%。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，选用止推气体静压轴承的接触碰磨过程作为模拟对象来实现，而且能够通过改变不同的操作参数，实现不同条件下的接触碰磨状态，从而可以根据模拟结果确定最佳工作参数，以便在突发状况发生时，避免转轴与轴承表面严重滑擦的现象，达到保护工作表面的目的。

本发明提供的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，通过对输入进气通道的气体的开断的控制，可以模拟止推气体静压轴承在突发状况发生时两轴承表面的接触碰磨现象。

本发明提供的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，可以通过加载机构改变轴承的外加载荷，通过伺服电机改变轴承的运转速度，以改变轴承工作状态，实现不同条件下的接触碰磨状态。

本发明提供的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，可以通入气体-纳米粒子的混合气流，形成纳米粒子气膜。

本发明提供的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，可以在线测得接触碰磨时两表面间的摩擦系数值。在接触碰磨实验中，两碰磨表面的摩擦系数是一个很重要的参数，可以用摩擦系数的高低来评判接触碰磨时表面的摩擦磨损程度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为轴承部分的结构示意图；

图3为检测系统与上轴承板的连接示意图；

图4为加载机构的结构示意图；

其中，1为加载机构，2为直线轴承，3为支架螺杆，4为支架螺母，5为上基板，6为轴，7为悬臂梁传感器，8为三坐标位移台，9为垫块，10为轴承安装基板，11为双头螺柱，12为底座，13为外六角螺栓，14为高精度传动轴，15为传动轴带轮，16为同步齿形带，17为电机架，18为电机带轮，19为伺服电机，20为下轴承装置，21为气路管，22为快速接头，23为上轴承板；

101为砝码位置确定杆，102为砝码，103为加载盘；

601为键，701为圆柱头螺钉；

2001为下轴承板，2002为十字头沉头螺钉，2003为下轴承板固定盘，2004为圆形凸台，2005为圆形凹坑；

2301为配重孔，2302为节流孔，2303为柔性测量线，2304为进气通道，2305为内六角螺钉，2306为凹槽；2307为螺钉。

具体实施方式

本发明提供的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，它包括基架、轴承部分，加载机构1和检测系统，其中轴承部分包括上轴承板23和下轴承板2001，气体-纳米粒子的混合气流通过上轴承板23进入轴承内部，使上轴承板23浮起，下轴承板2001安装在高精度传动轴14上，再通过同步齿形带16与外加伺服电机19相连；从检测系统引出的柔性测量线2303安装在上轴承板23上。该装置能够模拟纳米粒子气膜静压止推轴承的接触碰磨状态，能够改变轴承承受的载荷和轴承转速，并可在线测得接触碰磨时两表面间的摩擦系数值。下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1～图4，纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，它包括基架、轴承部分、加载机构1和检测系统；

具体的，基架包括底座12、轴承安装基板10和上基板5，底座12由与其相连接的6个外六角螺栓13支撑安放在实验台上，四根支架螺杆3连接了底座12、轴承安装基板10和上基板5，轴承安装基板10和上基板5的安装位置由支架螺母4来调节，并用双螺母锁死；在轴承安装基板10和底座12之间还有两根双头螺柱11来连接；

轴承部分包括上轴承板23和下轴承装置20，其中上轴承板23与轴6连接，轴6穿过安装在上基板5的直线轴承2，加载机构安装在轴6上端，与上轴承板23为同轴安装，在安装时，轴6垂直于上基板5安装，其次，要确保轴6与上轴承板23表面、加载机构1的垂直度，气路管21插入快速接头22内，一并安装在上轴承板23上；下轴承装置20安装在高精度传动轴14上，高精度传动轴14通过四个螺钉固定在轴承安装基板10上，高精度传动轴14下端设有传动轴带轮15，伺服电机19下端设有电机带轮18，同步齿形带16将电机带轮18和传动轴带轮15连接起来，伺服电机19固定在电机架17上，电机架17安装在底座12上；

所述的检测系统包括悬臂梁传感器7、三坐标位移台8和垫块9，其中悬臂梁传感器7固定在三坐标位移台8上，三坐标位移台8通过垫块9固定于轴承安装基板10上；

柔性测量线2303绕在上轴承板23开设的凹槽2306内，首端与悬臂梁传感器7相连接，尾端与上轴承板23固定连接。

参见图2，上轴承板23与轴6为同轴安装，并通过螺钉2305固定，在周向通过键601来固定；上轴承板23内设有与快速接头22相连通的进气通道2304，进气通道2304的出口通向上轴承板23与下轴承板2001之间的间隙，进气通道2304的出口设有节流孔2302，距离出气口为0～0.2mm，配重孔2301设置在相对于进气通道2304进口的一侧设置，此处配重孔可有效保证上轴承板的静平衡。

下轴承装置20包括下轴承板2001和下轴承板固定盘2003，下轴承板2001与下轴承板固定盘2003通过十字头沉头螺钉2002连接，下轴承板固定盘2003下部有一圆形凸台2004，用于与高精度传动轴14配合连接，下轴承板固定盘2003内部有圆形凹坑2005，为连接下轴承固定盘2003和高精度传动轴14的螺钉安装留足够空间。下轴承装置安装完成后要确保有较低的端面跳动量。

其中上轴承板和下轴承板为轴承工作时的配合面，两表面的平面度和表面光洁度要求均较高；在安装时，要确保两配合表面的水平度。

参见图3，悬臂梁7端部设有一圆柱头螺钉701，柔性测量线2303固定在圆柱头螺钉701上，由悬臂梁7引出的柔性测量线2303绕在上轴承板23的凹槽2306内，柔性测量线末端设有一小螺钉2306，固定在上轴承板23上，其中，柔性测量线2303从悬臂梁7表面垂直引出，保持水平。

参见图4，加载机构1由加载盘103、砝码102和砝码位置确定杆101组成，加载盘103安装在轴6上端，砝码102和加载盘103要确保同轴。

当通过气路管21向上轴承板23与下轴承板2001之间的间隙通入气体-纳米粒子的混合气流时，形成纳米粒子气膜，上轴承板23浮起；当伺服电机19通过驱动高精度传动轴14带动下轴承板2001转动后，手动转动上轴承板23使柔性测量线2303伸直并开始受力，将悬臂梁传感器7的输出信号值调零；

在停止供入气体-纳米粒子的混合气流后，下轴承板2001持续转动，上轴承板23与下轴承板2001相接触并相互滑擦，上轴承板23在下轴承板2001的摩擦力矩带动下转动时也受到柔性测量线2303的拉力作用；当柔性测量线2303通过悬臂梁传感器7产生的力矩与摩擦力矩平衡时，上轴承板23停止转动。

利用上述装置，进行上轴承板和下轴承装置的摩擦系数值测量时，具体操作过程如下：

（1）向加载盘103上施加设定数值的砝码102。

（2）向轴承内部通入气体润滑介质。气体润滑介质沿气路管21进入上轴承板23的进气通道2304内，然后进入上下轴承板的表面间隙内，形成气膜，上轴承板23浮起。

（3）接通伺服电机19电源，向伺服电机19的控制器输入设定数值的转速指令，打开伺服电机运转开关，使伺服电机19运转，以带动下轴承板2001转动。

（4）用手转动上轴承板23，使其转过一定角度，以确保柔性测量线2303伸直并刚刚受力。将悬臂梁传感器7的输出信号值调零，并开始实时记录数据。

（5）停止供入气体润滑介质。下轴承板2001仍在转动，两轴承面因为没有润滑介质而相互滑擦。下轴承板2001的滑擦作用对上轴承板23产生摩擦力矩，使其转过一定角度。此时，上轴承板23也受到悬臂梁传感器7的拉力作用。当悬臂梁传感器7产生的力矩与摩擦力矩平衡时，上轴承板23静止。此时，检测系统测量到拉力值F，再经过换算，即可得到摩擦系数值。

（6）关闭伺服电机运转开关，伺服电机19停转。

Claims (9)

1.一种纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，包括基架、轴承部分、加载机构(1)和检测系统；

所述的基架包括通过支架螺杆(3)相连接的底座(12)、轴承安装基板(10)和上基板(5)；

所述的轴承部分包括相匹配的上轴承板(23)和下轴承装置(20)，其中上轴承板(23)与轴(6)连接，轴(6)穿过安装在上基板(5)的直线轴承(2)与加载机构(1)相连接，快速接头(22)与上轴承板(23)内的气体通道相连接，快速接头(22)内插入有气路管(21)；下轴承装置(20)安装在高精度传动轴(14)上，高精度传动轴(14)固定在轴承安装基板(10)上，高精度传动轴(14)下端设有传动轴带轮(15)，同步齿形带(16)将传动轴带轮(15)与伺服电机(19)的电机带轮(18)相连接；

所述的检测系统包括悬臂梁传感器(7)、三坐标位移台(8)和垫块(9)，其中悬臂梁传感器(7)固定在三坐标位移台(8)上，三坐标位移台(8)通过垫块(9)固定于轴承安装基板(10)上；

柔性测量线(2303)绕在上轴承板(23)开设的凹槽(2306)内，首端与悬臂梁传感器(7)相连接，尾端与上轴承板(23)固定连接。

2.如权利要求1所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，上轴承板(23)与轴(6)为同轴固定安装，在周向通过键(601)来固定；上轴承板(23)内设有与快速接头(22)相连通的进气通道(2304)，进气通道(2304)的出口设有节流孔(2302)，距离出气口为0～0.2mm，配重孔(2301)设置在相对于进气通道(2304)进口的一侧设置。

3.如权利要求1所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，下轴承装置(20)包括下轴承板(2001)和下轴承板固定盘(2003)，下轴承板(2001)与下轴承板固定盘(2003)通过十字头沉头螺钉(2002)连接，下轴承板固定盘(2003)下部设有与高精度传动轴(14)配合连接的圆形凸台(2004)，下轴承板固定盘(2003)内部有凹槽(2005)，为连接下轴承固定盘(2003)和高精度传动轴(14)的安装留足空间。

4.如权利要求1所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，所述的柔性测量线(2303)从悬臂梁传感器(7)表面垂直引出并保持水平，柔性测量线(2303)与设在悬臂梁传感器(7)端部的圆柱头螺钉(701)相连接，由悬臂梁传感器(7)引出的柔性测量线(2303)绕在上轴承板(23)的凹槽(2306)内，柔性测量线(2303)的尾端通过螺钉(2307)固定在上轴承板(23)上。

5.如权利要求1所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，加载机构(1)包括加载盘(103)、砝码(102)和砝码位置确定杆(101)，加载盘(103)与轴相连接，砝码(102)和砝码位置确定杆(101)设置在加载盘(103)上。

6.如权利要求1所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，所述的底座(12)由与其相连接的螺栓支撑安放在实验台上，底座(12)、轴承安装基板(10)和上基板(5)从下到上依次固定在支架螺杆(3)上，轴承安装基板(10)、上基板(5)的安装位置由支架螺母(4)来调节，待调节至预设位置时还用双螺母锁死；在轴承安装基板(10)和底座(12)之间还通过双头螺柱(11)连接。

7.如权利要求1所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，电机带轮(18)设置在伺服电机(19)的下端，伺服电机(19)固定在电机架(17)上，电机架(17)安装在底座(12)上。

8.如权利要求3所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，通过气路管(21)向上轴承板(23)与下轴承板(2001)之间的间隙通入气体-纳米粒子的混合气流，形成纳米粒子气膜，上轴承板(23)浮起；当伺服电机(19)通过驱动高精度传动轴(14)带动下轴承板(2001)转动后，手动转动上轴承板(23)使柔性测量线(2303)伸直并开始受力，将悬臂梁传感器(7)的输出信号值调零；

在停止供入气体-纳米粒子的混合气流后，下轴承板(2001)持续转动，上轴承板(23)与下轴承板(2001)相接触并相互滑擦，上轴承板(23)在下轴承板(2001)的摩擦力矩带动下转动时也受到柔性测量线(2303)的拉力作用；当柔性测量线(2303)通过悬臂梁传感器(7)产生的力矩与摩擦力矩平衡时，上轴承板(23)停止转动。

9.如权利要求8所述的纳米粒子气膜静压止推轴承接触碰磨装置，其特征在于，所述的气体-纳米粒子的混合气流中纳米粒子体积浓度从零变化到0.5％。