本發明屬于氣體推力軸承測試技術領域，具體涉及一種整體式高剛度氣體推力軸承動態性能測試實驗臺。

背景技術：

氣體推力軸承的工作介質是軸承與靜導軌之間一層很薄的且厚度基本保持恒定不變的氣膜。氣體推力軸承動態性能是指軸承在穩態工作點工作時受到垂直于氣膜方向的外部擾動而表現出來的性能，其實質是氣膜的動態性能，是影響氣浮導軌動態性能的重要因素。

氣體推力軸承因其低摩擦、非接觸的特性廣泛應用于精密線性平臺。但由于其工作介質、本身結構設計等因素的影響，氣體推力軸承也存在一些缺點。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，甚至可能出現自發激振現象。空氣軸承在整個工作期間(如在機床上)不可避免的都要受到振動，且氣體推力軸承的氣膜既是運動副的潤滑劑又起著承擔載荷的作用，氣膜的波動影響著系統的穩定性，如果能使軸承動態性能十分合理就可以保證軸承在工作載荷作用下穩定持久地工作。因此認識氣體軸承的動態特性對于氣體軸承的參數設計、工程應用和精密氣浮導軌的調試具有重要的意義。

氣體推力軸承的動態性能研究的一種方法是利用計算機的快速計算能力去求解針對氣體軸承物理模型建立的偏微分方程，但這類方程是經過簡化的，反映的人類對氣體軸承的認識是有限的。另一種方法是實驗研究，是最接近實際應用的研究方式，對于理論分析和數值計算得到的動態性能參數的有效性最終也需要通過實驗來驗證。

氣體推力軸承在工程應用中往往采用對稱封閉安裝、重量平衡等方式達到最佳工作氣膜間隙（即穩態工作點），對于其動態性能的測試在動態力加載之前首先要求軸承達到穩態工作點。而目前氣體推力軸承的性能測試裝置大多只能實現靜態力的加載進行靜態性能的測試，也有類似裝置實現了動態力和靜態力的同時加載，但因其實驗臺剛度低導致的微變形、加載方式造成軸承的傾斜等影響動態測試結果，不能滿足氣體推力軸承動態性能測試的要求。

技術實現要素：

本發明的主要目的是為分析、研究和應用氣體推力軸承提供技術保障，設計專用的氣體推力軸承測試裝置，提供一種適于工程應用的、可準確測試氣體推力軸承的動態氣膜間隙和動態承載力的專用實驗臺。

本發明的技術方案為：

一種整體式高剛度氣體推力軸承動態性能測試實驗臺，包括口字形框架1、設置于口字形框架內的機械系統和與機械系統連接的測試控制系統，所述的機械系統包括沿口字形框架豎直中心線方向依次連接設置的靜態力加載機構、空氣彈簧、動態力加載機構、承載壓板和測力圓盤，所述承載壓板和測力圓盤之間設置多個非接觸式位移傳感器，所述測力圓盤與口字形框架內壁的底面之間設置多個測力傳感器，在承載壓板和測力圓盤之間安設被測軸承，被測軸承的氣浮工作面朝上正對承載壓板下表面，所述的動態力加載機構通過空氣彈簧與靜態力加載機構串聯對被測軸承進行動靜同時加載；所述靜態力加載機構的上端與口字形框架內壁的頂面固定連接；所述的測試控制系統包括與動態力加載機構連接的動態力加載控制系統、與被測軸承連接的壓縮氣體控制系統和與多個非接觸式位移傳感器、多個測力傳感器連接的數據采集及測試顯示系統。

所述的靜態力加載機構為螺旋剪式千斤頂，其上端通過螺釘固定在口字形框架內壁的頂面，下端通過螺栓與空氣彈簧剛性連接；所述的動態力加載機構為激振器，激振器上、下兩端的頂桿均為球頭結構，上端頂桿的球頭結構與空氣彈簧下表面的錐形凹槽配合形成球鉸，下端頂桿的球頭結構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套、導向光軸和光軸支架；所述激振器安裝導套的一端通過螺栓與激振器的底座剛性連接，激振器安裝導套的另一端設置縱向的光軸孔，光軸孔內穿設所述的導向光軸，導向光軸的上、下兩端連接光軸支架，光軸支架安裝在口字形框架內壁的側立面上；在激振器安裝導套的光軸孔外壁設置有兩個鎖死螺釘。

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置有調平機構，調平機構主要包括五個角點螺栓。

所述的測力傳感器設置三個，通過螺釘將測力圓盤、三個測力傳感器、口字形框架固定連接；所述的非接觸式位移傳感器設置三個，三個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承載壓板的下表面；三多個非接觸式位移傳感器和三個測力傳感器均以口字形框架的豎直中心線為軸線環狀均布設置。

所述的測力圓盤上設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，定位彈簧柱塞的上端頭為球頭結構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被測軸承進行定位。

所述的動態力加載控制系統包括信號發生器、功率放大器和示波器，信號發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；所述數據采集及測試顯示系統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信號放大器、數據采集卡、工控機和示波器，兩個信號放大器的輸出端分別連接數據采集卡的模擬信號輸入端，數據采集卡與工控機總線相連接，兩個信號放大器的輸出端分別連接一個示波器。

所述的非接觸式位移傳感器和測力傳感器響應頻率均不低于5KHz，所述的數據采集卡的采樣頻率不低于30KHz。

本發明的有益效果：

1.本發明整體布置采用立式結構，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置，同軸度誤差不超過0.5mm；螺旋剪式千斤頂構成的靜態力加載機構和激振器構成的動態力加載機構采用串聯方式安裝對被測軸承進行動靜同時加載；串聯加載的方式結構簡單，克服了氣體推力軸承動靜加載相互干涉的問題，同時避免了動靜并聯加載導致氣體軸承的傾斜等問題。

2.本發明螺旋剪式千斤頂和激振器之間設置了一個空氣彈簧，空氣彈簧的一個作用是將剪式千斤頂的大位移加載轉化為承載壓板的小位移連續加載，另一作用是將激振器的動態位移輸出轉化為動態的加載力；空氣彈簧相較于普通彈簧響應速度快。

3.本發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化為豎直方向的支撐力，千斤頂撐起時，空氣彈簧壓縮從而產生靜態加載力，保證氣體軸承的穩態氣膜間隙，剪式千斤頂的使用大大降低了靜態力施加的操作高度，同時避免了重量平衡加載方式帶來慣性量過大的問題。

4.本發明口字形框架和測力圓盤具有較大的剛度，較氣膜剛度大多個數量級，其中口字形框架采用一整體花崗巖石材加工成型，使整個實驗臺完全是力封閉的，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生的氣膜間隙厚度測量誤差。

5.本發明均布設置多個位移傳感器和測力傳感器、激振器上下端球鉸的應用、被測軸承中心定位方法的應用以及調平機構的應用將氣膜傾斜誤差的影響最小化。

6.本發明適用范圍廣，可以進行多種規格氣體推力軸承的動態性能測試，同時可以進行承載能力、氣膜間隙厚度等靜態性能測試，具有測試準確、自動化高的優點。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為圖1的A-A側剖視圖；

圖3為本發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-導向光軸，7-激振器安裝導套，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-角點螺栓，15-定位彈簧柱塞。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行進一步的說明，如圖1-圖4所示的一種整體式高剛度氣體推力軸承動態性能測試實驗臺，包括口字形框架1、設置于口字形框架1內的機械系統和與機械系統連接的測試控制系統，所述的機械系統包括沿口字形框架1豎直中心線方向依次連接設置的靜態力加載機構、空氣彈簧3、動態力加載機構、承載壓板9和測力圓盤11，所述承載壓板9和測力圓盤11之間設置多個非接觸式位移傳感器10，所述測力圓盤11與口字形框架1內壁的底面之間設置多個測力傳感器13，在承載壓板9和測力圓盤11之間安設被測軸承12，被測軸承12的氣浮工作面朝上正對承載壓板9下表面，所述的動態力加載機構通過空氣彈簧3與靜態力加載機構串聯對被測軸承12進行動靜同時加載；所述靜態力加載機構的上端與口字形框架1內壁的頂面固定連接；所述的測試控制系統包括與動態力加載機構連接的動態力加載控制系統、與被測軸承12連接的壓縮氣體控制系統和與多個非接觸式位移傳感器10、多個測力傳感器13連接的數據采集及測試顯示系統。

所述的靜態力加載機構為螺旋剪式千斤頂2，其上端通過螺釘固定在口字形框架1內壁的頂面，下端通過螺栓與空氣彈簧3剛性連接；所述的動態力加載機構為激振器4，激振器4上、下兩端的頂桿均為球頭結構，上端頂桿的球頭結構與空氣彈簧3下表面的錐形凹槽配合形成球鉸，下端頂桿的球頭結構與承載壓板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套7、導向光軸6和光軸支架5；所述激振器安裝導套7的一端通過螺栓與激振器4的底座剛性連接，激振器安裝導套7的另一端設置縱向的光軸孔，光軸孔內穿設所述的導向光軸6，導向光軸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內壁的側立面上；在激振器安裝導套7的光軸孔外壁設置有兩個鎖死螺釘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底部設置有調平機構，調平機構主要包括五個角點螺栓14。

所述的測力傳感器13設置三個，三個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設置三個，三個非接觸式位移傳感器10通過緊定螺釘安裝在測力圓盤11上并正對承載壓板9的下表面；三個非接觸式位移傳感器10和三個測力傳感器13均以口字形框架1的豎直中心線為軸線環狀均布設置。

所述的測力圓盤11上設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，定位彈簧柱塞15的上端頭為球頭結構并伸出測力圓盤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被測軸承12進行定位。

所述的動態力加載控制系統包括信號發生器、功率放大器和示波器，信號發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；所述數據采集及測試顯示系統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信號放大器、數據采集卡、工控機和示波器，兩個信號放大器的輸出端分別連接數據采集卡的模擬信號輸入端，數據采集卡與工控機總線相連接，兩個信號放大器的輸出端分別連接一個示波器。

所述的非接觸式位移傳感器10和測力傳感器13響應頻率均不低于5KHz，所述的數據采集卡的采樣頻率不低于30KHz。

下面具體介紹本發明的具體使用方法及步驟：

第一步，調平：

通過調節實驗臺底部的角點螺栓14對實驗臺的工作面（即測力圓盤11的上表面）進行調平，借助水平尺和合像水平儀輔助調平；

第二步，標定：

測試控制系統通電預熱30分鐘，對非接觸式位移傳感器10和測力傳感器13分別進行標定；

第三步，靜態力加載：

在被測軸承12不接通壓縮氣體的狀態下，將被測軸承12放置于測力圓盤11上表面中心處；轉動螺旋剪式千斤頂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據；對被測軸承12接通壓縮氣體，供氣壓力在0.4MPa左右（各組實驗進行期間要求供氣壓力波動值小于0.002MPa）；通氣后，通過轉動螺旋剪式千斤頂2的螺桿改變氣膜間隙，調整完成后，通過鎖死螺釘8將激振器位置鎖死；

第四步，動態力加載：

動態力加載控制系統的信號發生器、功率放大器以及激振器4分別在之前通電預熱，調整信號發生器的信號頻率、幅值、相位角和功率放大器的增益使激振器按預定規律產生動態加載力，通過示波器對各個信號進行監測；

第五步，數據記錄：

運行工控機的數據采集程序，逐次改變動態力加載控制系統的信號發生器所產生信號的頻率值，調整范圍在0-1000Hz，記錄并保存不同的頻率值時的動態氣膜間隙和動態承載力數據值；

第六步，系列測試：

分別改變氣膜間隙值和供氣壓力值，重復第三步至第五步，完成測試。

本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。