气体静压推力轴承性能测试实验台设计

　　引言

　　精密与超精密加工技术的诞生，使得气体润滑轴承得到了广泛的应用。实验研究是分析气体润滑轴承工作性能和检验各种数值分析方法正确与否的基本手段[1]。气体静压轴承的各项性能参数是各种数值分析方法研究的重点，但由于气体轴承的气膜间隙很小，使得对气膜间隙大小及气膜间隙内压力分布状况的测定比较困难，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，具有自动测试轴承间隙内的压力分布、耗气量、承载力以及不同承载力下的气膜厚度的功能。

　　1 实验台总体结构布局

　　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，包括静承载力、气膜间隙、压力分布及气体消耗量等。根据气体静压轴承的静态性能参数的要求，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，各功能布置如图 1 所示。加载系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

　　常用的加载方式有三种: 砝码、气缸和弹簧。砝码

　　加载机构简单、准确性高，但无法实现连续加载，且操作麻烦，工作量大，适用于校验。气缸可以实现连续加载，且操作方便，但稳定性不高，载荷随气压波动，是检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、拉伸弹簧、复位压簧、加载杆、加载头及气浮导轨。本次设计选择 ZY-A15 型电动剪式千斤顶做为加载系统的施力装置。使用剪式千斤顶时，水平作用的旋紧力通过丝杆螺母及施力臂转化为垂直方向的支撑力，这样可以有效降低施力机构的高度，从而使实验操作过程更加方便。拉伸弹簧一端固定在实验台框架上，另一端连接在电动剪式千斤顶上，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，提高测试精度。气浮导轨副由导轨和气浮滑块组成，气浮滑块安装结构为球面接触式，可自动定位。所有气浮垫经逐个测试、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，运动方向的气浮垫采用对称排布的全封闭结构，如图 3 所示。一组固定副均布 4 个气浮垫，气浮导轨共有 2 组固定副，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，保持气浮间隙的稳定。