CN111024396A - 螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承性能模拟测试装置及测试方法，本发明为解决现有螺旋槽气体动压推力轴承的起停摩擦性能测试，整机测试方法，测试周期较长、成本较高的问题，它包括立式试验台、气体轴承模拟模块、驱动模块、气氛环境模拟模块、位移调整模块、加载模块和监测模块；位移调整模块固定安装在立式试验台上，监测模块安装在位移调整模块上，加载模块安装在监测模块上，驱动模块安装在与加载模块相对一侧的立式试验台上，气体轴承模拟模块安装在驱动模块和加载模块之间，气氛环境模拟模块安装在驱动模块的固定台架上，本发明属于航空航天轴承测试技术领域。

Description

螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及轴承性能模拟测试装置及测试方法，具体涉及螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置及测试方法，本发明属于航空航天轴承测试技术领域。
背景技术
螺旋槽气体动压推力轴承通过高速转动产生气体动压力，在两工作表面间形成气膜，以实现气体润滑，保障轴承安全可靠运行。针对不同的应用环境需求，该类轴承的气体润滑介质可以为空气、氮气、氦气、氢气等。气体动压推力轴承在高速气体润滑作用下，具有低摩擦、零磨损、长寿命等优势。但是，在轴承起停过程中，气体动压效应不足，两工作表面会发生直接接触而产生表面磨损，严重影响轴承的工作性能，甚至导致气体轴承无法起动。因此，对气体轴承进行起停摩擦性能测试是一项重要的技术工作。
目前，螺旋槽气体动压推力轴承的起停摩擦性能测试，多通过整机测试方法，试验周期较长、成本较高。
发明内容
本发明为解决现有螺旋槽气体动压推力轴承的起停摩擦性能测试，整机测试方法，测试周期较长、成本较高的问题，进而提供螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置及测试方法。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
它包括立式试验台、气体轴承模拟模块、驱动模块、气氛环境模拟模块、位移调整模块、加载模块和监测模块；位移调整模块固定安装在立式试验台上，监测模块安装在位移调整模块上，加载模块安装在监测模块上，驱动模块安装在与加载模块相对一侧的立式试验台上，气体轴承模拟模块安装在驱动模块和加载模块之间，气氛环境模拟模块安装在驱动模块的固定台架上。
所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：通过调整精密平移台和精密角位移台使螺旋槽止推板和转动推力板相对设置；
步骤二：控制精密平移台压缩环状弹簧，使螺旋槽止推板和转动推力板相对紧贴设置，通过环状弹簧对螺旋槽止推板进行加载，并通过拉压力传感器对螺旋槽止推板进行推力控制；
步骤三：通过通气接口向气体保护箱中通入气体，使气体充满气体轴承工作空间；
步骤四：控制电主轴进行工作，开启电主轴开关并控制电主轴输出端的转速和加速度，并通过扭矩传感器和拉压力传感器采集气体轴承起动过程摩擦数据；
步骤五：控制电主轴停止工作，关闭电主轴开关并控制电主轴输出端的转速和减速度，并通过扭矩传感器和拉压力传感器采集气体轴承停止过程摩擦数据；
步骤六：依次重复步骤四和步骤五，直至轴承无法起动，获取轴承的起停寿命，并结合轴承表面磨损状态，完成轴承起停摩擦性能测试。
本发明的有益效果：
1、本申请利用螺旋槽止推板19、转动推力板20模拟气体动压推力轴承的两工作表面，通过精密平移台3和精密角位移台4对两平行表面位置的精准控制；精密平移台3压缩环状弹簧，对螺旋槽止推板19进行推力加载，并通过拉压力传感器12进行实时反馈，实现推力载荷的精准控制；随后，在气体保护箱22中通入气体，实现轴承的气氛环境模拟；之后，起动电主轴24带动转动推力板20转动，使转动推力板20与螺旋槽止推板19之间产生气体动压效应；并通过控制电主轴24转速变化实现起停过程模拟。在起停摩擦测试过程中，采用扭矩传感器9实时监测摩擦力矩，采用拉压力传感器监测轴承所受正压力，结合表面磨损状态，判断轴承起停摩擦性能。
2、本申请中，通过扭矩传感器可以实现螺旋槽止推板和转动推力板的分离结合监测，转动推力板转动过程中，扭矩传感器所测扭矩迅速下降时，螺旋槽止推板与转动推力板分离，所测扭矩由某一值迅速上升时，螺旋槽止推板与转动推力板结合。
3、本申请中气体轴承的模拟测试，能够消除整机中的装配和其他零件等因素的影响，更加直接的实现轴承起停摩擦性能测试。
4、气体保护箱22中注入氮气、氦气和氢气等气体，模拟轴承的气氛环境，能够测试轴承在不同气氛环境中的起停摩擦性能。
5、轴承预加载的推力载荷是通过压缩环状弹簧的方式实现，弹簧的质量较较小，其惯性作用的影响较小，而且通过控制弹簧刚度，能够使螺旋槽止推板的动态载荷和位移响应灵敏。
6、本申请中，加载所用环状弹簧的直径远大于纵向高度，能够减少弹簧受到转动推力板与螺旋槽止推板的摩擦力的影响。
7、本申请中，环状弹簧采用定位销保证弹簧的轴线与弹簧支架的轴线几乎处于重合位置，减少了装置的调试时间。
附图说明
图1是本申请螺旋槽气体动压推力轴承起停摩擦性能模拟测试方法原理示意图。
图2是本申请结构示意图。
图3是环状弹簧18的俯视图。
图4是图3中B-B向视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，它包括立式试验台1、气体轴承模拟模块、驱动模块、气氛环境模拟模块、位移调整模块、加载模块和监测模块；位移调整模块固定安装在立式试验台1上，监测模块安装在位移调整模块上，加载模块安装在监测模块上，驱动模块安装在与加载模块相对一侧的立式试验台1上，气体轴承模拟模块安装在驱动模块和加载模块之间，气氛环境模拟模块安装在驱动模块的固定台架上。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，位移调整模块包括精密平移台3、精密角位移台4、扭传支撑板6、多个连接螺钉一2和多个连接螺钉二5；扭传支撑板6通过多个连接螺钉二5安装在精密角位移台4的一端上，精密角位移台4另一端固定安装在精密平移台3的一端上，精密平移台3的另一端通过多个连接螺钉一2安装在立式试验台1上。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，监测模块包括扭矩传感器9、固定螺钉一10、连接件11、拉压力传感器12和多个连接螺钉三7；扭矩传感器9通过多个连接螺钉三7安装在扭传支撑板6上，连接件11的一端通过固定螺钉一10与扭矩传感器9固定连接，连接件11的另一端与拉压力传感器12的一端固定连接，拉压力传感器12的另一端与加载模块固定连接，其它方法与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，加载模块包括环状弹簧支架13、环状弹簧18、两个定位销一17和多个连接螺钉四8；环状弹簧支架13的一端与拉压力传感器12的另一端固定连接，环状弹簧18通过多个连接螺钉四8固定安装在环状弹簧支架13的另一端上，两个定位销一17插装在环状弹簧18和环状弹簧支架13上。其它方法与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，驱动模块包括转动推力板20、连接螺钉六21、电主轴24、上台架26、下台架27、多个连接螺钉八28和多个连接螺钉九29，下台架27通过多个连接螺钉九29固定安装在立式试验台1上，上台架26通过多个上台架26安装在下台架27上，电主轴24壳体固定安装在上台架26和下台架27之间，转动推力板20通过连接螺钉六21固定安装在电主轴24的输出端上。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，气体轴承模拟模块包括连接螺钉五14、连接螺母一15、背紧圆板16和螺旋槽止推板19，转动推力板20通过连接螺钉六21固定安装在电主轴24的输出端上，背紧圆板16设置在环状弹簧18弹性连接端的内侧壁上，螺旋槽止推板19设置在环状弹簧18的弹性连接端外侧壁上，且背紧圆板16和螺旋槽止推板19通过连接螺钉五14和连接螺母一15安装在环状弹簧18上，螺旋槽止推板19和转动推力板20相对设置。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，气氛环境模拟模块包括气体保护箱22、通气接口25和多个连接螺钉七23；气体保护箱22为环形套体，气体保护箱22通过多个连接螺钉七23安装在上台架26和下台架27上，气体保护箱22套设在环状弹簧支架13、环状弹簧18、螺旋槽止推板19、转动推力板20和电主轴24输出端上。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：通过调整精密平移台3和精密角位移台4使螺旋槽止推板19和转动推力板20相对设置；
步骤二：控制精密平移台3压缩环状弹簧18，使螺旋槽止推板19和转动推力板20相对紧贴设置，通过环状弹簧18对螺旋槽止推板19进行加载，并通过拉压力传感器12对螺旋槽止推板19进行推力控制；
步骤三：通过通气接口25向气体保护箱22中通入气体，使气体充满气体轴承工作空间；
步骤四：控制电主轴24进行工作，开启电主轴24开关并控制电主轴24输出端的转速和加速度，并通过扭矩传感器和拉压力传感器采集气体轴承起动过程摩擦数据；
步骤五：控制电主轴24停止工作，关闭电主轴24开关并控制电主轴24输出端的转速和减速度，并通过扭矩传感器和拉压力传感器采集气体轴承停止过程摩擦数据；
步骤六：依次重复步骤四和步骤五，直至轴承无法起动，获取轴承的起停寿命，并结合轴承表面磨损状态，完成轴承起停摩擦性能测试。
实施例：
1.空气气氛环境中，预加载1N，起动过程中，3s时间内主轴转速由0增加到500r/min，摩擦力矩由0.01N·m降低为0，螺旋止推板与转动推力板逐渐分离。
2.空气气氛环境中，预加载1N，停止过程中，3s时间内主轴转速由500r/min减小到0，螺旋止推板与转动推力板逐渐接触，摩擦力矩由0增加到0.01N·m。
3.氦气气氛环境中，预加载1N，起动过程中，3s时间内主轴转速由0增加到500r/min，摩擦力矩由0.01N·m降低为0，螺旋止推板与转动推力板逐渐分离。
4.氦气气氛环境中，预加载1N，停止过程中，3s时间内主轴转速由500r/min减小到0，螺旋止推板与转动推力板逐渐接触，摩擦力矩由0增加到0.01N·m。
5.空气气氛环境中，预加载1.5N，起动过程中，3s时间内主轴转速由0增加到500r/min，摩擦力矩由0.014N·m降低为0，螺旋止推板与转动推力板逐渐分离。
6.空气气氛环境中，预加载1.5N，停止过程中，3s时间内主轴转速由500r/min减小到0，螺旋止推板与转动推力板逐渐接触，摩擦力矩由0增加到0.014N·m。
7.氦气气氛环境中，预加载1.5N，起动过程中，3s时间内主轴转速由0增加到500r/min，摩擦力矩由0.0141N·m降低为0，螺旋止推板与转动推力板逐渐分离。
8.氦气气氛环境中，预加载1.5N，停止过程中，3s时间内主轴转速由500r/min减小到0，螺旋止推板与转动推力板逐渐接触，摩擦力矩由0增加到0.0141N·m。

Claims (8)

1.螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：它包括立式试验台(1)、气体轴承模拟模块、驱动模块、气氛环境模拟模块、位移调整模块、加载模块和监测模块；位移调整模块固定安装在立式试验台(1)上，监测模块安装在位移调整模块上，加载模块安装在监测模块上，驱动模块安装在与加载模块相对一侧的立式试验台(1)上，气体轴承模拟模块安装在驱动模块和加载模块之间，气氛环境模拟模块安装在驱动模块的固定台架上。
2.根据权利要求1所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：位移调整模块包括精密平移台(3)、精密角位移台(4)、扭传支撑板(6)、多个连接螺钉一(2)和多个连接螺钉二(5)；扭传支撑板(6)通过多个连接螺钉二(5)安装在精密角位移台(4)的一端上，精密角位移台(4)另一端固定安装在精密平移台(3)的一端上，精密平移台(3)的另一端通过多个连接螺钉一(2)安装在立式试验台(1)上。
3.根据权利要求1或2所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：监测模块包括扭矩传感器(9)、固定螺钉一(10)、连接件(11)、拉压力传感器(12)和多个连接螺钉三(7)；扭矩传感器(9)通过多个连接螺钉三(7)安装在扭传支撑板(6)上，连接件(11)的一端通过固定螺钉一(10)与扭矩传感器(9)固定连接，连接件(11)的另一端与拉压力传感器(12)的一端固定连接，拉压力传感器(12)的另一端与加载模块固定连接。
4.根据权利要求3所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：加载模块包括环状弹簧支架(13)、环状弹簧(18)、两个定位销一(17)和多个连接螺钉四(8)；环状弹簧支架(13)的一端与拉压力传感器(12)的另一端固定连接，环状弹簧(18)通过多个连接螺钉四(8)固定安装在环状弹簧支架(13)的另一端上，两个定位销一(17)插装在环状弹簧(18)和环状弹簧支架(13)上。
5.根据权利要求1所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：驱动模块包括转动推力板(20)、连接螺钉六(21)、电主轴(24)、上台架(26)、下台架(27)、多个连接螺钉八(28)和多个连接螺钉九(29)，下台架(27)通过多个连接螺钉九(29)固定安装在立式试验台(1)上，上台架(26)通过多个上台架(26)安装在下台架(27)上，电主轴(24)壳体固定安装在上台架(26)和下台架(27)之间，转动推力板(20)通过连接螺钉六(21)固定安装在电主轴(24)的输出端上。
6.根据权利要求4或5所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：气体轴承模拟模块包括连接螺钉五(14)、连接螺母一(15)、背紧圆板(16)和螺旋槽止推板(19)，转动推力板(20)通过连接螺钉六(21)固定安装在电主轴(24)的输出端上，背紧圆板(16)设置在环状弹簧(18)弹性连接端的内侧壁上，螺旋槽止推板(19)设置在环状弹簧(18)的弹性连接端外侧壁上，且背紧圆板(16)和螺旋槽止推板(19)通过连接螺钉五(14)和连接螺母一(15)安装在环状弹簧(18)上，螺旋槽止推板(19)和转动推力板(20)相对设置。
7.根据权利要求6所述螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试装置，其特征在于：气氛环境模拟模块包括气体保护箱(22)、通气接口(25)和多个连接螺钉七(23)；气体保护箱(22)为环形套体，气体保护箱(22)通过多个连接螺钉七(23)安装在上台架(26)和下台架(27)上，气体保护箱(22)套设在环状弹簧支架(13)、环状弹簧(18)、螺旋槽止推板(19)、转动推力板(20)和电主轴(24)输出端上。
8.利用权力要求1、2、3、4、5、6或7所述装置实现的螺旋槽气体动压推力轴承性能模拟测试方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一：通过调整精密平移台(3)和精密角位移台(4)使螺旋槽止推板(19)和转动推力板(20)相对设置；
步骤二：控制精密平移台(3)压缩环状弹簧(18)，使螺旋槽止推板(19)和转动推力板(20)相对紧贴设置，通过环状弹簧(18)对螺旋槽止推板(19)进行加载，并通过拉压力传感器(12)对螺旋槽止推板(19)进行推力控制；
步骤三：通过通气接口(25)向气体保护箱(22)中通入气体，使气体充满气体轴承工作空间；
步骤四：控制电主轴(24)进行工作，开启电主轴(24)开关并控制电主轴(24)输出端的转速和加速度，并通过扭矩传感器和拉压力传感器采集气体轴承起动过程摩擦数据；
步骤五：控制电主轴(24)停止工作，关闭电主轴(24)开关并控制电主轴(24)输出端的转速和减速度，并通过扭矩传感器和拉压力传感器采集气体轴承停止过程摩擦数据；
步骤六：依次重复步骤四和步骤五，直至轴承无法起动，获取轴承的起停寿命，并结合轴承表面磨损状态，完成轴承起停摩擦性能测试。
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