本發(fā)明屬于氣體推力軸承測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種整體式高剛度氣體推力軸承動(dòng)態(tài)性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

背景技術(shù)：

氣體推力軸承的工作介質(zhì)是軸承與靜導(dǎo)軌之間一層很薄的且厚度基本保持恒定不變的氣膜。氣體推力軸承動(dòng)態(tài)性能是指軸承在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)工作時(shí)受到垂直于氣膜方向的外部擾動(dòng)而表現(xiàn)出來的性能，其實(shí)質(zhì)是氣膜的動(dòng)態(tài)性能，是影響氣浮導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)性能的重要因素。

氣體推力軸承因其低摩擦、非接觸的特性廣泛應(yīng)用于精密線性平臺(tái)。但由于其工作介質(zhì)、本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素的影響，氣體推力軸承也存在一些缺點(diǎn)。例如由于氣體的可壓縮性，氣體軸承的剛度較小且提高困難、承載能力低，甚至可能出現(xiàn)自發(fā)激振現(xiàn)象。空氣軸承在整個(gè)工作期間(如在機(jī)床上)不可避免的都要受到振動(dòng)，且氣體推力軸承的氣膜既是運(yùn)動(dòng)副的潤滑劑又起著承擔(dān)載荷的作用，氣膜的波動(dòng)影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果能使軸承動(dòng)態(tài)性能十分合理就可以保證軸承在工作載荷作用下穩(wěn)定持久地工作。因此認(rèn)識(shí)氣體軸承的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于氣體軸承的參數(shù)設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用和精密氣浮導(dǎo)軌的調(diào)試具有重要的意義。

氣體推力軸承的動(dòng)態(tài)性能研究的一種方法是利用計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算能力去求解針對(duì)氣體軸承物理模型建立的偏微分方程，但這類方程是經(jīng)過簡化的，反映的人類對(duì)氣體軸承的認(rèn)識(shí)是有限的。另一種方法是實(shí)驗(yàn)研究，是最接近實(shí)際應(yīng)用的研究方式，對(duì)于理論分析和數(shù)值計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的有效性最終也需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

氣體推力軸承在工程應(yīng)用中往往采用對(duì)稱封閉安裝、重量平衡等方式達(dá)到最佳工作氣膜間隙（即穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)），對(duì)于其動(dòng)態(tài)性能的測試在動(dòng)態(tài)力加載之前首先要求軸承達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。而目前氣體推力軸承的性能測試裝置大多只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力的加載進(jìn)行靜態(tài)性能的測試，也有類似裝置實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)力和靜態(tài)力的同時(shí)加載，但因其實(shí)驗(yàn)臺(tái)剛度低導(dǎo)致的微變形、加載方式造成軸承的傾斜等影響動(dòng)態(tài)測試結(jié)果，不能滿足氣體推力軸承動(dòng)態(tài)性能測試的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是為分析、研究和應(yīng)用氣體推力軸承提供技術(shù)保障，設(shè)計(jì)專用的氣體推力軸承測試裝置，提供一種適于工程應(yīng)用的、可準(zhǔn)確測試氣體推力軸承的動(dòng)態(tài)氣膜間隙和動(dòng)態(tài)承載力的專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種整體式高剛度氣體推力軸承動(dòng)態(tài)性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括口字形框架1、設(shè)置于口字形框架內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)和與機(jī)械系統(tǒng)連接的測試控制系統(tǒng)，所述的機(jī)械系統(tǒng)包括沿口字形框架豎直中心線方向依次連接設(shè)置的靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)、空氣彈簧、動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)、承載壓板和測力圓盤，所述承載壓板和測力圓盤之間設(shè)置多個(gè)非接觸式位移傳感器，所述測力圓盤與口字形框架內(nèi)壁的底面之間設(shè)置多個(gè)測力傳感器，在承載壓板和測力圓盤之間安設(shè)被測軸承，被測軸承的氣浮工作面朝上正對(duì)承載壓板下表面，所述的動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)通過空氣彈簧與靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)串聯(lián)對(duì)被測軸承進(jìn)行動(dòng)靜同時(shí)加載；所述靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)的上端與口字形框架內(nèi)壁的頂面固定連接；所述的測試控制系統(tǒng)包括與動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)連接的動(dòng)態(tài)力加載控制系統(tǒng)、與被測軸承連接的壓縮氣體控制系統(tǒng)和與多個(gè)非接觸式位移傳感器、多個(gè)測力傳感器連接的數(shù)據(jù)采集及測試顯示系統(tǒng)。

所述的靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)為螺旋剪式千斤頂，其上端通過螺釘固定在口字形框架內(nèi)壁的頂面，下端通過螺栓與空氣彈簧剛性連接；所述的動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)為激振器，激振器上、下兩端的頂桿均為球頭結(jié)構(gòu)，上端頂桿的球頭結(jié)構(gòu)與空氣彈簧下表面的錐形凹槽配合形成球鉸，下端頂桿的球頭結(jié)構(gòu)與承載壓板上表面中心的錐形凹槽配合形成球鉸；所述激振器還設(shè)置有激振器位置鎖死裝置，激振器位置鎖死裝置包括激振器安裝導(dǎo)套、導(dǎo)向光軸和光軸支架；所述激振器安裝導(dǎo)套的一端通過螺栓與激振器的底座剛性連接，激振器安裝導(dǎo)套的另一端設(shè)置縱向的光軸孔，光軸孔內(nèi)穿設(shè)所述的導(dǎo)向光軸，導(dǎo)向光軸的上、下兩端連接光軸支架，光軸支架安裝在口字形框架內(nèi)壁的側(cè)立面上；在激振器安裝導(dǎo)套的光軸孔外壁設(shè)置有兩個(gè)鎖死螺釘。

所述的口字形框架采用一整體花崗巖石材加工成型，其壁厚不低于150mm。

所述的口字形框架底部設(shè)置有調(diào)平機(jī)構(gòu)，調(diào)平機(jī)構(gòu)主要包括五個(gè)角點(diǎn)螺栓。

所述的測力傳感器設(shè)置三個(gè)，通過螺釘將測力圓盤、三個(gè)測力傳感器、口字形框架固定連接；所述的非接觸式位移傳感器設(shè)置三個(gè)，三個(gè)非接觸式位移傳感器通過緊定螺釘安裝在測力圓盤上并正對(duì)承載壓板的下表面；三多個(gè)非接觸式位移傳感器和三個(gè)測力傳感器均以口字形框架的豎直中心線為軸線環(huán)狀均布設(shè)置。

所述的測力圓盤上設(shè)置有被測軸承定位裝置，被測軸承定位裝置包括定位彈簧柱塞，定位彈簧柱塞安裝在測力圓盤的中心孔內(nèi)，定位彈簧柱塞的上端頭為球頭結(jié)構(gòu)并伸出測力圓盤的上表面；所述被測軸承的非氣浮工作面幾何中心處設(shè)置錐形凹槽，錐形凹槽與定位彈簧柱塞上端頭的球頭配合對(duì)被測軸承進(jìn)行定位。

所述的動(dòng)態(tài)力加載控制系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和示波器，信號(hào)發(fā)生器的輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大器的輸出端連接激振器；所述數(shù)據(jù)采集及測試顯示系統(tǒng)包括分別與非接觸式位移傳感器和測力傳感器連接的兩個(gè)信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和示波器，兩個(gè)信號(hào)放大器的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)總線相連接，兩個(gè)信號(hào)放大器的輸出端分別連接一個(gè)示波器。

所述的非接觸式位移傳感器和測力傳感器響應(yīng)頻率均不低于5KHz，所述的數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率不低于30KHz。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明整體布置采用立式結(jié)構(gòu)，螺旋剪式千斤頂、空氣彈簧、激振器和測力圓盤均沿框架豎直中心線設(shè)置，同軸度誤差不超過0.5mm；螺旋剪式千斤頂構(gòu)成的靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)和激振器構(gòu)成的動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)方式安裝對(duì)被測軸承進(jìn)行動(dòng)靜同時(shí)加載；串聯(lián)加載的方式結(jié)構(gòu)簡單，克服了氣體推力軸承動(dòng)靜加載相互干涉的問題，同時(shí)避免了動(dòng)靜并聯(lián)加載導(dǎo)致氣體軸承的傾斜等問題。

2.本發(fā)明螺旋剪式千斤頂和激振器之間設(shè)置了一個(gè)空氣彈簧，空氣彈簧的一個(gè)作用是將剪式千斤頂?shù)拇笪灰萍虞d轉(zhuǎn)化為承載壓板的小位移連續(xù)加載，另一作用是將激振器的動(dòng)態(tài)位移輸出轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的加載力；空氣彈簧相較于普通彈簧響應(yīng)速度快。

3.本發(fā)明螺旋剪式千斤頂將水平作用的旋緊力通過絲桿螺母及施力臂轉(zhuǎn)化為豎直方向的支撐力，千斤頂撐起時(shí)，空氣彈簧壓縮從而產(chǎn)生靜態(tài)加載力，保證氣體軸承的穩(wěn)態(tài)氣膜間隙，剪式千斤頂?shù)氖褂么蟠蠼档土遂o態(tài)力施加的操作高度，同時(shí)避免了重量平衡加載方式帶來慣性量過大的問題。

4.本發(fā)明口字形框架和測力圓盤具有較大的剛度，較氣膜剛度大多個(gè)數(shù)量級(jí)，其中口字形框架采用一整體花崗巖石材加工成型，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)完全是力封閉的，避免了焊接或螺栓連接框架的剛度不足和采用鑄件造成的單件加工成本高的問題；測力圓盤的高剛度保證除了氣膜傳遞的力以外沒有其他的力被測力傳感器測量到；高剛度減小了因零部件變形產(chǎn)生的氣膜間隙厚度測量誤差。

5.本發(fā)明均布設(shè)置多個(gè)位移傳感器和測力傳感器、激振器上下端球鉸的應(yīng)用、被測軸承中心定位方法的應(yīng)用以及調(diào)平機(jī)構(gòu)的應(yīng)用將氣膜傾斜誤差的影響最小化。

6.本發(fā)明適用范圍廣，可以進(jìn)行多種規(guī)格氣體推力軸承的動(dòng)態(tài)性能測試，同時(shí)可以進(jìn)行承載能力、氣膜間隙厚度等靜態(tài)性能測試，具有測試準(zhǔn)確、自動(dòng)化高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的A-A側(cè)剖視圖；

圖3為本發(fā)明被測軸承和測力圓盤的配合示意圖；

圖4為圖3的B-B側(cè)剖視圖；

圖中，1-口字形框架，2-螺旋剪式千斤頂，3-空氣彈簧，4-激振器，5-光軸支架，6-導(dǎo)向光軸，7-激振器安裝導(dǎo)套，8-鎖死螺釘，9-承載壓板，10-非接觸式位移傳感器，11-測力圓盤，12-被測軸承，13-測力傳感器，14-角點(diǎn)螺栓，15-定位彈簧柱塞。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明，如圖1-圖4所示的一種整體式高剛度氣體推力軸承動(dòng)態(tài)性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括口字形框架1、設(shè)置于口字形框架1內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)和與機(jī)械系統(tǒng)連接的測試控制系統(tǒng)，所述的機(jī)械系統(tǒng)包括沿口字形框架1豎直中心線方向依次連接設(shè)置的靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)、空氣彈簧3、動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)、承載壓板9和測力圓盤11，所述承載壓板9和測力圓盤11之間設(shè)置多個(gè)非接觸式位移傳感器10，所述測力圓盤11與口字形框架1內(nèi)壁的底面之間設(shè)置多個(gè)測力傳感器13，在承載壓板9和測力圓盤11之間安設(shè)被測軸承12，被測軸承12的氣浮工作面朝上正對(duì)承載壓板9下表面，所述的動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)通過空氣彈簧3與靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)串聯(lián)對(duì)被測軸承12進(jìn)行動(dòng)靜同時(shí)加載；所述靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)的上端與口字形框架1內(nèi)壁的頂面固定連接；所述的測試控制系統(tǒng)包括與動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)連接的動(dòng)態(tài)力加載控制系統(tǒng)、與被測軸承12連接的壓縮氣體控制系統(tǒng)和與多個(gè)非接觸式位移傳感器10、多個(gè)測力傳感器13連接的數(shù)據(jù)采集及測試顯示系統(tǒng)。

所述的靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)為螺旋剪式千斤頂2，其上端通過螺釘固定在口字形框架1內(nèi)壁的頂面，下端通過螺栓與空氣彈簧3剛性連接；所述的動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)為激振器4，激振器4上、下兩端的頂桿均為球頭結(jié)構(gòu)，上端頂桿的球頭結(jié)構(gòu)與空氣彈簧3下表面的錐形凹槽配合形成球鉸，下端頂桿的球頭結(jié)構(gòu)與承載壓板9上表面中心的錐形凹槽配合形成球鉸；所述激振器4還設(shè)置有激振器位置鎖死裝置，激振器位置鎖死裝置包括激振器安裝導(dǎo)套7、導(dǎo)向光軸6和光軸支架5；所述激振器安裝導(dǎo)套7的一端通過螺栓與激振器4的底座剛性連接，激振器安裝導(dǎo)套7的另一端設(shè)置縱向的光軸孔，光軸孔內(nèi)穿設(shè)所述的導(dǎo)向光軸6，導(dǎo)向光軸6的上、下兩端連接光軸支架5，光軸支架5安裝在口字形框架1內(nèi)壁的側(cè)立面上；在激振器安裝導(dǎo)套7的光軸孔外壁設(shè)置有兩個(gè)鎖死螺釘8。

口字形框架1和測力圓盤11均具有較大的剛度（遠(yuǎn)高于被測軸承氣膜的剛度），口字形框架1采用一整體花崗巖石材加工成型，其壁厚不低于150mm，測力圓盤11亦采用具有較大的剛度的材料制成，測力圓盤11同時(shí)通過增加厚度提高其縱向剛度。

所述的口字形框架1底部設(shè)置有調(diào)平機(jī)構(gòu)，調(diào)平機(jī)構(gòu)主要包括五個(gè)角點(diǎn)螺栓14。

所述的測力傳感器13設(shè)置三個(gè)，三個(gè)通過螺釘將測力圓盤11、測力傳感器13和口字形框架1固定連接；所述的非接觸式位移傳感器10設(shè)置三個(gè)，三個(gè)非接觸式位移傳感器10通過緊定螺釘安裝在測力圓盤11上并正對(duì)承載壓板9的下表面；三個(gè)非接觸式位移傳感器10和三個(gè)測力傳感器13均以口字形框架1的豎直中心線為軸線環(huán)狀均布設(shè)置。

所述的測力圓盤11上設(shè)置有被測軸承定位裝置，被測軸承定位裝置包括定位彈簧柱塞15，定位彈簧柱塞15安裝在測力圓盤11的中心孔內(nèi)，定位彈簧柱塞15的上端頭為球頭結(jié)構(gòu)并伸出測力圓盤11的上表面；所述被測軸承12的非氣浮工作面幾何中心處設(shè)置錐形凹槽，錐形凹槽與定位彈簧柱塞15上端頭的球頭配合對(duì)被測軸承12進(jìn)行定位。

所述的動(dòng)態(tài)力加載控制系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和示波器，信號(hào)發(fā)生器的輸出端連接功率放大器的輸入端，功率放大器的輸出端連接激振器；所述數(shù)據(jù)采集及測試顯示系統(tǒng)包括分別與非接觸式位移傳感器和測力傳感器連接的兩個(gè)信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和示波器，兩個(gè)信號(hào)放大器的輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)總線相連接，兩個(gè)信號(hào)放大器的輸出端分別連接一個(gè)示波器。

所述的非接觸式位移傳感器10和測力傳感器13響應(yīng)頻率均不低于5KHz，所述的數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率不低于30KHz。

下面具體介紹本發(fā)明的具體使用方法及步驟：

第一步，調(diào)平：

通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部的角點(diǎn)螺栓14對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作面（即測力圓盤11的上表面）進(jìn)行調(diào)平，借助水平尺和合像水平儀輔助調(diào)平；

第二步，標(biāo)定：

測試控制系統(tǒng)通電預(yù)熱30分鐘，對(duì)非接觸式位移傳感器10和測力傳感器13分別進(jìn)行標(biāo)定；

第三步，靜態(tài)力加載：

在被測軸承12不接通壓縮氣體的狀態(tài)下，將被測軸承12放置于測力圓盤11上表面中心處；轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋剪式千斤頂2的螺桿使承載壓板9下表面與被測軸承12氣浮工作面緊密接觸，分別記錄位移傳感器和測力傳感器數(shù)據(jù)；對(duì)被測軸承12接通壓縮氣體，供氣壓力在0.4MPa左右（各組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間要求供氣壓力波動(dòng)值小于0.002MPa）；通氣后，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋剪式千斤頂2的螺桿改變氣膜間隙，調(diào)整完成后，通過鎖死螺釘8將激振器位置鎖死；

第四步，動(dòng)態(tài)力加載：

動(dòng)態(tài)力加載控制系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器、功率放大器以及激振器4分別在之前通電預(yù)熱，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)頻率、幅值、相位角和功率放大器的增益使激振器按預(yù)定規(guī)律產(chǎn)生動(dòng)態(tài)加載力，通過示波器對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測；

第五步，數(shù)據(jù)記錄：

運(yùn)行工控機(jī)的數(shù)據(jù)采集程序，逐次改變動(dòng)態(tài)力加載控制系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生信號(hào)的頻率值，調(diào)整范圍在0-1000Hz，記錄并保存不同的頻率值時(shí)的動(dòng)態(tài)氣膜間隙和動(dòng)態(tài)承載力數(shù)據(jù)值；

第六步，系列測試：

分別改變氣膜間隙值和供氣壓力值，重復(fù)第三步至第五步，完成測試。

本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。