CN211121974U - 用于空气静压轴承的试验系统 - Google Patents

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陈万群
王斌
霍德鸿
丁辉
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Abstract

本实用新型提供一种用于空气静压轴承的试验系统，底座，在底座上设置有支架和滑台；支架中朝向滑台的一侧设置有沿竖直平面延伸的止推板；滑台的上侧设置有滑块，滑台能够驱动滑块做靠近或远离止推板的运动；滑块朝向止推板的一侧面平行于竖直平面、且设置有开口正对止推板的凹部，凹部的底面平行于竖直平面，在凹部的底面设置有第一气压计；凹部位于止推板的转轴的上方；滑块上还设置有供气装置，供气装置的出气口设置于凹部的底面，供气装置还设置有用于连接气源的进气口、以及测量进气口的气压的第二气压计；滑块上还设置有用于测量侧面与止推板之间的水平距离的测距装置。该实验系统能够模拟一个空气静压轴承。

Description

用于空气静压轴承的试验系统
技术领域
本发明涉及空气静压轴承技术领域，尤其涉及一种用于空气静压轴承的试验系统。
背景技术
空气静压轴承是利用气膜支承载荷来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。
图1示出了空气静压轴承的结构图，包括：主轴转子11、径向轴承12、轴承外壳13、径向轴承进气口14、止推轴承15和止推轴承进气口16，主轴转子11连接电机并由其带动，具有一定压力的气体分别通过径向轴承进气口14和止推轴承进气口16流入节流孔和气腔，因此，在主轴转子11和轴承外壳13内壁间形成一层气膜，将主轴转子11支撑，实现主轴转子11运转的“零摩擦”运动。径向轴承12和止推轴承15分别承载并限制主轴转子11的径向运动和轴向运动。
这里，如图1所示，止推轴承15是在一个腔室17中转动，止推轴承进气口16从腔室17的第一侧壁向该腔室17中喷出空气，可以理解的是，该止推轴承15与第一侧壁之间距离，以及止推轴承进气口16所喷出空气的气压都会影响到该空气静压轴承的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空气静压轴承的试验系统。
为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种用于空气静压轴承的试验系统，包括：底座，在所述底座的上表面相对设置有支架和滑台；所述支架中朝向所述滑台的一侧设置有沿竖直平面延伸的止推板；所述滑台的上侧设置有滑块，所述滑台能够驱动所述滑块做靠近或远离所述止推板的运动；所述滑块朝向所述止推板的一侧面平行于所述竖直平面、且设置有开口正对所述止推板的凹部，所述凹部的底面平行于所述竖直平面，在所述凹部的底面设置有第一气压计；所述凹部位于所述止推板的转轴的上方；所述滑块上还设置有供气装置，所述供气装置的出气口设置于所述凹部的底面，所述供气装置还设置有用于连接气源的进气口、以及测量进气口的气压的第二气压计；所述滑块上还设置有用于测量所述侧面与所述止推板之间的水平距离的测距装置。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述支架中远离所述滑台的一侧设置有步进电机，所述步进电机的转子沿水平方向穿过所述支架且所述转子固定连接到所述止推板。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述测距装置包括：光栅尺读数头和光栅尺。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述供气装置包括：在水平方向上贯穿所述滑块的通孔，所述通孔与所述凹部相连通的一端为出气口、另一端为进气口，在所述通孔中设置有节流器，所述节流器与所述通孔相配合。
本发明实施例还提供了一种用于空气静压轴承的试验方法，包括以下步骤：获取待测试的空气静压轴承的中的凹部在上下方向上的长度L、在前后方向上的平均宽度
Figure BDA0002357812240000021
和目的表压比值；提供一上述的试验系统，所述试验系统中的进气口连接气源；所述试验系统中的凹部上下方向上的长度为L，在前后方向上的平均宽度为
Figure BDA0002357812240000022
控制所述气源提供空气，接收第一气压计所获取到的第一气压值Po、以及第二气压计所获取到的第二气压值Ps；在
Figure BDA0002357812240000023
Figure BDA0002357812240000024
获取测距装置所得到距离h，且h和Ps符合要求；其中，Pa为大气压，预设阀值>0。
相对于现有技术，本发明的技术效果在于：本发明实施例提供一种用于空气静压轴承的试验系统，底座，在底座上设置有支架和滑台；支架中朝向滑台的一侧设置有沿竖直平面延伸的止推板；滑台的上侧设置有滑块，滑台能够驱动滑块做靠近或远离止推板的运动；滑块朝向止推板的一侧面平行于竖直平面、且设置有开口正对止推板的凹部，凹部的底面平行于竖直平面，在凹部的底面设置有第一气压计；凹部位于止推板的转轴的上方；滑块上还设置有供气装置，供气装置的出气口设置于凹部的底面，供气装置还设置有用于连接气源的进气口、以及测量进气口的气压的第二气压计；滑块上还设置有用于测量侧面与止推板之间的水平距离的测距装置。该实验系统能够模拟一个空气静压轴承。
附图说明
图1是现有技术中的空气静压轴承的结构示意图；
图2A是本发明实施例中的试验系统的正视图；
图2B是本发明实施例中的试验系统的俯视图；
图2C是本发明实施例中的供气装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一气压计可以被称为第二气压计，并且类似地第二气压计也可以被称为第一气压计，这并不背离本申请的保护范围。
本发明实施例一提供了一种用于空气静压轴承的试验系统，如图2A和图2B所示，包括：
底座2，在所述底座2的上表面相对设置有支架3和滑台4；这里，如图2A所示，在底座2的上表面还可以设置有一个垫块21，在垫块21的上侧安装有滑台4，可选的，该垫块21与底座2是一体成型的。
所述支架3中朝向所述滑台4的一侧设置有沿竖直平面延伸的止推板31；所述滑台4的上侧设置有滑块5，所述滑台4能够驱动所述滑块5做靠近或远离所述止推板31的运动；这里，在图2A和图2B所示的情形中，支架3的右侧设置有止推板31。该滑台4可以包含有滑轨和丝杆，该滑块5的下表面设置有与该滑轨相配合的凹部，该丝杆能够驱动该滑台4做靠近或远离该止推板31的运动。
所述滑块5朝向所述止推板31的一侧面平行于所述竖直平面、且设置有开口正对所述止推板31的凹部51，所述凹部51的底面平行于所述竖直平面，在所述凹部51的底面设置有第一气压计52；所述凹部51位于所述止推板31的转轴的上方；所述滑块5上还设置有供气装置6，所述供气装置6的出气口设置于所述凹部51的底面，所述供气装置6还设置有用于连接气源的进气口、以及测量进气口的气压的第二气压计；这里，滑块5的左侧面是朝向止推板31的，滑块5的左侧面与止推板31的右侧面之间的距离为h，该凹部51在上下方向上的长度为L，在前后方向上的平均宽度为a。这里，由于该凹部52的开口是正对止推板31的，因此，该凹部52的右侧面即为该凹部52的底面。
所述滑块5上还设置有用于测量所述侧面与所述止推板31之间的水平距离的测距装置53。这里，该供气装置6会接收压力为Ps的空气且将压力为Po的空气通过其出气口喷出，从而，在止推板31的右侧面和滑块的左侧面之间形成一层气膜，可以理解的是，这是对图1中的止推轴承15和腔室17的一种模拟。
本实施例中，所述支架3中远离所述滑台4的一侧设置有步进电机32，所述步进电机32的转子沿水平方向穿过所述支架3且所述转子固定连接到所述止推板31。这里，该步进电机32能够驱动该止推板31以设定的速度旋转，在实际中，即使在相同的条件下，止推轴承15的转动对主轴转子11稳定性会产生影响，因此，就可以通过步进电机32来模拟这一情形。
本实施例中，所述测距装置53包括：光栅尺读数头531和光栅尺532。这里，在光栅尺读数头531和光栅尺532的相互配合下，该测距装置53能够测量侧面与止推板31之间的水平距离。
本实施例中，所述供气装置6包括：在水平方向上贯穿所述滑块5的通孔62，所述通孔与所述凹部51相连通的一端为出气口、另一端为进气口，在所述通孔62中设置有节流器63，所述节流器63与所述通孔62相配合。这里，如图2C所示，在该通孔62的进气口处安装有进气接头61，该进气接头61与气源连通，该节流器63与通孔62相配合，即从进气接头61所流进的空气只能经过节流器63，因此，节流器63能够调节出气口的风速和出风量。
本发明实施例二提供了一种用于空气静压轴承的试验方法，包括：
步骤1：获取待测试的空气静压轴承的中的凹部51在上下方向上的长度L、在前后方向上的平均宽度
Figure BDA0002357812240000051
和目的表压比值；
步骤2：提供实施例一中的试验系统，所述试验系统中的进气口连接气源；所述试验系统中的凹部51上下方向上的长度为L，在前后方向上的平均宽度为
Figure BDA0002357812240000052
步骤3：控制所述气源提供空气，接收第一气压计52所获取到的第一气压值Po、以及第二气压计所获取到的第二气压值Ps；
步骤4：在
Figure BDA0002357812240000061
获取测距装置53所得到距离h，且h和Ps符合要求；其中，Pa为大气压，预设阀值>0。
这里，Ps>Po>Pa，因此，
Figure BDA0002357812240000062
表压比
Figure BDA0002357812240000063
是用于描述空气静压轴承的核心指标，因此，当
Figure BDA0002357812240000064
则表示h和Ps都符合要求，则在设计实际的空气静压轴承，让止推轴承15与腔室17的第一侧壁之间的距离为h，且向止推轴承进气口16所输入的空气的气压为Ps。
可选的，在
Figure BDA0002357812240000065
持续执行以下步骤：控制滑台4调整滑块5与所述止推板31距离或调整节流器63的压降值，接收第一气压计52所获取到的第三气压值Po'、以及第二气压计所获取到的第四气压值Ps'；直至
Figure BDA0002357812240000066
这里，空气静压轴承的设计中的一个重要的理论依据为诺维-斯多克斯(Navier Stokes)方程，根据Powell的推演和简化，得到如下静压轴承的重要基础方程：
Figure BDA0002357812240000067
其中μ,R,T为与空气相关的常数，m为耗气量，因此，当
Figure BDA0002357812240000068
Figure BDA0002357812240000069
需要调整Ps与Po之间的差值，因此，可以通过调整h和Po，最终使得
Figure BDA00023578122400000610
可选的，在所述
Figure BDA00023578122400000611
持续执行以下步骤：控制滑台4增大滑块5与所述止推板31距离，接收第一气压计52所获取到的第三气压值Po'、以及第二气压计所获取到的第四气压值Ps'；直至
Figure BDA00023578122400000612
Figure BDA0002357812240000071
这里，当
Figure BDA0002357812240000072
说明Ps与Po之间的差值过大，则可以通过增大h值，使得
Figure BDA0002357812240000073
变小，最终使得
Figure BDA0002357812240000074
可选的，在所述
Figure BDA0002357812240000075
持续执行以下步骤：控制滑台4减少滑块5与所述止推板31距离，接收第一气压计52所获取到的第三气压值Po'、以及第二气压计所获取到的第四气压值Ps'；直至
Figure BDA0002357812240000076
这里，当
Figure BDA0002357812240000077
Figure BDA0002357812240000078
说明Ps与Po之间的差值过大，则可以通过减小h值，使得
Figure BDA0002357812240000079
变大，最终使得
Figure BDA00023578122400000710
可选的，在所述
Figure BDA00023578122400000711
持续执行以下步骤：降低节流器63的压降值，接收第一气压计52所获取到的第三气压值Po'、以及第二气压计所获取到的第四气压值Ps'；直至
Figure BDA00023578122400000712
Figure BDA00023578122400000713
这里，当
Figure BDA00023578122400000714
说明Ps与Po之间的差值过大，则可以通过降低节流器63的压降值，使得Po变大，最终使得
Figure BDA00023578122400000715
Figure BDA00023578122400000716
可选的，在所述
Figure BDA00023578122400000717
持续执行以下步骤：提高节流器63的压降值，接收第一气压计52所获取到的第三气压值Po'、以及第二气压计所获取到的第四气压值Ps'；直至
Figure BDA00023578122400000718
Figure BDA00023578122400000719
这里，当
Figure BDA0002357812240000081
说明Ps与Po之间的差值过小，则可以增加降低节流器63的压降值，使得Po变小，最终使得
Figure BDA0002357812240000082
Figure BDA0002357812240000083
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于空气静压轴承的试验系统，其特征在于，包括：
底座(2)，在所述底座(2)的上表面相对设置有支架(3)和滑台(4)；
所述支架(3)中朝向所述滑台(4)的一侧设置有沿竖直平面延伸的止推板(31)；
所述滑台(4)的上侧设置有滑块(5)，所述滑台(4)能够驱动所述滑块(5)做靠近或远离所述止推板(31)的运动；
所述滑块(5)朝向所述止推板(31)的一侧面平行于所述竖直平面、且设置有开口正对所述止推板(31)的凹部(51)，所述凹部(51)的底面平行于所述竖直平面，在所述凹部(51)的底面设置有第一气压计(52)；所述凹部(51)位于所述止推板(31)的转轴的上方；所述滑块(5)上还设置有供气装置(6)，所述供气装置(6)的出气口设置于所述凹部(51)的底面，所述供气装置(6)还设置有用于连接气源的进气口、以及测量进气口的气压的第二气压计；
所述滑块(5)上还设置有用于测量所述侧面与所述止推板(31)之间的水平距离的测距装置(53)。
2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于：
所述支架(3)中远离所述滑台(4)的一侧设置有步进电机(32)，所述步进电机(32)的转子沿水平方向穿过所述支架(3)且所述转子固定连接到所述止推板(31)。
3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述测距装置(53)包括：光栅尺读数头(531)和光栅尺(532)。
4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述供气装置(6)包括：在水平方向上贯穿所述滑块(5)的通孔(62)，所述通孔与所述凹部(51)相连通的一端为出气口、另一端为进气口，在所述通孔(62)中设置有节流器(63)，所述节流器(63)与所述通孔(62)相配合。
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CN111076932A (zh) * 2020-01-07 2020-04-28 江苏集萃精凯高端装备技术有限公司 用于空气静压轴承的试验系统及其试验方法
CN112556916A (zh) * 2020-10-22 2021-03-26 浙江工业大学 一种气体静压止推轴承气膜压力多自由度测量装置

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