气体静压推力轴承性能测试实验台设计

统设 计 时需 要 确定 加 载方 式 及 加 载 机 构 的 运动 形 式 ； 测 试 系统 的设计 需针 对 每个测 试 项 目选 用传 感器 及测 试 方案 ； 工作 平 台设 计 时 主要 考 虑 测 试 压 力 分 布 时工
作台面的移动以及相关测试仪器的布置等。 ２ 加 载 系统 设计
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１ 剪 式 千斤 顶 ．
２千斤顶 Ｆ ． 部支 承
３ 固定 球 头 杆 ．
４ 气 浮 垫 支 承板 ．
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５ 复位压 簧 ６ 压簧导杆 ７ 连接板 ． ． ．
１． Ｏ 加载头 １． １销
８ 气浮导轨支承 ９ 加载杆 ． ．
１． ２ 拉伸 弹簧
图 ２ 加载 系统装配 图
剪式 千斤顶 上 ， 当千斤 顶撑起 时会 使拉伸 弹簧 变长 ， 复 位压簧 收缩 ， 从而 产生加 载力 。 气 体静 压推 力轴 承在测试 过程 中气膜 间 隙 的变 动 量为 纳米级 ， 因此 外 部细 微 的 干扰 都 将 影 响实 验 结 果 的准确 性 ， 为此 ， 加载 系 统 的运 动 部 分使 用 气 浮 导轨 ， 这 样可 以最 大程 度上 减 少 干 扰 ， 高测 试 精 度 。气 浮 提 导轨 副 由导轨和 气浮 滑 块组 成 ， 浮 滑 块 安装 结 构 为 气 球 面接 触式 ， 自动定位 。所 有气 浮垫经 逐个测 试 、 可 选 配 以使 气浮 导轨 副均达 到较好 的刚度和稳 定性 。在气 浮滑块 布 置上 ， 为达到 较高 的支撑 刚度 ， 运动方 向的气
图 １ 实 验 台 总 体 结 构 布 局 图
作 麻烦 ， 工作 量 大 ， 用于校 验 。气缸可 以实 现连续 加 适 载， 且操 作方 便 ， 稳定 性不 高 ， 荷随 气压波 动 ， 检 但 载 是
ห้องสมุดไป่ตู้
本文所设计实验台的 目标测试参数为气体静压止 推轴 承 的静 态性 能 ， 括 静 承 载 力 、 膜 间 隙 、 力 分 包 气 压
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位销钉； 最后 旋 紧 Ｔ形 槽螺 栓 ， 完成 定位 。
ｌ 。
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液 压 与 气动
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由空 间几 何 的 知 识 可 知 ， 过 空 间 中 的 三 个 点 经
Ｍ１ １Ｙ ， ） ２ ，２ｚ ）和 Ｍ３ ，３ｚ）确 定 平 （ ，１ｚ 、 （ Ｙ ， １ ２ ２ （ ３Ｙ ， ３
压槽 附近 的压 力 分 布 ） 因 此 从 提 高 整个 实 验 台精 度 ， 以及 简化设 备 的 目的上来 看 ， 用 单 坐标 工 作 台及 其 选 标 定装 置 来 替代 —ｙ工 作 台 的运 动 ， 一 条 线 上进 在
行连 续测量 。
图 ３ 气 浮 垫 布 置 方 式
加载头是测力传感器的安装结构 ， 因此加载头设 计时应 能 准确反 映 承载 力 的变 化 ， 且 减 少机 械 结 构 并 对传感设备的干扰。如图 ４所示 ， １ 轴 通过上端法兰
布及 气体 消耗 量等 。根 据气 体静 压轴 承 的静态 性能 参
测线上的常用加载方式。本实验 台采用 弹簧加载原 理， 可以实现连续 、 稳定 的加载 ， 且操作方便。加载系 统 的装 配结 构如 图 ２所 示 。
加 载系 统主要 包括 剪式 千斤顶 、 伸弹簧 、 拉 复位 压 簧、 加载 杆 、 载 头及 气 浮 导 轨 。本 次 设 计 选 择 Ｚ 加 Ｙ． Ａ ５型 电动剪 式千 斤顶 做为 加载 系统 的施力 装 置 。使 １ 用剪 式千 斤顶 时 ， 平 作 用 的旋 紧 力 通过 丝 杆 螺母 及 水 施力 臂转 化 为垂直 方 向 的支 撑 力 ， 样 可 以有 效 降低 这 施力 机构 的 高度 ， 而使 实 验 操 作 过程 更 加方 便 。拉 从
点或 线附 近进行 测量 （ 节 流孔 周 围 的压 力 分布 或 均 如
固定 副均 布 ４个 气浮垫 ， 浮导轨共 有 ２组 固定 副 ， 气 并 尽 可能 拉开 气浮 垫 的间距 。在非导 向辅 助气浮 垫上装 有 弹性 环 节 ， 可减 少 温度 变 化 对导 向气 浮 滑块 气 浮 间 隙 的影 响 ， 持气 浮 间隙 的稳 定 。 保
功能 。 １ 实验 台总体 结构 布局
１加 载 系统 ． ２ 耗 气 量 测试 兀 件 ． ３支承框架 ． ４ 气 体 压 力 测 试 ．
１ Ｏ
９
８ ７
元件（ 压力分布检测 ） ５ 测试平 台 ６ 基准平台 ７ 运动台 ． ． ．
８ 检测气浮垫 ． ９ 气膜厚 度检测元件 ． １． Ｏ 承载力测试元件
收稿 日期 ：０ １Ｉ一７ ２ １ －Ｉ２ 基金项 目： 陕西省教育厅专项基金项 目（ １Ｋ ８ １ １Ｊ ０ ８ ） 作者简介 ： 马方杰 （ ９ ７ ， ， １ ８ 一） 男 河南新 乡人 ， 士研究生 在 硕
读， 研究方 向： 流体润滑理论与技术 。
数 的要求 ， 主要将实验 台分为三个方 面： 加载系统 、 测 试 系统 及工 作平 台 ， 功 能 布 置 如 图 １ 示 。加 载 系 各 所
Ａ — ）＋Ｂ（ （ １ Ｙ—Ｙ ）＋Ｃ ｚ— ） ＝０ １ （ １
确定 了平 面方 程后 ， 轴 承 中心点 ， 的坐 标值 将 ｌ ，
不 同型 号 的气 体 轴 承 具 有 不 同 的 承载 力 ， 计 本 设 实 验 台时设 定 承 载 力 最 大 为 ６ ０ ０ ０Ｎ。为 了更 加 准 确 地测 试 出气体 轴 承 的实 际 承 载力 ， 力传 感 器 应 尽 量 测 靠 近气体 轴 承 ， 力 传 感 器 的安 装 结 构 如 图 ４所 示 。 测 由于加载 头 的尺寸 有 限 制 ， 因此 本 次设 计 选 择 微 型 测 力传 感器 。
浮垫采 用对 称排 布 的全 封 闭 结构 ， 图 ３所 示 。一 组 如
１轴 ． ２ 锁 紧 螺母 ． ３加载头外壳 ． ４ 测 力 传 感 器 ．
５ 开槽 圆柱头螺钉 ． ８ 螺钉 ．
６ 高碳铬轴承钢球 ．
７ 球头架 ．
９ 高碳铬轴承钢球 ．
１． ０ 调整垫圈
图 ４ 加 载 头 结 构
ＭＡ Ｆ ｎ —ｅ Ｉ ｉ ｇｄ ，ＬＵ Ｂ ， Ｈ Ｎ ｕ －ｎ ａ ｇｊ ，Ｌ ａ －ａ Ｉ ｏ Ｚ Ａ Ｇ Ｊｎａ ｉ Ｌｎ
（ 西安工业大学 机电工程学院 ， 陕西 西安 ７ ０ ３ ） １０ ２
摘
要 ： 解决 气体静 压推 力轴 承性 能测 试 的 问题 ， 为 设计 了一种 气体静 压推 力轴承 性 能测试 实验 台。该
常用 的加 载 方式 有三 种 ： 码 、 砝 气缸 和 弹簧 。砝码 加 载机 构简单 、 准确性 高 ， 无法 实现 连续 加载 ， 但 且操
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液压 与气动
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伸弹 簧一端 固定 在实验 台框架 上 ， 另一 端连接 在 电动
感器 、 接触球头与轴 １ 构成 Ｖ级副。锁紧螺母与加载 头外壳螺纹配合 ， 在旋合过程 中通过调整垫 圈压紧 ４ 组 钢球 ， 使轴 与 测 力 传 感 器 达 到 临界 接触 状 态 （ 验 实 开始前应先将传感器开启调试完成后再进行实验 ） 。
定 比较 困难 ， 目前 的实验 手 段精读 也 不够 高 。因此 ， 有 必要 设计 一种 精确 且 自动化 程度 高 的气体 静压 推力 轴 承性 能测试 实 验 台 。本 文 中设 计 的气 体静 压推 力轴 承 性能 测试 实验 台 ， 有 自动 测 试 轴 承 间 隙 内 的压 力 分 具 布 、 气量 、 载 力 以及 不 同承 载 力 下 的气 膜 厚 度 的 耗 承
３ 工 作平 台设计
实验 台 的工作 平 台主要 包 括 两个 方 面 ： 是 基 准 一
平 台及 其调 平设备 ； 二是 单坐 标工作 台及其 定位 装置 。
３ １ 基 准 平 台及 其调 平设备 ．
花 岗岩 具有稳 定性 好 、 磨 、 耐 抗磁 不 导 电及 热敏感 系数低 等优 点 ， 因此本 次 设计 的基 准 平 台选 用 花 岗岩 材料 ， 可有效 地提 高 测试 精 度 和 准确 性 。为 了便 于 调 节平 台的水 平 ， 用 ４个 角点 螺栓进 行调平 。 采 ３ ２ 单 坐标工作 台及 其定位 装置 ． 由于 目前没有 直接 的方法 测量 出气膜 间 隙 内的压 力分 布 ， 以对 于压 力 分 布 的测 量 只 是对 主要 的关 注 所
盘与加 载杆 连接 在一 起 ， 加 载头 与 施 力机 构 成 为 整 使
测量压 力分 布 的工 作 台选 用单 坐标 工作 台 。单 坐 标工作 台只能保证一个坐标 的精确定位 ， 但压力分布 测试 时需要 两个 坐标 同时定 位 ， 因此 需设 计 单 坐 标 工
作台的定位装置 ， 如图 ５所示 。基准平 台上通过 Ｔ形 槽螺栓连接单坐标工作台， 同时固定两个实验 台标尺 ４ 定位支架上过盈配合安装一个定位销钉 ５ ， 。确定 Ｉ ， 轴方 向位 置时 ， 首先旋 松 紧 定螺 钉 ２ 移 动定 位 支 架 １ ，
４ 测试 系统 设计
气 体静 压推 力轴 承性 能测 试实 验 台需测 试轴 承 的 四项 静 态 性 能 ， 承 载 力 、 膜 厚 度 、 力 分 布 、 即 气 压 耗
气量。
４ １ 承 载 力 的测试 ．
已知 三点 中任 一个 点 （ 以 点 为例 ） 的坐标 即可 得平
面方 程为 ：
到 指定位置 （ 过标 尺 定 位 ） 旋 紧 紧定 螺 钉 ２ 然 后 通 后 ； 旋松 Ｔ形槽 螺栓 ， 推动 单 坐标 工 作 台使 其靠 紧两 个 定
体； 加载头外壳 ３ 上固定测力传感器 ４及接触球头 ６ ，
轴 ｌ 部 和加载 头外 壳 ３内腔 径 向均 布 ４个 浅槽 ， 下 浅 槽 中填 充 ４组高碳 铬轴 承钢球 ， 加载头 外壳 、 使 测力 传