CN114608744B - 一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统，该标定系统的转子驱动装置固定安装于基座；载荷施加装置固定安装于基座，并与转子驱动装置相对设置；载荷传递装置固定安装于基座上，并在朝向止推盘的一侧固定安装有动压止推气体轴承；监测装置包括力矩监测单元和距离监测单元，并将监测的数据传递给控制装置；控制装置根据力矩监测单元与距离监测单元的监测数据控制转子驱动装置的转速和载荷施加装置的载荷，并存储转速、载荷以及监测数据。上述标定系统能够实现对动压止推气体轴承的承载力进行标定且标定过程无需人工参与，解决了动压止推气体轴承的设计和选型难题。

Description

一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统

技术领域

本发明涉及气体轴承技术领域，具体涉及一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统。

背景技术

动压止推气体轴承因具有无污染、摩擦阻力小、运行寿命长且无需额外供气系统等优点已在新能源车辆、航空航天、低温制冷等领域获得了广泛应用。动压止推气体轴承的承载力是轴承设计和选型过程中的重要参数之一，但动压止推气体轴承的承载力受转速和气膜间隙的影响较大，且存在一定的非线性关系，难以通过简单计算取得。

如图1所示，动压止推气体轴承1包括箔片2和轴承底板3两部分，其中箔片2包括与轴承底板3接触的波箔4和覆盖在波箔4上的平箔5。如图2所示，工作时，动压止推气体轴承1通过穿设于周向的固定孔中的螺栓、螺钉或铆钉安装在气体轴承座6上。当转子17与止推盘7开始旋转时，带动止推盘7和动压止推气体轴承1之间的气体一起旋转。如图3所示，由于动压止推气体轴承1的箔片2与止推盘7之间存在楔形区域8，当气体由楔形区域8的入口端流向非楔形区域时，由于气体入口端的平箔5边缘与止推盘7之间的第一气膜间隙H1大于平箔5内部与止推盘7之间的第二气膜间隙H2，导致进入平箔5与止推盘7之间的气体被压缩，使气体压强升高进而产生止推力F。

该止推力F即为动压止推气体轴承1的承载力，其大小与止推盘7的旋转速度ω、气膜间隙相关。在轴承实际工作过程中，旋转速度ω与气膜间隙会随着工况、安装条件的不同而变化，确定承载力F与旋转速度ω和气膜间隙之间的关系即为动压止推气体轴承的承载力标定。但是，现有技术中，还没有一种对动压止推气体轴承承载力进行标定的系统，这导致轴承的设计和选型困难，设计和选型的结果难以满足实际工作需要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统，该承载力标定系统能够对动压止推气体轴承的承载力进行标定且标定过程无需人工参与，解决了现有动压止推气体轴承的设计和选型难题。

本发明采用以下具体技术方案：

一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统，该标定系统包括基座、转子驱动装置、载荷施加装置、载荷传递装置、监测装置以及控制装置；

所述转子驱动装置固定安装于所述基座，用于驱动止推盘旋转；

所述载荷施加装置固定安装于所述基座，并与所述转子驱动装置相对设置，用于产生沿所述止推盘轴向的载荷；

所述载荷传递装置固定安装于所述转子驱动装置与所述载荷施加装置之间的所述基座上，并在朝向所述止推盘的一侧固定安装有动压止推气体轴承，用于将所述载荷施加装置产生的载荷传递至所述动压止推气体轴承；

所述监测装置包括用于监测所述动压止推气体轴承的摩擦力矩的力矩监测单元和用于监测气膜间隙的距离监测单元，并将监测的数据传递给所述控制装置；

所述控制装置与所述转子驱动装置、所述载荷施加装置、所述力矩监测单元以及所述距离监测单元信号连接，根据所述力矩监测单元与所述距离监测单元的监测数据控制所述转子驱动装置的转速和所述载荷施加装置的载荷，并存储转速、载荷以及监测数据。

更进一步地，所述转子驱动装置包括驱动电机、电机支架以及转子；

所述驱动电机通过所述电机支架固定安装于所述基座；

所述转子固定连接于所述驱动电机的输出轴；

所述止推盘与所述转子同轴设置且过盈配合，并与所述动压止推气体轴承相对设置；

所述控制装置与所述驱动电机的电机控制器信号连接，用于控制所述驱动电机的转速。

更进一步地，所述载荷施加装置包括气缸、固定支架以及伸缩杆；

所述气缸通过所述固定支架固定安装于所述基座；

所述伸缩杆与所述止推盘同轴设置，固定连接于所述气缸的输出端，并通过球形端与所述载荷传递装置实现点接触；

所述控制装置与所述气缸的控制器信号连接，用于控制所述气缸的压力。

更进一步地，所述载荷传递装置包括气体轴承座和推力杆；

所述推力杆能够沿所述止推盘的轴向滑动地安装于所述基座，与所述伸缩杆和所述转子同轴设置，并且一端与所述伸缩杆的球形端相抵接、另一端固定安装有与所述止推盘相对的所述气体轴承座；

所述气体轴承座用于固定安装所述动压止推气体轴承。

更进一步地，所述气体轴承座通过过盈配合固定安装于所述推力杆的端部；

所述动压止推气体轴承通过穿设于周向固定孔中的紧固件固定安装于所述气体轴承座。

更进一步地，所述载荷传递装置还包括第一滑轨和滑动支架；

所述第一滑轨沿所述止推盘的轴向固定安装于所述基座；

所述滑动支架滑动配合地安装于所述第一滑轨的顶部；

所述推力杆两端通过轴承能够绕其轴心线转动地安装于所述滑动支架。

更进一步地，所述轴承为角接触球轴承，所述角接触球轴承通过过盈配合固定安装于角接触球轴承座；

所述角接触球轴承座通过紧固件固定安装于所述滑动支架。

更进一步地，所述力矩监测单元包括拉力传感器、第一细绳、摩擦力矩杆、第二细绳、砝码、第二滑轨以及滑块；

所述第二滑轨与所述第一滑轨平行地固定安装于所述基座；

所述滑块滑动配合地安装于所述第二滑轨的顶部，并与所述滑动支架之间固定连接，用于实现同步滑动；

所述摩擦力矩杆垂直穿设所述推力杆且与所述推力杆固定连接，一端通过所述第一细绳连接所述拉力传感器的测量端，另一端通过所述第二细绳连接有所述砝码；所述砝码用于对所述拉力传感器施加预紧力；

所述拉力传感器的另一端与所述滑块固定连接，所述拉力传感器与所述控制装置信号连接。

更进一步地，所述距离监测单元包括固定安装于所述基座的传感器支架以及固定安装于所述传感器支架的位移传感器；

所述位移传感器的测量端与所述止推盘朝向所述动压止推气体轴承的平面平齐、且与所述轴承底板相对设置，所述位移传感器与所述控制装置信号连接。

更进一步地，所述位移传感器为电涡流位移传感器；

所述推力杆设置有沿其径向延伸的螺纹孔，所述摩擦力矩杆的中间部分设置有外螺纹，所述外螺纹与所述螺纹孔螺纹连接；

所述拉力传感器通过紧固件连接于所述滑块；

所述滑块与所述滑动支架之间通过矩形钢板固定连接在一起。

有益效果：

本发明的承载力标定系统用于动压止推气体轴承的承载力标定，采用转子驱动装置驱动止推盘转动，通过载荷施加装置和载荷传递装置向动压止推气体轴承施加载荷，利用监测装置监测动压止推气体轴承的摩擦力矩和气膜间隙，通过控制装置根据监测装置的监测数据控制止推盘的转速和动压止推气体轴承的压力，并记录标定过程中的转速、气缸压力和气膜间隙。本发明的标定系统的结构简单，元器件无需铸造加工，实施方便、成本低，系统中无需气体密封环境，可靠性好、免维护、使用寿命长，通过实时监测摩擦力矩来判定轴承的摩擦状态并实时控制载荷，获取的标定数据精确且标定过程无需人工参与，当动压止推气体轴承由空气润滑变为与止推盘接触时可以立即响应，在标定过程中能够很好的保护动压止推气体轴承。

附图说明

图1为动压止推气体轴承的结构示意图；

图2为动压止推气体轴承的工作结构示意图；

图3为动压止推气体轴承的工作原理图；

图4为本发明用于动压止推气体轴承的承载力标定系统的结构框图；

图5为本发明用于动压止推气体轴承的承载力标定系统的原理结构示意图；

图6为本发明用于动压止推气体轴承的承载力标定系统的整体结构示意图。

其中，1-动压止推气体轴承，2-箔片，3-轴承底板，4-波箔，5-平箔，6-气体轴承座，7-止推盘，8-楔形区域，9-基座，10-转子驱动装置，11-载荷施加装置，12-载荷传递装置，13-监测装置，14-控制装置，15-驱动电机，16-电机支架，17-转子，18-气缸，19-固定支架，20-伸缩杆，21-推力杆，22-第一滑轨，23-滑动支架，24-拉力传感器，25-第一细绳，26-摩擦力矩杆，27-第二细绳，28-砝码，29-第二滑轨，30-滑块，31-传感器支架，32-位移传感器，33-矩形钢板

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图4、图5和图6结构所示，本发明实施例提供了一种用于动压止推气体轴承1的承载力标定系统，该标定系统包括基座9、转子驱动装置10、载荷施加装置11、载荷传递装置12、监测装置13以及控制装置14；

转子驱动装置10固定安装于基座9，用于驱动止推盘7旋转；

载荷施加装置11固定安装于基座9，并与转子驱动装置10相对设置，用于产生沿止推盘7轴向的载荷；

载荷传递装置12固定安装于转子驱动装置10与载荷施加装置11之间的基座9上，并在朝向止推盘7的一侧固定安装有动压止推气体轴承1，用于将载荷施加装置11产生的载荷传递至动压止推气体轴承1；

监测装置13包括用于监测动压止推气体轴承1的摩擦力矩的力矩监测单元和用于监测气膜间隙的距离监测单元，并将监测的数据传递给控制装置14；

控制装置14与转子驱动装置10、载荷施加装置11、力矩监测单元以及距离监测单元信号连接，根据力矩监测单元与距离监测单元的监测数据控制转子驱动装置10的转速和载荷施加装置11的载荷，并存储转速、载荷以及监测数据。

上述标定系统采用转子驱动装置10驱动止推盘7转动，通过载荷施加装置11和载荷传递装置12向动压止推气体轴承1施加载荷，利用监测装置13监测动压止推气体轴承1的摩擦力矩和气膜间隙，通过控制装置14根据监测装置13的监测数据控制止推盘7的转速和动压止推气体轴承1的压力，并记录标定过程中的转速、气缸压力和气膜间隙。

一种具体的实施方式中，如图6结构所示，转子驱动装置10包括驱动电机15、电机支架16以及转子17；驱动电机15通过电机支架16固定安装于基座9；转子17固定连接于驱动电机15的输出轴，转子17与驱动电机15的输出轴可以为一体结构，也可以为分体结构，并且转子17与输出轴之间固定连接或者通过联轴器连接；止推盘7与转子17同轴设置且过盈配合，并与动压止推气体轴承1相对设置；控制装置14与驱动电机15的电机控制器信号连接，用于控制驱动电机15的转速，驱动电机15的转速可在0～100000r/min内调控。

转子驱动装置10通过电机支架16将驱动电机15固定支承于基座9上，并通过转子17将驱动电机15的扭矩传递至止推盘7，使止推盘7与驱动电机15的输出轴同步转动，从而驱动止推盘7旋转，同时，控制装置14通过电机控制器控制驱动电机15的旋转速度。

更进一步地，如图6结构所示，载荷施加装置11包括气缸18、固定支架19以及伸缩杆20；气缸18通过固定支架19固定安装于基座9；伸缩杆20与止推盘7同轴设置，固定连接于气缸18的输出端，并通过球形端与载荷传递装置12实现点接触；控制装置14与气缸18的控制器信号连接，用于控制气缸18的压力，气缸18压力可在0～2000N内调控。在实际使用过程中，也可以采用电缸、螺杆等设备代替气缸18。

载荷施加装置11的气缸18通过固定支架19固定安装于基座9，使气缸18的缸体相对基座9固定，通过气缸18的活塞杆驱动伸缩杆20伸缩，从而实现对动压止推气体轴承1的加载，并且通过控制装置14气缸18的控制器的信号连接，实现对气缸18的伸缩长度进行控制，进而控制气缸18施加于动压止推气体轴承1的压力。

具体的，如图6结构所示，载荷传递装置12包括气体轴承座6和推力杆21；推力杆21能够沿止推盘7的轴向滑动地安装于基座9，与伸缩杆20和转子17同轴设置，并且一端与伸缩杆20的球形端相抵接、另一端固定安装有与止推盘7相对的气体轴承座6；气体轴承座6用于固定安装动压止推气体轴承1。气体轴承座6可以通过过盈配合固定安装于推力杆21的端部；动压止推气体轴承1通过穿设于周向固定孔中的紧固件固定安装于气体轴承座6。

载荷传递装置12通过气体轴承座6固定安装动压止推气体轴承1，通过推力杆21与伸缩杆20的点接触，同时由于推力杆21、伸缩杆20、转子17、止推盘7以及动压止推气体轴承1均同轴设置，因此，通过设置于载荷施加装置11与动压止推气体轴承1之间的推力杆21和气体轴承座6能够将将载荷施加装置11产生的载荷传递至动压止推气体轴承1。

为了实现载荷施加装置11的准确加载，如图6结构所示，载荷传递装置12还包括第一滑轨22和滑动支架23；第一滑轨22沿止推盘7的轴向固定安装于基座9；滑动支架23滑动配合地安装于第一滑轨22的顶部，使得滑动支架23可以沿止推盘7的轴向往复滑动；推力杆21两端通过轴承能够绕其轴心线转动地安装于滑动支架23，轴承可以为角接触球轴承等球轴承、滚子轴承或气体轴承，角接触球轴承通过过盈配合固定安装于角接触球轴承座；角接触球轴承座通过紧固件固定安装于滑动支架23。

为了实现对摩擦力矩的监测，如图6结构所示，力矩监测单元包括拉力传感器24、第一细绳25、摩擦力矩杆26、第二细绳27、砝码28、第二滑轨29以及滑块30；第二滑轨29与第一滑轨22平行地固定安装于基座9，即第二滑轨29同样沿动压止推气体轴承1的轴向延伸；第一滑轨22与第二滑轨29也可以使用气浮导轨或直线轴承；滑块30滑动配合地安装于第二滑轨29的顶部，并与滑动支架23之间固定连接，用于实现滑块30与滑动支架23的同步滑动，从而使滑块30在滑动支架23的带动下沿动压止推气体轴承1的轴向往复运动；滑块30与滑动支架23之间通过矩形钢板33固定连接在一起；摩擦力矩杆26垂直穿设推力杆21且与推力杆21固定连接，推力杆21设置有沿其径向延伸的螺纹孔，摩擦力矩杆26的中间部分设置有外螺纹，外螺纹与螺纹孔螺纹连接；摩擦力矩杆26的一端通过第一细绳25连接拉力传感器24的测量端，另一端通过第二细绳27连接有砝码28；砝码28用于对拉力传感器24施加预紧力；拉力传感器24的另一端与滑块30固定连接，拉力传感器24通过紧固件连接于滑块30；拉力传感器24与控制装置14信号连接。当止推盘7开始旋转时，带动止推盘7与动压止推气体轴承1之间的气体一起旋转，旋转的气体与动压止推气体轴承1产生摩擦，给动压止推气体轴承1与止推盘7相同旋转方向的摩擦力矩，该摩擦力矩通过摩擦力矩杆26和第一细绳25传递到拉力传感器24上，进而测量出动压止推气体轴承1所受的摩擦力矩。

为了实现气膜间隙的监测，可通过测量止推盘7与动压止推气体轴承1的轴承底板3之间的距离，然后将该距离减去气体入口端的平箔5边缘与轴承底板3之间的距离，所得结果即为第一气膜间隙H1；将该距离减去平箔5内部非楔形区域与轴承底板3之间的距离，所得结果即为第二气膜间隙H2。距离监测单元包括固定安装于基座9的传感器支架31以及固定安装于传感器支架31的位移传感器32，位移传感器32可以为电涡流位移传感器、光学测距传感器或超声波测距传感器；位移传感器32的测量端与止推盘7朝向动压止推气体轴承1的平面平齐、且与轴承底板3相对设置，位移传感器32与控制装置14信号连接。

在上述各种实施例中，紧固件可以为螺钉、螺栓或铆钉。

采用上述标定系统对动压止推气体轴承1进行标定时，通过连接在推力杆21上的摩擦力矩杆26来测量动压止推气体轴承1的摩擦力矩，该摩擦力矩杆26也可安装在气体轴承座6上或载荷传递装置12的其它部位；同时，也可以通过其他方法测量动压止推气体轴承1的摩擦力矩，例如：可在平箔5朝向轴承底板3一侧粘贴应变片，通过测量平箔5的应变来计算动压止推气体轴承1的摩擦力矩；通过摩擦力矩值来判定动压止推气体轴承1是否处于空气润滑状态，也可通过位移传感器32测量止推盘7和动压止推气体轴承1的轴承底板3之间的距离，当距离大于给定阈值即认为动压止推气体轴承1处于空气润滑状态；由于推力杆21通过角接触球轴承和角接触球轴承座安装于滑块30支架上，所以推力杆21、角接触球轴承、角接触球轴承座以及滑块30支架形成的整体可在第一滑轨22上进行轴向移动；如图5所示，当转子17与止推盘7在某一转速下旋转时，止推盘7和伸缩杆20分别给推力杆21一个作用力，当调整气缸18的压力使得伸缩杆20的推力F2逐步增大时，推力杆21将逐步向止推盘7方向靠近，最终使动压止推气体轴承1与止推盘7接触，测量并储存该过程中气缸18的压力和位移传感器32的位移的对应关系即可完成该转速下的承载力标定。当动压止推气体轴承1从空气润滑状态转变为与止推盘7的接触摩擦时，动压止推气体轴承1所受的摩擦力矩会迅速上升，该摩擦力矩通过连接在推力杆21的摩擦力矩杆26传递到拉力传感器24上，通过拉力传感器24测得的摩擦力矩即可判定动压止推气体轴承1是否已与止推盘7接触。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种用于动压止推气体轴承的承载力标定系统，其特征在于，包括基座、转子驱动装置、载荷施加装置、载荷传递装置、监测装置以及控制装置；

所述转子驱动装置固定安装于所述基座，用于驱动止推盘旋转；

所述载荷施加装置固定安装于所述基座，并与所述转子驱动装置相对设置，用于产生沿所述止推盘轴向的载荷；

所述载荷传递装置固定安装于所述转子驱动装置与所述载荷施加装置之间的所述基座上，并在朝向所述止推盘的一侧固定安装有动压止推气体轴承，用于将所述载荷施加装置产生的载荷传递至所述动压止推气体轴承；

所述监测装置包括用于监测所述动压止推气体轴承的摩擦力矩的力矩监测单元和用于监测气膜间隙的距离监测单元，并将监测的数据传递给所述控制装置；

所述控制装置与所述转子驱动装置、所述载荷施加装置、所述力矩监测单元以及所述距离监测单元信号连接，根据所述力矩监测单元与所述距离监测单元的监测数据控制所述转子驱动装置的转速和所述载荷施加装置的载荷，并存储转速、载荷以及监测数据；

所述载荷施加装置包括气缸、固定支架以及伸缩杆；所述气缸通过所述固定支架固定安装于所述基座；所述伸缩杆与所述止推盘同轴设置，固定连接于所述气缸的输出端，并通过球形端与所述载荷传递装置实现点接触；所述控制装置与所述气缸的控制器信号连接，用于控制所述气缸的压力；

所述载荷传递装置包括气体轴承座和推力杆；所述推力杆能够沿所述止推盘的轴向滑动地安装于所述基座，与所述伸缩杆和所述转子同轴设置，并且一端与所述伸缩杆的球形端相抵接、另一端固定安装有与所述止推盘相对的所述气体轴承座；所述气体轴承座用于固定安装所述动压止推气体轴承；

所述载荷传递装置还包括第一滑轨和滑动支架；所述第一滑轨沿所述止推盘的轴向固定安装于所述基座；所述滑动支架滑动配合地安装于所述第一滑轨的顶部；所述推力杆两端通过轴承能够绕其轴心线转动地安装于所述滑动支架；

所述力矩监测单元包括拉力传感器、第一细绳、摩擦力矩杆、第二细绳、砝码、第二滑轨以及滑块；所述第二滑轨与所述第一滑轨平行地固定安装于所述基座；所述滑块滑动配合地安装于所述第二滑轨的顶部，并与所述滑动支架之间固定连接，用于实现同步滑动；所述摩擦力矩杆垂直穿设所述推力杆且与所述推力杆固定连接，一端通过所述第一细绳连接所述拉力传感器的测量端，另一端通过所述第二细绳连接有所述砝码；所述砝码用于对所述拉力传感器施加预紧力；所述拉力传感器的另一端与所述滑块固定连接，所述拉力传感器与所述控制装置信号连接；

所述载荷施加装置产生沿所述止推盘轴向的载荷时，所述载荷传递装置和所述力矩监测单元能够沿所述止推盘的轴向同步移动。

2.如权利要求1所述的承载力标定系统，其特征在于，所述转子驱动装置包括驱动电机、电机支架以及转子；

所述驱动电机通过所述电机支架固定安装于所述基座；

所述转子固定连接于所述驱动电机的输出轴；

所述止推盘与所述转子同轴设置且过盈配合，并与所述动压止推气体轴承相对设置；

所述控制装置与所述驱动电机的电机控制器信号连接，用于控制所述驱动电机的转速。

3.如权利要求2所述的承载力标定系统，其特征在于，所述气体轴承座通过过盈配合固定安装于所述推力杆的端部；

所述动压止推气体轴承通过穿设于周向固定孔中的紧固件固定安装于所述气体轴承座。

4.如权利要求3所述的承载力标定系统，其特征在于，所述轴承为角接触球轴承，所述角接触球轴承通过过盈配合固定安装于角接触球轴承座；

所述角接触球轴承座通过紧固件固定安装于所述滑动支架。

5.如权利要求1所述的承载力标定系统，其特征在于，所述距离监测单元包括固定安装于所述基座的传感器支架以及固定安装于所述传感器支架的位移传感器；

所述位移传感器的测量端与所述止推盘朝向所述动压止推气体轴承的平面平齐、且与所述轴承底板相对设置，所述位移传感器与所述控制装置信号连接。

6.如权利要求5所述的承载力标定系统，其特征在于，所述位移传感器为电涡流位移传感器；

所述推力杆设置有沿其径向延伸的螺纹孔，所述摩擦力矩杆的中间部分设置有外螺纹，所述外螺纹与所述螺纹孔螺纹连接；

所述拉力传感器通过紧固件连接于所述滑块；

所述滑块与所述滑动支架之间通过矩形钢板固定连接在一起。

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