CN108627344A - 一种气浮球轴承性能检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气浮球轴承性能检测装置及检测方法。现有气浮球轴承性能检测方法无法准确分析轴承性能。本发明的测压孔朝向轴承球窝；旋转轴和导压杆的外螺纹与球头对称的两个螺纹孔分别连接；位移传感器的测头放在球头顶部；当轴承球窝通入压力气体时，轴承球窝与球头之间形成气膜间隙支撑起球头；加载气缸通过力传感器、承载支架和开式气浮承载球窝将承载力传递到球头上；开式气浮承载球窝通入压力气体，与球头之间形成气膜间隙；结合纬向旋转台与经向旋转盘，实现气浮球轴承各个位置气膜间隙的压力检测。本发明采用单测压孔方式测量，避免打多个测压孔造成的流场失真；位移传感器直接测量球头位移变化量，避免间接测量平面造成测量偏差。

Description

一种气浮球轴承性能检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种气浮球轴承性能检测装置及检测方法。

背景技术

气浮球轴承具有高运动精度、低摩擦阻力和适应性强等优点，广泛应用于气浮平台、精密主轴和陀螺仪等精密设备，是超精密测量仪器的理想支承件。

为满足应用领域对气浮球轴承的要求，需分析各参数对轴承性能的影响情况，进而完成参数优化设计。气浮球轴承性能检测主要是测量气浮球轴承在不同供气压力和不同气膜厚度下的承载能力及气膜间隙内压力分布情况等静态性能指标。

目前，针对气浮球轴承性能检测中，承载力加载方式主要采用砝码式、气缸式和弹簧式等，其中加载器件与气浮球轴承的连接方式均为刚性连接，这使得检测时无法判断气浮球轴承是否处于工作状态。而测量气膜间隙时，采用位移传感器测量轴承某一平面的相对位移，这一方式对于气浮平面轴承的气膜间隙测量效果较好，但对于气浮球轴承来讲，当选取的平面发生偏转倾斜时，传感器所测得相对位移量并非气膜间隙的变化量，从而无法获得准确的性能指标。对于测量气膜间隙中的压力分布情况，多采用开测压孔的方式测量气膜间隙各位置的压力值，这就需要开多个方位的测压孔才能较全面地反映气膜间隙的分布情况，但分布较多测压孔时，测压孔将改变气膜间隙的流场特性，使压力分布情况失真。

由于上述检测方式的不足，无法准确地分析轴承性能情况，为轴承的参数优化设计及相关理论验证带来困难。

发明内容

本发明的目的是针对气浮球轴承性能检测方式的不足，提出一种气浮球轴承性能检测装置及检测方法，能够准确检测气浮球轴承的承载能力、静态刚度及气膜间隙压力分布等特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种气浮球轴承性能检测装置，包括基座、纬向旋转台、旋转轴、经向旋转盘、承载力加载机构、位移传感器、气体压力传感器和导压杆；所述的纬向旋转台包括底盘和转盘；底盘固定在基座上，转盘与底盘构成转动副；所述的底盘上设有刻度盘，转盘上设有指示线；转盘顶面固定有关于转盘转动中心对称的两个转台支撑架；两块支撑滑块与两个转台支撑架的滑槽分别构成滑移方向为竖直方向的移动副；旋转轴和导压杆与两个支撑滑块分别构成转动副，且旋转轴和导压杆的中心轴线对齐设置；旋转轴和导压杆的内端侧壁均设有外螺纹；经向旋转盘固定在旋转轴外端；所述的经向旋转盘上设有刻度盘，靠近经向旋转盘的转台支撑架上设有指示线；所述的导压杆开设有两端均开放的中心孔，气体压力传感器设置在导压杆外端，并嵌入中心孔内；所述的承载力加载机构包括气缸支架、加载气缸、力传感器、承载支架和开式气浮承载球窝；加载气缸的缸体固定在气缸支架上，气缸支架与基座固定；加载气缸的推杆与承载支架通过力传感器连接。开式气浮承载球窝固定在承载支架底部；开式气浮承载球窝竖直方向的中心轴线与转盘的中心轴线重合；开式气浮承载球窝的外侧面开设进气口，开式气浮承载球窝的球面开设沿周向分布的多个节流进气孔，各节流进气孔的中心轴线均过开式气浮承载球窝的球面球心；开式气浮承载球窝中空的内部形成环形气腔，环形气腔连通进气口与所有节流进气孔；开式气浮承载球窝顶部端面开设有出气口；出气口的中心轴线过开式气浮承载球窝的球面球心。

所述的位移传感器用于检测测头与气浮球轴承的球头顶部之间的间隙。

该气浮球轴承性能检测装置的检测方法，具体如下：

步骤1、将气浮球轴承的轴承球窝底部与基座固定，并使轴承球窝竖直方向的中心轴线与转盘的中心轴线重合。在气浮球轴承的球头上开设相互垂直且沿径向布置的两个气流孔，其中一个气流孔外端端口嵌入节流器形成测压孔，另一个气流孔外端加工螺纹孔，球头球面上与该螺纹孔相对的另一侧加工有另一个螺纹孔，两个螺纹孔同轴设置；将球头放置在轴承球窝上，且测压孔朝向轴承球窝设置，旋转旋转轴和导压杆，使得旋转轴和导压杆的外螺纹与球头的两个螺纹孔分别连接固定。

当轴承球窝通入压力气体时，在轴承球窝与球头之间形成气膜间隙支撑起球头。

步骤2、气浮球轴承承载力加载：

向加载气缸通入压力气体，加载气缸的推杆输出承载力，通过力传感器、承载支架和开式气浮承载球窝将承载力传递到球头上；开式气浮承载球窝与球头配合，球头顶部高于开式气浮承载球窝顶部的出气口；力传感器测量加载气缸输出的承载力大小；开式气浮承载球窝通入压力气体，与球头之间形成气膜间隙。

步骤3、气浮球轴承气膜间隙检测：

将位移传感器的测头放置在球头顶部，在包围球头竖直方向中心轴线的球头顶部区域内平移位移传感器，每次平移均检测测头与球面在竖直方向上的距离，设检测到的距离最小值为k，然后继续平移位移传感器测头，当前距离值与k的差值绝对值小于0.001mm时，位移传感器与球头完成对心。当球头转动时，改变轴承球窝的供气压力或承载力，检测位移传感器测头与球头顶部的位移变化量，该位移变化量即为球头球心的位移变化量，也为球头与轴承球窝的气膜间隙变化量，结合步骤2测得的承载力，建立承载特性关系。

步骤4、气浮球轴承气膜间隙压力检测：

测压孔通过气流孔和导压杆将气膜间隙压力传给气体压力传感器，根据帕斯卡原理，气体压力传感器检测到的压力值就是气膜间隙压力，完成气膜间隙压力检测。支撑滑块随着球头的运动沿滑槽上下滑动；通过旋转纬向旋转台，使球头沿纬向旋转，实现纬向变化时气膜间隙的压力检测；旋转经向旋转盘，使球头绕旋转轴旋转，实现经向变化时气膜间隙的压力检测。结合纬向旋转台与经向旋转盘，实现气浮球轴承各个位置气膜间隙的压力检测，即完成整个气膜间隙区域的压力分布检测。

本发明的有益效果是：

(1)承载力采用气缸加载，可实现连续加载，结合开式气浮承载球窝，

在保证施加承载力的同时，球头可以保持运动状态，便于判断检测性能时球轴承的工作状态。

(2)气膜间隙位移测量时，采用位移传感器测头直接测量球头的位移变化量，避免间接测量平面造成的测量偏差。

(3)气膜间隙压力检测时，采用单测压孔方式测量，通过旋转位移台

(纬向旋转台和经向旋转盘)改变测量位置，实现气膜间隙的压力分布检测，避免打多个测压孔造成的流场失真问题。

(4)旋转位移台单独工作，只对球头的位置调节起作用，而无需负担承载力的影响。在旋转位移台选型时，不考虑承载能力(100kg级)情况下，可以选择更高精度的旋转位移台。

附图说明

图1为本发明气浮球轴承性能检测装置的装配示意图；

图2为本发明中气浮球轴承的工作状态示意图；

图3为本发明中纬向旋转台与经向旋转盘的装配示意图；

图4为本发明中经向旋转盘的结构示意图。

图中：1-基座，2-纬向旋转台，3-转台支撑架，4-轴承球窝，5-支撑滑块，6-旋转轴，7-经向旋转盘，8-开式气浮承载球窝，9-气缸支架，10-加载气缸，11-力传感器，12-承载支架，13-位移传感器，14-气体压力传感器，15-导压杆，16-球头，17-测压孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种气浮球轴承性能检测装置，包括基座1、纬向旋转台2、旋转轴6、经向旋转盘7、承载力加载机构、位移传感器13、气体压力传感器14和导压杆15；基座1是整个检测装置的支撑平台；纬向旋转台2包括底盘和转盘；底盘固定在基座1上，转盘与底盘构成转动副；底盘上设有刻度盘，转盘上设有指示线；转盘顶面固定有关于转盘转动中心对称的两个转台支撑架3；两块支撑滑块5与两个转台支撑架3的滑槽分别构成滑移方向为竖直方向的移动副；旋转轴6和导压杆15与两个支撑滑块5分别构成转动副，且旋转轴6和导压杆15的中心轴线对齐设置；旋转轴6和导压杆15的内端侧壁均设有外螺纹；经向旋转盘7固定在旋转轴6外端；经向旋转盘7上设有刻度盘，靠近经向旋转盘7的转台支撑架3上设有指示线；导压杆15开设有两端均开放的中心孔，气体压力传感器14设置在导压杆15外端，并嵌入中心孔内；承载力加载机构包括气缸支架9、加载气缸10、力传感器11、承载支架12和开式气浮承载球窝8；在气浮球轴承承载力性能检测时，采用加载气缸10进行加载；加载气缸10的缸体固定在气缸支架9上，气缸支架9与基座1固定；加载气缸10的推杆与承载支架12通过力传感器11连接，力传感器11实现承载力的测量。开式气浮承载球窝8固定在承载支架12底部；开式气浮承载球窝8竖直方向的中心轴线与转盘的中心轴线重合；加载气缸10施加的承载力通过承载支架12和开式气浮承载球窝8加载到球头16上。开式气浮承载球窝8的外侧面开设进气口，开式气浮承载球窝8的球面开设沿周向分布的多个(本实施例为六个)节流进气孔，各节流进气孔的中心轴线均过开式气浮承载球窝8的球面球心；开式气浮承载球窝8中空的内部形成环形气腔，环形气腔连通进气口与所有节流进气孔；开式气浮承载球窝8顶部端面开设有出气口；出气口的中心轴线过开式气浮承载球窝8的球面球心。

位移传感器13用于检测测头与气浮球轴承的球头顶部之间的间隙。

气浮球轴承包括轴承球窝4和球头16，是本发明性能测试的检测对象；该气浮球轴承性能检测装置的检测方法，具体如下：

1、将气浮球轴承的轴承球窝4底部与基座1固定，并使轴承球窝4竖直方向的中心轴线与转盘的中心轴线重合，如图2所示，轴承球窝4是气浮球轴承的支撑部件。在气浮球轴承的球头16上开设相互垂直且沿径向布置的两个气流孔，其中一个气流孔外端端口嵌入节流器，另一个气流孔外端加工螺纹孔，球头16球面上与该螺纹孔相对的另一侧加工有另一个螺纹孔，两个螺纹孔同轴设置；由于测压孔直径不能太大，且考虑加工成本，所以采用在较大孔径的气流孔外端端口嵌入小孔径的节流器方式，完成较小孔径的测压孔17加工；将球头16放置在轴承球窝4上，且测压孔17朝向轴承球窝4设置，旋转旋转轴6和导压杆15，使得旋转轴6和导压杆15的外螺纹与球头16的两个螺纹孔分别连接固定。

当轴承球窝4通入压力气体时，在轴承球窝4与球头16之间形成气膜间隙(微米级)支撑起球头16，使球头16处于工作状态，可以绕球心做近似无摩擦阻力的旋转运动。

2、气浮球轴承承载力加载：

向加载气缸10通入压力气体，加载气缸10的推杆输出承载力，通过力传感器11、承载支架12和开式气浮承载球窝8将承载力传递到球头16上；开式气浮承载球窝8与球头16配合，球头16顶部高于开式气浮承载球窝8顶部的出气口；力传感器11测量加载气缸10输出的承载力大小；开式气浮承载球窝8通入压力气体，与球头16之间形成气膜间隙，从而使球头16在承载力作用下保持旋转运动，直观判断气浮球轴承是否处于工作状态，完成承载力的连续加载与测量。

3、气浮球轴承气膜间隙检测：

将位移传感器13的测头放置在球头16顶部，在包围球头竖直方向中心轴线的球头顶部区域内平移位移传感器13，每次平移均检测测头与球面在竖直方向上的距离，设检测到的距离最小值为k，然后继续平移位移传感器13测头，当前距离值与k的差值绝对值小于0.001mm时，位移传感器13与球头16完成对心。当球头16转动时，改变轴承球窝4的供气压力或承载力，检测位移传感器13测头与球头16顶部的位移变化量，该位移变化量即为球头16球心的位移变化量，也为球头16与轴承球窝4的气膜间隙变化量。结合承载力的测量情况，建立承载特性关系(气浮球轴承的承载力与气膜间隙关系)，完成承载特性与静态刚度等性能检测。

4、气浮球轴承气膜间隙压力检测：

如图3、4所示，测压孔17通过气流孔和导压杆15将气膜间隙压力传给气体压力传感器14，由帕斯卡原理可知，气体压力传感器14检测到的压力值就是气膜间隙压力，完成气膜间隙压力检测。支撑滑块5随着球头16的运动沿滑槽上下滑动，保证球头16在调节测压孔17位置时依然保持稳定的工作状态。通过旋转纬向旋转台2，使球头16沿纬向旋转，实现纬向变化时气膜间隙的压力检测；同理，旋转经向旋转盘7，使球头16绕旋转轴旋转，实现经向变化时气膜间隙的压力检测。结合纬向旋转台2与经向旋转盘7，实现气浮球轴承各个位置气膜间隙的压力检测，即完成整个气膜间隙区域的压力分布检测。本发明采用单测压孔方式测量，避免多个测压孔对气膜间隙流场的影响。

Claims (3)

1.一种气浮球轴承性能检测装置，包括基座、纬向旋转台、旋转轴、经向旋转盘、承载力加载机构、位移传感器、气体压力传感器和导压杆，其特征在于：所述的纬向旋转台包括底盘和转盘；底盘固定在基座上，转盘与底盘构成转动副；所述的底盘上设有刻度盘，转盘上设有指示线；转盘顶面固定有关于转盘转动中心对称的两个转台支撑架；两块支撑滑块与两个转台支撑架的滑槽分别构成滑移方向为竖直方向的移动副；旋转轴和导压杆与两个支撑滑块分别构成转动副，且旋转轴和导压杆的中心轴线对齐设置；旋转轴和导压杆的内端侧壁均设有外螺纹；经向旋转盘固定在旋转轴外端；所述的经向旋转盘上设有刻度盘，靠近经向旋转盘的转台支撑架上设有指示线；所述的导压杆开设有两端均开放的中心孔，气体压力传感器设置在导压杆外端，并嵌入中心孔内；所述的承载力加载机构包括气缸支架、加载气缸、力传感器、承载支架和开式气浮承载球窝；加载气缸的缸体固定在气缸支架上，气缸支架与基座固定；加载气缸的推杆与承载支架通过力传感器连接；开式气浮承载球窝固定在承载支架底部；开式气浮承载球窝竖直方向的中心轴线与转盘的中心轴线重合；开式气浮承载球窝的外侧面开设进气口，开式气浮承载球窝的球面开设沿周向分布的多个节流进气孔，各节流进气孔的中心轴线均过开式气浮承载球窝的球面球心；开式气浮承载球窝中空的内部形成环形气腔，环形气腔连通进气口与所有节流进气孔；开式气浮承载球窝顶部端面开设有出气口；出气口的中心轴线过开式气浮承载球窝的球面球心。

2.根据权利要求1所述的一种气浮球轴承性能检测装置，其特征在于：所述的位移传感器用于检测测头与气浮球轴承的球头顶部之间的间隙。

3.根据权利要求1或2所述的一种气浮球轴承性能检测装置的检测方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤1、将气浮球轴承的轴承球窝底部与基座固定，并使轴承球窝竖直方向的中心轴线与转盘的中心轴线重合；在气浮球轴承的球头上开设相互垂直且沿径向布置的两个气流孔，其中一个气流孔外端端口嵌入节流器形成测压孔，另一个气流孔外端加工螺纹孔，球头球面上与该螺纹孔相对的另一侧加工有另一个螺纹孔，两个螺纹孔同轴设置；将球头放置在轴承球窝上，且测压孔朝向轴承球窝设置，旋转旋转轴和导压杆，使得旋转轴和导压杆的外螺纹与球头的两个螺纹孔分别连接固定；

当轴承球窝通入压力气体时，在轴承球窝与球头之间形成气膜间隙支撑起球头；

步骤2、气浮球轴承承载力加载：

向加载气缸通入压力气体，加载气缸的推杆输出承载力，通过力传感器、承载支架和开式气浮承载球窝将承载力传递到球头上；开式气浮承载球窝与球头配合，球头顶部高于开式气浮承载球窝顶部的出气口；力传感器测量加载气缸输出的承载力大小；开式气浮承载球窝通入压力气体，与球头之间形成气膜间隙；

步骤3、气浮球轴承气膜间隙检测：

将位移传感器的测头放置在球头顶部，在包围球头竖直方向中心轴线的球头顶部区域内平移位移传感器，每次平移均检测测头与球面在竖直方向上的距离，设检测到的距离最小值为k，然后继续平移位移传感器测头，当前距离值与k的差值绝对值小于0.001mm时，位移传感器与球头完成对心；当球头转动时，改变轴承球窝的供气压力或承载力，检测位移传感器测头与球头顶部的位移变化量，该位移变化量即为球头球心的位移变化量，也为球头与轴承球窝的气膜间隙变化量，结合步骤2测得的承载力，建立承载特性关系；

步骤4、气浮球轴承气膜间隙压力检测：

测压孔通过气流孔和导压杆将气膜间隙压力传给气体压力传感器，根据帕斯卡原理，气体压力传感器检测到的压力值就是气膜间隙压力，完成气膜间隙压力检测；支撑滑块随着球头的运动沿滑槽上下滑动；通过旋转纬向旋转台，使球头沿纬向旋转，实现纬向变化时气膜间隙的压力检测；旋转经向旋转盘，使球头绕旋转轴旋转，实现经向变化时气膜间隙的压力检测；结合纬向旋转台与经向旋转盘，实现气浮球轴承各个位置气膜间隙的压力检测，即完成整个气膜间隙区域的压力分布检测。