CN108344573A - 一种空气静压止推轴承高速性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气静压止推轴承高速性能测试系统及测试方法，包括环形外壳，环形外壳内腔设有一个轴芯，轴芯的中部设有两个空气静压径向轴承，轴芯的右伸出段上设有回转盘，回转盘的左右两侧分别设有两个空气静压止推轴承，通过供气管道同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，从而使得轴芯悬浮；轴芯的左伸出段上固定有涡轮，涡轮外罩有一个左盖板，通过第二供气孔向左盖板内通气从而带动涡轮旋转，涡轮的左侧通过一个锁紧螺母锁紧，通过加载孔向加载罩内通气从而对轴芯左端面施加轴向压力；测试系统还包括检测部和供气部。本发明的优点：能测试不同转速不同供气压力下空气静压止推轴承的各性能参数。

Description

一种空气静压止推轴承高速性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及空气轴承性能测试技术领域，尤其涉及的是一种空气静压止推轴承高速性能测试系统及测试方法。

背景技术

空气静压轴承是利用气膜支承载荷或减少摩擦的机械构件，具有速度高、精度高、低摩擦、耐高低温及辐射、清洁环保、寿命长和结构简单等优点，主要应用于超高速、超精密和低摩擦低功耗支承等技术领域，转速可高达几十万转每分钟。传统的空气静压轴承性能测试是在静止工况下给轴承通入高压气体使之悬浮对其进行性能测试，此种方法只能测试静止状态下的空气静压轴承性能。由于气体润滑的伯努利效应，流体速度和气膜压力相互影响，高速回转工况下空气静压轴承的性能相对静止状态下会发生较大变化，因此需要对高速回转工况下的空气静压轴承进行性能测试，以便精确了解空气静压轴承实际运转工况下的各项性能指标。空气静压轴承在高速运转工况下不能采用接触式加载和测量方式，因为高速回转工况下会导致加载和测量装置的损坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种空气静压止推轴承高速性能测试系统及测试方法，用于测试不同转速不同供气压力下空气静压止推轴承的承载能力、气膜刚度、气膜压力和气膜温度等性能参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，所述测试系统包括环形外壳，所述环形外壳内腔设有一个轴芯，所述轴芯的左右两端分别伸出环形外壳左右两端之外，所述轴芯左右伸出环形外壳的部分分别为左伸出段和右伸出段，

所述轴芯的中部和环形外壳之间设有两个空气静压径向轴承，所述轴芯的右伸出段上固定设置有一个沿径向向外凸出的回转盘，所述回转盘的左右两侧分别设置有两个空气静压止推轴承，两个空气静压止推轴承的外缘凸出回转盘的外缘，两个空气静压止推轴承凸出回转盘的部分之间设置有调整环，所述调整环厚度大于回转盘厚度，两个空气静压止推轴承和调整环与环形外壳可拆卸的安装在一起，所述环形外壳内开有供气管道，所述环形外壳一侧开有与供气管道相连通的第一供气孔，通过所述供气管道同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，从而使得轴芯完全脱离开两个空气静压径向轴承实现径向悬浮以及回转盘完全脱离开两个空气静压止推轴承实现轴向悬浮；

所述轴芯的左伸出段上固定安装有一个涡轮，所述涡轮外罩有一个左盖板，所述左盖板上沿圆周方向均匀分布有偶数个第二供气孔，通过第二供气孔向左盖板内部通气从而带动涡轮旋转，所述涡轮的左侧通过一个锁紧螺母锁紧，所述锁紧螺母左端面与轴芯左端面平齐，所述锁紧螺母左侧罩有一个固定的加载罩，所述加载罩与锁紧螺母之间不接触，所述加载罩左端中部开有一个加载孔，通过加载孔向加载罩内通气从而对轴芯左端面施加轴向压力；

所述测试系统还包括检测部，所述检测部包括位移传感器、转速传感器、第一气体压力传感器、第二气体压力传感器、温度传感器，所述第一气体压力传感器设置在加载罩内且位于锁紧螺母左侧，所述位移传感器、温度传感器、第二气体压力传感器均设置在位于右侧的空气静压止推轴承的右端，且位移传感器、温度传感器、第二气体压力传感器的检测探头正对着所述回转盘，所述转速传感器设置在轴芯的右侧；

所述测试系统还包括供气部，通过供气部分别向所述第一供气孔、第二供气孔和加载孔提供压缩空气。

作为上述测试系统的优选方式，所述供气部包括空气压缩机、气罐、并联的多个供气气路，所述空气压缩机的输出口与气罐相连接，并联的多个供气气路的进气端分别与气罐输出口相连接，并联的多个供气气路的出气端一一对应的分别与第一供气孔、偶数个第二供气孔、加载孔相连接，每个供气气路上沿气流方向依次设置有节流阀、流量计、调压阀、压力表，其中与第一供气孔相连接的供气气路为第一供气气路，与第二供气孔相连接的供气气路为第二供气气路，与加载孔相连接的供气气路为加载供气气路。

作为上述测试系统的优选方式，所述涡轮沿周向均匀分布有偶数个叶片，每个叶片为弧形片。

作为上述测试系统的优选方式，所述第二供气孔的轴心线倾斜设置。

作为上述测试系统的优选方式，位于右侧的空气静压止推轴承右侧设有一个右盖板，通过右盖板将两个空气静压止推轴承、调整环与环形外壳可拆卸的安装在一起。

作为上述测试系统的优选方式，所述环形外壳通过一个基座夹紧固定，所述基座包括上夹紧部和下夹紧部，通过上夹紧部和下夹紧部合在一起将环形外壳夹紧固定。

作为上述测试系统的优选方式，所述涡轮上的每个叶片呈左右对称，所有叶片的对称面在同一个基准对称面上，所述基准对称面与涡轮的轴心线垂直，第二供气孔的轴心线位于所述基准对称面上。

本发明还公开了一种空气静压止推轴承高速性能测试方法，所述测试方法是利用上述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统进行测试的，所述测试方法按如下步骤依次进行：

(1)通过供气部向第一供气孔通入压缩空气，压缩空气通过供气管道同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，使得轴芯在径向和轴向上均悬浮起来；

(2)通过供气部向偶数个第二供气孔通入压缩空气，且使得通入每个第二供气孔的压缩空气的流量和压力均相等，压缩空气作用于涡轮从而驱动涡轮旋转，进而带动轴芯同步旋转；

(3)通过供气部向加载孔通入压缩空气，使通入的压缩空气经过加载孔后加载到轴芯和锁紧螺母的左端面上，对轴芯施加轴向压力，此时通过第一气体压力传感器测得轴芯和锁紧螺母的左端面处气体压力为P₁，通过位移传感器测得轴芯的回转盘的轴向移动位移为h，通过转速传感器实时测出轴芯的回转速度，通过温度传感器和第二气体压力传感器实时测出空气静压止推轴承位置处气膜的温度和压力；并根据如下公式(一)来计算施加在轴芯上的轴向力W为：

W＝P₁×S (一)

其中，S为轴芯和锁紧螺母的左端面的面积总和；施加在轴芯上的轴向力W即为当前工况下两个空气静压止推轴承的轴向承载能力；

(5)通过改变通入加载孔的压缩空气的流量和压力，即能改变施加在轴芯上的轴向力W，根据如下公式(二)来计算空气静压止推轴承的气膜刚度K：

其中，ΔW为前后两次工况下施加在轴芯上的轴向力W的差值，Δh为前后两次工况下回转盘的轴向移动位移h的差值，计算得到的气膜刚度K为前一次工况下空气静压止推轴承的气膜刚度。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明提供的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统及测试方法，采用空气静压径向轴承为轴芯提供径向支撑，相比滚动轴承大大降低了径向轴承的磨损和发热，能够进行高转速工况下的测试。通过节流阀和调压阀调节压缩空气的流量和压力能够很好地控制轴芯的转速，以便在不同转速下测试空气静压止推轴承的性能。采用压缩空气加载的方式得以测试高转速下空气静压止推轴承的性能参数，克服了传统接触式力加载磨损严重的问题。本发明能够实现不同供气压力、不同转速下空气静压止推轴承的性能测试，能够测出实际运转工况下空气静压止推轴承的各项性能参数。

附图说明

图1是本发明的测试系统的整体示意图。

图2是本发明的测试系统去掉供气部后的结构示意图。

图3是图2的右视图。

图4是本发明的涡轮与左盖板的横剖视图。

图5是本发明的涡轮立体图。

图中标号：1-加载罩；2-锁紧螺母；3-左盖板；4-涡轮；411-叶片；5-左垫板；6-空气静压左径向轴承；7-环形外壳；71-供气管道；8-基座；9-空气静压右径向轴承；10-右垫板；11-空气静压左止推轴承；12-调整环；13-空气静压右止推轴承；14-右盖板；15-位移传感器；16-转速传感器；17-轴芯；171-回转盘；172-中空孔；18-密封圈；19-第一气体压力传感器；20-节流阀；21-流量计；22-调压阀；23-压力表；36-温度传感器；37-第二气体压力传感器；38-第一供气孔；39-第二供气孔；40-加载孔；41-气罐；42-数据采集器；43-计算机；44-空气压缩机。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1至图5，本实施例公开了一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，该测试系统包括环形外壳7，环形外壳7通过一个基座8夹紧固定，基座8分布上夹紧部和下夹紧部，通过上夹紧部和下夹紧部合在一起将环形外壳7夹紧固定。环形外壳7内腔设有一个轴芯17，轴芯17内设有中空孔172，轴芯17的左右两端分别伸出环形外壳7左右两端之外，轴芯17左右伸出环形外壳7的部分分别为左伸出段和右伸出段。

轴芯17的中部和环形外壳7之间设有两个空气静压径向轴承，两个空气静压径向轴承呈左右排布且分别为空气静压左径向轴承6和空气静压右径向轴承9，轴芯17的右伸出段上固定设置有一个沿径向向外凸出的回转盘171，回转盘171的左右两侧分别设置有两个空气静压止推轴承，两个空气静压止推轴承分别为空气静压左止推轴承11和空气静压右止推轴承13，空气静压左止推轴承11与环形外壳7之间设有右垫板10，两个空气静压止推轴承的外缘凸出回转盘171的外缘，两个空气静压止推轴承凸出回转盘171的部分之间设置有调整环12，调整环12厚度大于回转盘171厚度，位于右侧的空气静压右止推轴承13右侧设有一个右盖板14，通过右盖板14将两个空气静压止推轴承、调整环12与环形外壳7可拆卸的安装在一起。环形外壳7内开有供气管道71，环形外壳7一侧开有与供气管道71相连通的第一供气孔38，通过供气管道71同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，从而使得轴芯17完全脱离开两个空气静压径向轴承实现径向悬浮以及回转盘171完全脱离开两个空气静压止推轴承实现轴向悬浮；在给空气静压左止推轴承11、空气静压右止推轴承13、空气静压左径向轴承6和空气静压右径向轴承9供气的管道沿途部件交接处均设有密封圈18；

轴芯17的左伸出段上固定安装有一个涡轮4，涡轮4外罩有一个左盖板3，左盖板3与环形外壳7之间设有一个左垫板5，左盖板3上沿圆周方向均匀分布有偶数个第二供气孔39，第二供气孔39的轴心线倾斜设置，通过第二供气孔39向左盖板3内部通气从而带动涡轮4旋转，涡轮4沿周向均匀分布有偶数个叶片411，每个叶片411为弧形片。涡轮4的左侧通过一个锁紧螺母2锁紧，锁紧螺母2左端面与轴芯17左端面平齐，锁紧螺母2左侧罩有一个固定的加载罩1，加载罩1与锁紧螺母2之间不接触，加载罩1和锁紧螺母2之间的单边间隙为20μm，加载罩1左端中部开有一个加载孔40，通过加载孔40向加载罩1内通气从而对轴芯17左端面施加轴向压力；

涡轮4上的每个叶片411呈左右对称，所有叶片411的对称面在同一个基准对称面上，基准对称面与涡轮4的轴心线垂直，第二供气孔39的轴心线位于基准对称面上，以保证高压气流作用在叶片411上无轴向力产生。

测试系统还包括检测部，检测部包括位移传感器15、转速传感器16、第一气体压力传感器19、第二气体压力传感器37、温度传感器36，第一气体压力传感器19设置在加载罩1内且位于锁紧螺母2左侧，位移传感器15、温度传感器36、第二气体压力传感器37均设置在位于右侧的空气静压右止推轴承13的右端，且位移传感器15、温度传感器36、第二气体压力传感器37的检测探头正对着回转盘171，转速传感器16设置在轴芯17的右侧；位移传感器15、转速传感器16、第一气体压力传感器19、温度传感器36、第二气体压力传感器37分别与数据采集器42相连，并通过数据采集器42将数据传送到计算机43。

位移传感器15可为电容式、电感式、涡流式、磁敏式、光电式等非接触式位移传感器。

转速传感器16可为磁敏式、激光式、磁电式、电容式、变磁阻式等非接触式转速传感器。

位移传感器15、温度传感器36、第二气体压力传感器37的工作面不能超出空气静压右止推轴承13的左端面。

测试系统还包括供气部，通过供气部分别向第一供气孔38、第二供气孔39和加载孔40提供压缩空气。供气部包括空气压缩机44、气罐41、并联的多个供气气路，空气压缩机44的输出口与气罐41相连接，并联的多个供气气路的进气端分别与气罐41输出口相连接，并联的多个供气气路的出气端一一对应的分别与第一供气孔38、偶数个第二供气孔39、加载孔40相连接，每个供气气路上沿气流方向依次设置有节流阀20、流量计21、调压阀22、压力表23，其中与第一供气孔38相连接的供气气路为第一供气气路，与第二供气孔39相连接的供气气路为第二供气气路，与加载孔40相连接的供气气路为加载供气气路。

本实施例还公开了一种空气静压止推轴承高速性能测试方法，该测试方法是利用上述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统进行测试的，该测试方法按如下步骤依次进行：

(1)通过供气部的第一供气气路向第一供气孔38通入压缩空气，可通过调节第一供气气路上的节流阀20和调压阀22来调节压缩空气的流量和压力，压缩空气通过供气管道71同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，使得轴芯17在径向和轴向上均悬浮起来；

(2)通过供气部的偶数个第二供气气路向偶数个第二供气孔39同时通入压缩空气，且可通过调整各个第二供气气路上的节流阀20和调压阀22来调节压缩空气的流量和压力，使得通入每个第二供气孔39的压缩空气的流量和压力均相等，压缩空气作用于涡轮4从而驱动涡轮4旋转，进而带动轴芯17同步旋转；通过调节使各个第二供气气路的压缩空气的流量和压力分别保持一致，以保证涡轮4只受到切向驱动力，抵消涡轮4受到的径向力，从而降低空气静压左径向轴承6和空气静压右径向轴承9的负载；

(3)通过供气部的加载供气气路向加载孔40通入压缩空气，使通入的压缩空气经过加载孔40后加载到轴芯17和锁紧螺母2的左端面上，对轴芯17施加轴向压力，此时通过第一气体压力传感器19测得轴芯17和锁紧螺母2的左端面处气体压力为P₁，通过位移传感器15测得轴芯17的回转盘171的轴向移动位移为h，通过转速传感器16实时测出轴芯17的回转速度，通过温度传感器36和第二气体压力传感器37实时测出空气静压止推轴承位置处气膜的温度和压力；将位移传感器15、第一气体压力传感器19、转速传感器16、温度传感器36和第二气体压力传感器37采集到的数据通过数据采集器42传递给计算机43进行数据处理，并根据如下公式(一)来计算施加在轴芯17上的轴向力W为：

W＝P₁×S (一)

其中，S为轴芯17和锁紧螺母2的左端面的面积总和；施加在轴芯17上的轴向力W即为当前工况下两个空气静压止推轴承的轴向承载能力；

(6)通过改变通入加载孔40的压缩空气的流量和压力，即能改变施加在轴芯17上的轴向力W，根据如下公式(二)来计算空气静压止推轴承的气膜刚度K：

其中，ΔW为前后两次工况下施加在轴芯17上的轴向力W的差值，Δh为前后两次工况下回转盘171的轴向移动位移h的差值，计算得到的气膜刚度K为前一次工况下空气静压止推轴承的气膜刚度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：所述测试系统包括环形外壳，所述环形外壳内腔设有一个轴芯，所述轴芯的左右两端分别伸出环形外壳左右两端之外，所述轴芯左右伸出环形外壳的部分分别为左伸出段和右伸出段，

所述轴芯的中部和环形外壳之间设有两个空气静压径向轴承，所述轴芯的右伸出段上固定设置有一个沿径向向外凸出的回转盘，所述回转盘的左右两侧分别设置有两个空气静压止推轴承，两个空气静压止推轴承的外缘凸出回转盘的外缘，两个空气静压止推轴承凸出回转盘的部分之间设置有调整环，所述调整环厚度大于回转盘厚度，两个空气静压止推轴承和调整环与环形外壳可拆卸的安装在一起，所述环形外壳内开有供气管道，所述环形外壳一侧开有与供气管道相连通的第一供气孔，通过所述供气管道同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，从而使得轴芯完全脱离开两个空气静压径向轴承实现径向悬浮以及回转盘完全脱离开两个空气静压止推轴承实现轴向悬浮；

所述轴芯的左伸出段上固定安装有一个涡轮，所述涡轮外罩有一个左盖板，所述左盖板上沿圆周方向均匀分布有偶数个第二供气孔，通过第二供气孔向左盖板内部通气从而带动涡轮旋转，所述涡轮的左侧通过一个锁紧螺母锁紧，所述锁紧螺母左端面与轴芯左端面平齐，所述锁紧螺母左侧罩有一个固定的加载罩，所述加载罩与锁紧螺母之间不接触，所述加载罩左端中部开有一个加载孔，通过加载孔向加载罩内通气从而对轴芯左端面施加轴向压力；

所述测试系统还包括检测部，所述检测部包括位移传感器、转速传感器、第一气体压力传感器、第二气体压力传感器、温度传感器，所述第一气体压力传感器设置在加载罩内且位于锁紧螺母左侧，所述位移传感器、温度传感器、第二气体压力传感器均设置在位于右侧的空气静压止推轴承的右端，且位移传感器、温度传感器、第二气体压力传感器的检测探头正对着所述回转盘，所述转速传感器设置在轴芯的右侧；

所述测试系统还包括供气部，通过供气部分别向所述第一供气孔、第二供气孔和加载孔提供压缩空气。

2.如权利要求1所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：所述供气部包括空气压缩机、气罐、并联的多个供气气路，所述空气压缩机的输出口与气罐相连接，并联的多个供气气路的进气端分别与气罐输出口相连接，并联的多个供气气路的出气端一一对应的分别与第一供气孔、偶数个第二供气孔、加载孔相连接，每个供气气路上沿气流方向依次设置有节流阀、流量计、调压阀、压力表，其中与第一供气孔相连接的供气气路为第一供气气路，与第二供气孔相连接的供气气路为第二供气气路，与加载孔相连接的供气气路为加载供气气路。

3.如权利要求1所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：所述涡轮沿周向均匀分布有偶数个叶片，每个叶片为弧形片。

4.如权利要求1所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：所述第二供气孔的轴心线倾斜设置。

5.如权利要求1所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：位于右侧的空气静压止推轴承右侧设有一个右盖板，通过右盖板将两个空气静压止推轴承、调整环与环形外壳可拆卸的安装在一起。

6.如权利要求1所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：所述环形外壳通过一个基座夹紧固定，所述基座包括上夹紧部和下夹紧部，通过上夹紧部和下夹紧部合在一起将环形外壳夹紧固定。

7.如权利要求3所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统，其特征在于：所述涡轮上的每个叶片呈左右对称，所有叶片的对称面在同一个基准对称面上，所述基准对称面与涡轮的轴心线垂直，第二供气孔的轴心线位于所述基准对称面上。

8.一种空气静压止推轴承高速性能测试方法，其特征在于：所述测试方法是利用如权利要求1至7任一项所述的一种空气静压止推轴承高速性能测试系统进行测试的，所述测试方法按如下步骤依次进行：

(1)通过供气部向第一供气孔通入压缩空气，压缩空气通过供气管道同时给两个空气静压径向轴承和两个空气静压止推轴承供气，使得轴芯在径向和轴向上均悬浮起来；

(2)通过供气部向偶数个第二供气孔通入压缩空气，且使得通入每个第二供气孔的压缩空气的流量和压力均相等，压缩空气作用于涡轮从而驱动涡轮旋转，进而带动轴芯同步旋转；

(3)通过供气部向加载孔通入压缩空气，使通入的压缩空气经过加载孔后加载到轴芯和锁紧螺母的左端面上，对轴芯施加轴向压力，此时通过第一气体压力传感器测得轴芯和锁紧螺母的左端面处气体压力为P₁，通过位移传感器测得轴芯的回转盘的轴向移动位移为h，通过转速传感器实时测出轴芯的回转速度，通过温度传感器和第二气体压力传感器实时测出空气静压止推轴承位置处气膜的温度和压力；并根据如下公式(一)来计算施加在轴芯上的轴向力W为：

W＝P₁×S (一)

其中，S为轴芯和锁紧螺母的左端面的面积总和；施加在轴芯上的轴向力W即为当前工况下两个空气静压止推轴承的轴向承载能力；

(4)通过改变通入加载孔的压缩空气的流量和压力，即能改变施加在轴芯上的轴向力W，根据如下公式(二)来计算空气静压止推轴承的气膜刚度K：

其中，ΔW为前后两次工况下施加在轴芯上的轴向力W的差值，Δh为前后两次工况下回转盘的轴向移动位移h的差值，计算得到的气膜刚度K为前一次工况下空气静压止推轴承的气膜刚度。