CN110686008B - 一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承及其使用方法，该气体轴承包括上工作圆盘组件和下工作圆盘组件；上工作圆盘组件包括上部石英玻璃圆盘、上内螺套和上稳流管；下工作圆盘组件包括下部石英玻璃圆盘、下内螺套和下稳流管；上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘平行设置且两者间构成气膜间隙；上部石英玻璃圆盘中心设置有上沉孔及上供气孔，上供气孔出气端设曲面造型的双对称收缩段；下部石英玻璃圆盘上设置有与上部石英玻璃圆盘上下对称的下沉孔、下供气孔及双对称收缩段。本发明石英玻璃圆盘能为气体轴承内部气膜间隙流场的观测提供光路条件，实现了轴承间隙内流场的可视化观测。

Description

一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承及其使用方法

技术领域

本发明涉及高供气压力下的静压气体轴承，具体来说涉及一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承及其使用方法。

背景技术

高压气体轴承以高压气体作为润滑剂，通过气膜压力的传递性将供气压力传递至轴承工作面，进而支承外界载荷。而高压气体润滑膜的均化效应，使得高压气体轴承具有承载力大、摩擦系数小、磨损率低、工作精度高、工作寿命长等优点。

专利号为ZL 201610049454.7的发明专利“一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法”，通过对轴承结构的流线型设计，实现了轴承间隙的超音速出流，消除供气压力的限制。但该气体轴承全部采用金属材料设计，无法使测量光路通过，难以实现对气膜内部流场的可视化观测。

专利号为ZL 201710051054.4的发明专利“一种向高压圆盘气体轴承供气的柱对称内环向射流稳压腔”，提出了一种可与采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承配套使用的柱对称内环向射流稳压腔，可使供气管道输送来的不够均匀的高压气流，经过稳压腔后，变为较均匀的轴承圆盘供气孔入口气流，进入轴承圆盘间隙后使内部气膜流场平稳和均匀。但这种稳压腔尺寸较大，其直径与轴承圆盘的外径相当，使得整个高压气体轴承实验装置体积偏大。同时该稳压腔也采用金属材料设计，无法使测量光路通过，难以实现对气膜内部流场的可视化观测。

高压圆盘气体轴承多在高压、重载情况下工作，圆盘气膜内的流场状态极大地影响着轴承的承载性能，但因高压气膜间隙微小，目前仅能采用打孔埋设传感器的方法，测得若干个测量点的壁面压力和温度，不仅测得的数据不够全面，还因为圆盘壁面大量开孔后，破坏了气膜边界层的完整性使流场发生明显扭曲，从而使测量数据失真。因此亟需发明一种具有可视化能力，且不发生气膜流场扭曲或扭曲很小可忽略的高压圆盘气体轴承，投入到高压气体轴承的实验研究中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种具可视化能力，且不发生气膜流场扭曲或扭曲很小可忽略的高压石英玻璃圆盘气体轴承及其使用方法，该气体轴承可用于高压轴承的实验研究中，用来对轴承间隙内流场进行可视化观测。

本发明提供的一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，包括上下对称设置的上工作圆盘组件和下工作圆盘组件；

所述上工作圆盘组件包括上部石英玻璃圆盘、上内螺套和上稳流管；

所述下工作圆盘组件包括下部石英玻璃圆盘、下内螺套和下稳流管；

上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘平行设置且两者间构成气膜间隙；

上部石英玻璃圆盘中心设置有上沉孔及上供气孔，上内螺套固定于上沉孔内，上稳流管通过螺纹连接方式与上内螺套连接；上供气孔出气端设曲面造型的双对称收缩段，双对称收缩段两端分别与上供气孔出气端、上部石英玻璃圆盘底端面相切；

下部石英玻璃圆盘上设置有与上部石英玻璃圆盘上下对称的下沉孔、下供气孔及双对称收缩段；

上稳流管和下稳流管用于将气流分别引入上供气孔和下供气孔，上供气孔和下供气孔出气端的双对称收缩段，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速气流，并从气膜间隙流出。

进一步的，上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘同轴布置。

进一步的，上内螺套、下内螺套通过先进的金属-玻璃封接工艺分别固定于上沉孔、下沉孔内。

作为优选，上内螺套、下内螺套的材质为硬质合金YG8。

作为优选，上稳流管和下稳流管内的气流通道均沿着气流方向依次包括收缩段、圆柱段。

进一步的，收缩段由曲线绕收缩段的中心轴旋转一圈围成，所述曲线由三段上下相连且两两相切的弧线组成。

进一步的，上稳流管和下稳流管外周均依次但不连续设有进气端管螺纹、固定螺纹、连接螺纹三段螺纹，进气端管螺纹用来与外部供气管道连接，固定螺纹用来固定上工作圆盘组件和下工作圆盘组件，连接螺纹用来与内螺套连接。

作为优选，上稳流管和下稳流管外周设置一段六方面。

作为优选，上内螺套和下内螺套外周设置一段六方面。

本发明提供的一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承的使用方法，包括：在气膜间隙上或下壁设置压敏材料涂层或温敏材料涂层，通过外界激光源使压敏材料涂层或温敏材料涂层蓄能，在不同压力和温度条件下压敏材料涂层或温敏材料涂层发射出不同波长的荧光，所发射荧光透过下部石英玻璃圆盘或上部石英玻璃圆被观测相机接收；根据观测相机所接收的荧光数据即可获取气膜间隙上和/或下壁面的压力或温度数据。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

(1)采用透光率高的光学石英玻璃作为轴承圆盘的主体材料，为高压气体轴承间隙内部流场的观测提供了可达光路，可与其他光学测量手段结合，实现气膜间隙流场状态的可视化精确测量，解决了金属材质的实验轴承无法进行在线可视化测量的难题；

(2)采用热膨胀系数极小的光学石英玻璃作为轴承圆盘的主体材料，使实验轴承在工作中产生的热变形小，从而使实际工况下的轴承间隙较好地与设计尺寸保持一致，创造出使实验测量数据与理论分析结果吻合程度高的实验环境；

(3)设计了结构小巧的稳流管，取代了大尺寸的柱对称内环向射流稳压腔的设计方案，大幅度降低了高压气体轴承实验装置的尺寸和重量；使得从供气管道输送来的不够均匀的高压气流，经过稳压管后，变为均匀的轴承圆盘供气孔入口气流，进入轴承圆盘间隙后使气膜内部流场平稳和均匀。轴承的整体结构非常紧凑，节约了制造成本，简洁美观；

(4)采用先进的金属-玻璃封接工艺使石英玻璃圆盘与金属材料制成的内螺套封接固定，形成较高强度的组合件，方便与稳流管等其他金属零部件连接，解决了难以在石英玻璃上加工螺纹孔的难题，便于石英玻璃圆盘与稳流管装配，密封性能好。

附图说明

图1为实施例中高压石英玻璃圆盘气体轴承的整体结构示意图；

图2为实施例中上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘结合的结构示意图；

图3为实施例中上稳流管的结构示意图，图(a)和图(b)分别为主剖图和俯视图；

图4为实施例中上内螺套的结构示意图，图(a)和图(b)分别为主剖图和俯视图；

图5为实施例中下内螺套的结构示意图，图(a)和图(b)分别为主视图和俯剖图；

图6为实施例中下稳流管的结构示意图，图(a)和图(b)分别为主视图和俯剖图；

图7为实施例中稳流管收缩段局部侧剖图。

图中：1-上端供气管道，2-上部管接头；3-上稳流管，9-下稳流管，301、901-收缩段，302、902-圆柱段，303、903-进气端管螺纹，304、904-固定螺纹，305、905-外圆柱面，306、906-连接螺纹，307、907-六方面；4-上内螺套，8-下内螺套，401、801-六方面，402、802-中心螺纹孔，403、803-中心沉孔，404、804-外圆柱面；5-上部石英玻璃圆盘，501-上供气孔，502-第一双对称收缩段，503-上沉孔；6-气膜间隙；7-下部石英玻璃圆盘，701-下供气孔，702-第二双对称收缩段，703-下沉孔；10-下部管接头；11-下端供气管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。

参见图1～6，示出了本实施例中高压石英玻璃圆盘气体轴承的整体结构示意图，该气体轴承主要包括上工作圆盘组件和下工作圆盘组件；其中，上工作圆盘组件主要包括上部石英玻璃圆盘5、上稳流管3和上内螺套4，上稳流管3通过上内螺套4与上部石英玻璃圆盘5相连接；下工作圆盘组件主要包括下部石英玻璃圆盘7、下稳流管9和下内螺套8，下稳流管9通过下内螺套8与下部石英玻璃圆盘7相连接。上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7之间的间隙构成极薄的气膜间隙6，上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7同轴布置，以保证上下来流完全对称，此处“轴”指上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7的中心轴。本实施例中，上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7的材质优选为牌号为JS2的光学石英玻璃，可为特定波长的观测光提供光路。

上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7中心处均加工有沉孔和供气孔，上部石英玻璃圆盘5上的沉孔和供气孔分别记为上沉孔503和上供气孔501，上供气孔501的上部连接上沉孔503；下部石英玻璃圆盘7上的沉孔和供气孔分别记为下沉孔703和下供气孔701，下供气孔701的下部连接下沉孔703。本实施例中，上供气孔501和下供气孔701直径均为10mm。

上供气孔501下部(即出气端)设有曲面造型的双对称收缩段，将该双对称收缩段记为第一双对称收缩段502。下供气孔701上部(即出气端)设有与第一双对称收缩段502上下对称的第二双对称收缩段702。在本发明申请人拥有的专利号为ZL201610049454.7的授权专利“一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法”中，其中第[0038]～[0047]段提供了双对称收缩段优选的设计方法。

本实施例中，第一双对称收缩段502和第二双对称收缩段702的入口半径设计为5mm，出口半径为30mm；第一双对称收缩段502的入口与直径10mm的上供气孔501相切，第一双对称收缩段502的出口与上部石英玻璃圆盘5下端面相切；第二双对称收缩段702的入口与直径10mm的下供气孔701相切，第二收缩段型线702的出口与下部石英玻璃圆盘7上端面相切。需要说明的是，第一双对称收缩段502和第二双对称收缩段702的入口和出口是相对气流方向设定。

第一双对称收缩段502和第二双对称收缩段702之间留有一定高度的间隙，加上上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7平行段之间的间隙，可形成有规则气体流动的高压气体润滑膜。本实施例中，上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7之间的平行段间隙高度设计为0.3mm。本发明中，第一双对称收缩段502和第二双对称收缩段702分别用来将从上供气孔501和下供气孔701进入的低速轴向来流，平顺地加速为双对称收缩段出口处的径向亚音速均匀气流，曲面造型的双对称收缩段可抑制拐角处的流动分离，再经过平行段间隙后，使气流在圆盘间隙出口处进一步加速为超音速。

上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7上加工的上沉孔503和下沉孔703，分别用来固定连接上稳流管3和下稳流管9。上沉孔503应与上内螺套4的外圆柱面404配合，上沉孔503下端面连接上供气孔501。相应的，下沉孔703应与下内螺套8的外圆柱面804配合，下沉孔703上端面连接下供气孔701。本实施例中，上沉孔503和下沉孔703尺寸均优选为：直径36mm，深度20mm。

上内螺套4、下内螺套8是作为连接石英玻璃圆盘和稳流管的连接件。上内螺套4、下内螺套8分别与上沉孔503、下沉孔703固定连接。一种具体的固定连接方式为：采用先进的金属-玻璃封接工艺将上内螺套4、下内螺套8分别固定于上沉孔503、下沉孔703内。当进行金属-玻璃封接工艺时优选烧结工艺，考虑到石英玻璃的软化点温度为1700℃，內螺套材料则不能采用常见的钢铁材料，因为钢铁材料在1500℃时已熔化，应选择熔点高于1700℃的材料。內螺套材料可优选为硬质合金YG8，其主要成分WC的熔点在2600℃以上，可满足烧结工艺时的温度要求。

上稳流管3、下稳流管9分别通过螺纹连接方式与上内螺套4、下内螺套8相连。具体来说，在上内螺套4、下内螺套8中心分别依次设置中心沉孔403、803、中心螺纹孔402、802，中心沉孔403、803用于容纳稳流管外周的圆柱段，以减小稳流管的轴向长度。中心螺纹孔402、802分别与上稳流管3、下稳流管9连接段的连接螺纹306、906匹配，上稳流管3、下稳流管9的连接段分别与中心螺纹孔402、802连接即可。本实施例中，中心螺纹孔402、802公称直径优选为M20。

参见图3和图6，所示分别为上稳流管3和下稳流管9的结构示意图，由于上工作圆盘组件和下工作圆盘组件关于气膜间隙6的中心平面对称，下面将以上稳流管3为例，来说明上稳流管3和下稳流管9的结构。上稳流管3的气流通道从上至下依次为收缩段301、圆柱段302，收缩段301横截面按照进气方向收缩；收缩段301的出气端与圆柱段302的进气端处相切。同样的，下稳流管9的进气通道也是由收缩段901和与收缩段901相切的圆柱段902构成。

作为一种优选方案，收缩段内曲面可看作由曲线绕收缩段的中心轴旋转360度围成，所述曲线由三段上下相连且两两相切的弧线组成，参见图7所示。仍然以上稳流管3为例，最上端弧线的直径同与上稳流管3连接的上端供气管道1管径相同，最下端弧线的直径同上供气孔501的孔径相同，中段弧线直径介于最上端弧线和最下端弧线之间，其一种优选计算方法为：采用本发明申请人拥有的专利号为ZL201810657993.8的授权专利“用于高压圆盘气体轴承稳流装置的轴对称收缩段及其设计方法”中公式(1)和(2)来计算中段弧线直径。

为保证高压气流的流动稳定性，收缩段301、901的进口直径应与相连接的供气管道管径一致，本实施例中，收缩段301、901的进口直径均设计为20mm。为保证收缩段301、901出口与相应的上供气孔501、下供气孔701相切，收缩段301、901的出口直径均设计为10mm，此时收缩段301、901的收缩比为4。

为方便稳流管与前端供气管道、内螺套紧密连接，上稳流管3和下稳流管9外侧结构见图3和图6，由于上稳流管3和下稳流管9上下对称，下面同样以上稳流管3为例进行详述，不再赘述下稳流管9。上稳流管3进气端外周从上至下依次但不连续设有进气端管螺纹303、固定螺纹304、连接螺纹306三段螺纹，所述不连续指三段螺纹彼此不相连。进气端管螺纹303与上部管接头2匹配，用来与上部管接头2连接；固定螺纹304用来固定上工作圆盘组件，优选的，可以与具有相同尺寸内螺纹的某一固定平板相连，实现上工作圆盘组件的空间定位；连接螺纹306用来与内螺套4的内螺纹402紧密固定连接。本实施例中，进气端管螺纹303优选采用Rc1的管螺纹，连接螺纹306优选采用公称直径为M20mm的外螺纹。

为便于装配，在上稳流管3和下稳流管9外周设置一段六方面307、907和一段外圆柱面305、905，外圆柱面305、905用于工艺基准；同样的，在上内螺套4和下内螺套8外周也设置一段六方面401、801。装配时，六方面可作为活动扳手的夹紧面。

下面将陈述本发明的一种使用方法，当然，其使用方法并不限于此方法。

实验过程中，前端表压为0.45MPa的高压气流分两路，分别经上端供气管道1、下端供气管道11流入上稳流管3、下稳流管9的气流通道。在气流通道内，依次经收缩段301、901、圆柱段302、902，在收缩段301、901进行平整和稳流后变为速度均匀、流动稳定的亚音速高压气流。该平稳均匀的亚音速高压气流从圆柱段302、902流出，经由上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7上的上供气孔501、下供气孔701，进入与上供气孔501、下供气孔701相切的第一双对称收缩段502、第二双对称收缩段702的入口，并充满整个第一收缩段型线502、第二收缩段型线702之间形成的气膜间隙6，在气膜间隙6形成一层流动均匀的高压气体润滑膜以承受外部负载。与此同时，在第一收缩段型线502、第二收缩段型线702所形成的圆盘状间隙内，平整后的亚音速高压气流被加速，再经过上部石英玻璃圆盘5和下部石英玻璃圆盘7之间的平行间隙后，以超音速从圆盘间隙出口流出，以避免下游低压对上游压力分布产生影响，实现圆盘气体轴承的承载能力随供气压力的增加而线性增大。

本发明石英玻璃圆盘气体轴承可利用金属-玻璃封接工艺固定连接光学石英玻璃与金属材质内螺套，从而得到上、下工作圆盘组件，密封性好，机械强度高，光学性能好，能为气体轴承内部气膜间隙流场的观测提供光路条件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

包括上下对称设置的上工作圆盘组件和下工作圆盘组件；

所述上工作圆盘组件包括上部石英玻璃圆盘、上内螺套和上稳流管；

所述下工作圆盘组件包括下部石英玻璃圆盘、下内螺套和下稳流管；

上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘平行设置且两者间构成气膜间隙；

上部石英玻璃圆盘中心设置有上沉孔及上供气孔，上内螺套固定于上沉孔内，上稳流管通过螺纹连接方式与上内螺套连接；上供气孔出气端设曲面造型的双对称收缩段，双对称收缩段两端分别与上供气孔出气端、上部石英玻璃圆盘底端面相切；

下部石英玻璃圆盘上设置有与上部石英玻璃圆盘上下对称的下沉孔、下供气孔及双对称收缩段；

上稳流管和下稳流管用于将气流分别引入上供气孔和下供气孔，上供气孔和下供气孔出气端的双对称收缩段，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速气流，并从气膜间隙流出。

2.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述上部石英玻璃圆盘和所述下部石英玻璃圆盘同轴布置。

3.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

上内螺套、下内螺套通过金属-玻璃封接工艺分别固定于上沉孔、下沉孔内。

4.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述上内螺套、所述下内螺套的材质为硬质合金YG8。

5.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述上稳流管和所述下稳流管内的气流通道均沿着气流方向依次包括收缩段、圆柱段。

6.如权利要求5所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述收缩段由曲线绕收缩段的中心轴旋转一圈围成，所述曲线由三段上下相连且两两相切的弧线组成。

7.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述上稳流管和所述下稳流管外周均依次但不连续设有进气端管螺纹、固定螺纹、连接螺纹三段螺纹，进气端管螺纹用来与外部供气管道连接，固定螺纹用来固定上工作圆盘组件和下工作圆盘组件，连接螺纹用来与内螺套连接。

8.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述上稳流管和所述下稳流管外周设置一段六方面。

9.如权利要求1所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承，其特征是：

所述上内螺套和所述下内螺套外周设置一段六方面。

10.如权利要求1-9任一项所述的可视的高压石英玻璃圆盘气体轴承的使用方法，其特征是：

步骤一、在气膜间隙上或下壁设置压敏材料涂层或温敏材料涂层，通过外界激光源使压敏材料涂层或温敏材料涂层蓄能；

步骤二、将高压气流分两路，分别经上端供气管道、下端供气管道流入上稳流管、下稳流管的气流通道；在气流通道内，依次经收缩段、圆柱段，在收缩段进行平整和稳流后变为速度均匀、流动稳定的亚音速高压气流；该平稳均匀的亚音速高压气流从圆柱段流出，经由上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘上的上供气孔、下供气孔，进入与上供气孔、下供气孔相切的第一双对称收缩段、第二双对称收缩段的入口，并充满整个第一收缩段型线、第二收缩段型线之间形成的气膜间隙，在气膜间隙形成一层流动均匀的高压气体润滑膜以承受外部负载；

与此同时，在第一收缩段型线、第二收缩段型线所形成的圆盘状间隙内，平整后的亚音速高压气流被加速，再经过上部石英玻璃圆盘和下部石英玻璃圆盘之间的平行间隙后，以超音速从圆盘间隙出口流出；

观测相机采集透过上部石英玻璃圆盘或下部石英玻璃圆盘的荧光，该荧光由压敏材料涂层或温敏材料涂层发射；

步骤三、根据观测相机采集的荧光数据获取气膜间隙上或下壁面的压力或温度数据。

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