CN106769036A - 一种静压空气止推轴承承载测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种静压空气止推轴承承载测试装置及方法，包括气动系统，主体部分和控制系统；所述气动系统包括气源、气动三联件、第一流量控制阀、三位四通电磁换向阀、第二流量控制阀、双作用气缸和消声器；所述主体部分包括龙门支撑梁、静压空气止推轴承、基座、工作台和弹簧减震结构；所述基座上固定有所述龙门支撑梁和工作台；所述双作用气缸通过螺纹固定在所述龙门支撑梁上；所述控制系统通过控制所述三位四通电磁换向阀控制气缸的动作。本发明可以对空气轴承进行稳定而不间断的加载，空气轴承与气缸间设置弹簧减震结构，既可以缓解气缸气体的可压缩性对被测轴承振动特性的影响。

Description

一种静压空气止推轴承承载测试装置及方法
技术领域
本发明涉及静压空气止推轴承测试技术领域，尤其涉及一种静压空气止推轴承承载测试装置及方法。
背景技术
空气轴承是以空气为介质的一种无摩擦轴承，通常用于高速旋转状态的轴系支撑。而静压空气止推轴承则是用于某些特殊情况下静止轴系或微转动轴系的支撑。因此，需要一种静压空气止推轴承测试装置及方法用于静压空气止推轴承承载能力测试。
清华大学徐登峰等在测试空气轴承承载能力的实验装置中采用叠加砝码来进行施载，优点是加载精度高，因加载中无弹簧元件，不影响被测轴承的振动特性，但无法进行持续施载，灵活度不高；弹簧加载结构简单，且可产生连续加载力，但影响振动特性；而气缸型加载则操作简单，可实现连续加载，但由于内部气体的可压缩性会影响被测空气轴承的振动特性。结合上述方案，选择弹簧型加载和气缸型加载结合的方式，通过弹簧的伸缩性缓解气缸气体的可压缩性对被测轴承振动特性的影响，同时可以连续加载。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种静压空气止推轴承承载测试装置及方法，可以对空气轴承进行稳定而不间断的加载，空气轴承与气缸间设置弹簧减震结构，既可以缓解气缸气体的可压缩性对被测轴承振动特性的影响。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种静压空气止推轴承承载测试装置，其特征在于，包括气动系统，主体部分和控制系统；所述气动系统包括气源、气动三联件、第一流量控制阀、三位四通电磁换向阀、第二流量控制阀、双作用气缸和消声器；所述双作用气缸无杆腔进气口和有杆腔出气口分别通过气管连接所述三位四通电磁换向阀的A口和B口，所述双作用气缸无杆腔进气口与所述三位四通电磁换向阀之间设有第二流量控制阀；所述包括气源通过气管依次连接气动三联件、三通和所述三位四通电磁换向阀的进气口P；所述三通另一端通过气管依次连接第一流量控制阀和静压空气止推轴承进气口；所述三位四通电磁换向阀排气口O安装所述消声器。所述主体部分包括龙门支撑梁、静压空气止推轴承、基座、工作台和弹簧减震结构；所述基座上固定有所述龙门支撑梁和工作台；所述双作用气缸通过螺纹固定在所述龙门支撑梁上；所述工作台上安装所述静压空气止推轴承，所述静压空气止推轴承上螺纹连接受力杆；所述弹簧减震结构包括大钢球、小钢球，弹簧和套筒；所述弹簧一端固定连接大钢球，另一端固定连接小钢球；所述大钢球上固定套筒，且直径大于套筒内径；所述小钢球直径小于套筒内径，且在套筒内根据弹簧力自由伸缩；所述受力杆直径小于套筒内径；所述弹簧减震结构安装在双作用气缸和受力杆之间；所述龙门支撑梁设有水平的横杆，所述横杆上安装有位移传感器，用于测量在负载作用下所述静压空气止推轴承气膜厚度h；所述位移传感器通过数据线连接仪表；标尺固定安装在静压空气止推轴承表面，用于测量弹簧减震结构的弹簧压缩量X；所述控制系统通过控制所述三位四通电磁换向阀控制气缸的动作。
进一步，所述横杆上安装有直线轴承，所述受力杆穿过直线轴承，且间隙配合。
进一步，所述受力杆与小钢球接触面为弧面。
进一步，所述双作用气缸的拉杆与大钢球接触面为弧面。
一种静压空气止推轴承承载测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：开启仪表并校零；
S02：打开气源，通过所述控制系统保持三位四通电磁换向阀在中位，调节第一流量控制阀，使静压空气止推轴承达到悬浮状态，此时为零负载状态，记录此时仪表显示的数据即为h0，即气膜的初始厚度；并且记录标尺处的距离记X0；
S03：将第二流量控制阀关闭，通过所述控制系统使三位四通电磁换向阀的SB1得电，即双作用气缸无杆腔进气，打开第二流量控制阀，通过调节第二流量控制阀控制双作用气缸前进的速度；
S04：设定△为固定值，选取n个测试点，且h0-hi＝i*△，且i∈(1,n)，其中i表示第i个测量点，hi表示第i个测量点时气膜厚度；当仪表测得气膜厚度变为hi时，通过所述控制系统使三位四通电磁换向阀SB1失电，即三位四通电磁换向阀在中位，记录读取指针在标尺上的读数记为Xi；通过所述控制系统使三位四通电磁换向阀的SB1得电，双作用气缸继续前进，当仪表测得气膜厚度变为hi+1时，通过所述控制系统使三位四通电磁换向阀SB1失电，记录读取指针在标尺上的读数记为Xi+1；重复上面步骤，直至i＝n；
S05：根据胡克定律，将X0和Xi带入公式W＝k(X0-Xi)，计算求得承载能力，记作Wi；
S06：根据测试记录的Wi和hi绘制承载能力W与气膜厚度h的关系曲线；
S07：由刚度计算公式Kw＝dW/dh，绘制Kw—h关系曲线。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述静压空气止推轴承承载测试装置和方法，可以对空气轴承进行稳定而不间断的加载，空气轴承与气缸间设置弹簧减震结构，既可以缓解气缸气体的可压缩性对被测轴承振动特性的影响。
2.本发明所述静压空气止推轴承承载测试装置和方法，可以与气缸结合构成加载装置，通过将气缸施加的载荷以弹簧压缩的形式传递出去，简化了载荷的计算方式。
附图说明
图1为本发明所述的静压空气止推轴承承载测试装置的结构示意图。
图2为本发明所述气动系统原理图。
图3为本发明所述气膜厚度与承载能力以及气膜厚度与轴承刚度的曲线图。
图中：
1：控制系统；2：仪表；3：气动系统；3-1：气源；3-2：气动三联件；3-3：第一流量控制阀；3-4：消声器；3-5：三位四通电磁换向阀；3-6：第二流量控制阀；3-7：双作用气缸；4：弹簧减震结构；5：龙门支撑梁；6：位移传感器；7-标尺；8-直线轴承；9-静压空气止推轴承；10-工作台；11-基座；12-横杆。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
结合图1和图2所示，一种静压空气止推轴承承载测试装置，包括气动系统3，主体部分和控制系统1；所述气动系统3包括气源3-1、气动三联件3-2、第一流量控制阀3-3、三位四通电磁换向阀3-5、第二流量控制阀3-6、双作用气缸3-7和消声器3-4；所述双作用气缸3-7无杆腔进气口和有杆腔出气口分别通过气管连接所述三位四通电磁换向阀3-5的A口和B口，所述双作用气缸3-7无杆腔进气口与所述三位四通电磁换向阀3-5之间设有第二流量控制阀3-6；所述包括气源3-1通过气管依次连接气动三联件3-2、三通和所述三位四通电磁换向阀3-5的进气口P；所述三通另一端通过气管依次连接第一流量控制阀3-3和静压空气止推轴承9进气口；所述三位四通电磁换向阀3-5排气口O安装所述消声器3-4；所述主体部分包括龙门支撑梁5、静压空气止推轴承9、基座11、工作台10和弹簧减震结构4；所述基座11上固定有所述龙门支撑梁5和工作台10；所述双作用气缸3-7通过螺纹固定在所述龙门支撑梁5上；所述工作台10上安装所述静压空气止推轴承9，所述静压空气止推轴承9上螺纹连接受力杆；所述弹簧减震结构4包括大钢球、小钢球，弹簧和套筒；所述弹簧一端固定连接大钢球，另一端固定连接小钢球；所述大钢球上固定套筒，且直径大于套筒内径；所述小钢球直径小于套筒内径，且在套筒内根据弹簧力自由伸缩；所述受力杆直径小于套筒内径；所述弹簧减震结构4安装在双作用气缸3-7和受力杆之间；所述龙门支撑梁5设有水平的横杆12，所述横杆上安装有位移传感器6，用于测量在负载作用下所述静压空气止推轴承9气膜厚度h；所述位移传感器6通过数据线连接仪表2；标尺7固定安装在静压空气止推轴承9表面，用于测量弹簧减震结构4的弹簧压缩量X；所述控制系统1通过控制所述三位四通电磁换向阀3-5控制气缸的动作。
为防止加载过程受力杆失稳，产生左右移动，所述横杆12上安装有直线轴承8，所述受力杆穿过直线轴承8，且间隙配合。
为了避免弹簧安装问题所造成的施力不均对实验测试结果的影响，所述受力杆与小钢球接触面为弧面；所述双作用气缸3-7的拉杆与大钢球接触面为弧面。
一种静压空气止推轴承承载测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：开启仪表2并校零；
S02：打开气源，通过所述控制系统1保持三位四通电磁换向阀3-5在中位，调节第一流量控制阀3-3，使静压空气止推轴承9达到悬浮状态，此时为零负载状态，记录此时仪表2显示的数据即为h0，即气膜的初始厚度；并且记录标尺7处的距离记X0；
S03：将第二流量控制阀3-6关闭，通过所述控制系统1使三位四通电磁换向阀3-5的SB1得电，即双作用气缸3-7无杆腔进气，打开第二流量控制阀3-6，通过调节第二流量控制阀3-6控制双作用气缸3-7前进的速度；
S04：设定△为固定值，选取n个测试点，且h0-hi＝i*△，且i∈(1,n)，其中i表示第i个测量点，hi表示第i个测量点时气膜厚度；当仪表测得气膜厚度变为hi时，通过所述控制系统1使三位四通电磁换向阀3-5的SB1失电，即三位四通电磁换向阀3-5在中位，记录读取指针在标尺上的读数记为Xi；通过所述控制系统1使三位四通电磁换向阀3-5的SB1得电，双作用气缸3-7继续前进，当仪表测得气膜厚度变为hi+1时，通过所述控制系统1使三位四通电磁换向阀3-5的SB1失电，记录读取指针在标尺上的读数记为Xi+1；重复上面步骤，直至i＝n；
S05：根据胡克定律，将X0和Xi带入公式W＝k(X0-Xi)，计算求得承载能力，记作Wi；
S06：根据测试记录的Wi和hi绘制承载能力W与气膜厚度h的关系曲线；
S07：由刚度计算公式Kw＝dW/dh，绘制Kw—h关系曲线。
实验中△根据静压空气止推轴承9型号具体选取，一般选取0.1μm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种静压空气止推轴承承载测试装置，其特征在于，包括气动系统(3)，主体部分和控制系统(1)；
所述气动系统(3)包括气源(3-1)、气动三联件(3-2)、第一流量控制阀(3-3)、三位四通电磁换向阀(3-5)、第二流量控制阀(3-6)、双作用气缸(3-7)和消声器(3-4)；所述双作用气缸(3-7)无杆腔进气口和有杆腔出气口分别通过气管连接所述三位四通电磁换向阀(3-5)的A口和B口，所述双作用气缸(3-7)无杆腔进气口与所述三位四通电磁换向阀(3-5)之间设有第二流量控制阀(3-6)；所述气源(3-1)通过气管依次连接气动三联件(3-2)、三通和所述三位四通电磁换向阀(3-5)的进气口P；所述三通另一端通过气管依次连接第一流量控制阀(3-3)和静压空气止推轴承(9)进气口；所述三位四通电磁换向阀(3-5)排气口O安装所述消声器(3-4)；
所述主体部分包括龙门支撑梁(5)、静压空气止推轴承(9)、基座(11)、工作台(10)和弹簧减震结构(4)；所述基座(11)上固定有所述龙门支撑梁(5)和工作台(10)；所述双作用气缸(3-7)通过螺纹固定在所述龙门支撑梁(5)上；所述工作台(10)上安装所述静压空气止推轴承(9)，所述静压空气止推轴承(9)上螺纹连接受力杆；所述弹簧减震结构(4)包括大钢球、小钢球，弹簧和套筒；所述弹簧一端固定连接大钢球，另一端固定连接小钢球；所述大钢球上固定套筒，且直径大于套筒内径；所述小钢球直径小于套筒内径，且在套筒内根据弹簧力自由伸缩；所述受力杆直径小于套筒内径；所述弹簧减震结构(4)安装在双作用气缸(3-7)和受力杆之间；所述龙门支撑梁(5)设有水平的横杆(12)，所述横杆上安装有位移传感器(6)，用于测量在负载作用下所述静压空气止推轴承(9)气膜厚度h；所述位移传感器(6)通过数据线连接仪表(2)；标尺(7)固定安装在静压空气止推轴承(9)表面，用于测量弹簧减震结构(4)的弹簧压缩量X；
所述控制系统(1)通过控制所述三位四通电磁换向阀(3-5)控制气缸的动作。
2.根据权利要求1所述静压空气止推轴承承载测试装置，其特征在于，所述横杆(12)上安装有直线轴承(8)，所述受力杆穿过直线轴承(8)，且间隙配合。
3.根据权利要求1所述静压空气止推轴承承载测试装置，其特征在于，所述受力杆与小钢球接触面为弧面。
4.根据权利要求1所述静压空气止推轴承承载测试装置，其特征在于，所述双作用气缸(3-7)的拉杆与大钢球接触面为弧面。
5.一种静压空气止推轴承承载测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：开启仪表(2)并校零；
S02：打开气源，通过所述控制系统(1)保持三位四通电磁换向阀(3-5)在中位，调节第一流量控制阀(3-3)，使静压空气止推轴承(9)达到悬浮状态，此时为零负载状态，记录此时仪表(2)显示的数据即为h0，即气膜的初始厚度；并且记录标尺(7)处的距离记X0；
S03：将第二流量控制阀(3-6)关闭，通过所述控制系统(1)使三位四通电磁换向阀(3-5)的SB1得电，即双作用气缸(3-7)无杆腔进气，打开第二流量控制阀(3-6)，通过调节第二流量控制阀(3-6)控制双作用气缸(3-7)前进的速度；
S04：设定△为固定值，选取n个测试点，且h0-hi＝i*△，且i∈(1,n)，其中i表示第i个测量点，hi表示第i个测量点时气膜厚度；当仪表测得气膜厚度变为hi时，通过所述控制系统(1)使三位四通电磁换向阀(3-5)SB1失电，即三位四通电磁换向阀(3-5)在中位，记录读取指针在标尺上的读数记为Xi；通过所述控制系统(1)使三位四通电磁换向阀(3-5)的SB1得电，双作用气缸(3-7)继续前进，当仪表测得气膜厚度变为hi+1时，通过所述控制系统(1)使三位四通电磁换向阀(3-5)SB1失电，记录读取指针在标尺上的读数记为Xi+1；重复上面步骤，直至i＝n；
S05：根据胡克定律，将X0和Xi带入公式W＝k(X0-Xi)，计算求得承载能力，记作Wi；
S06：根据测试记录的Wi和hi绘制承载能力W与气膜厚度h的关系曲线；
S07：由刚度计算公式Kw＝dW/dh，绘制Kw—h关系曲线。
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