[发明专利]气体轴承-转子系统动态加载综合实验台

说明书

技术领域

本发明涉及超高速旋转机械加载技术，用于研究各种超高速旋转机械支承轴承静、动态特性的实验台。

背景技术

旋转机械在国民经济的各个领域具有重要的应用，旋转机械支承的核心部件是轴承。目前常用的轴承类型有油润滑滑动轴承、滚动轴承、陶瓷轴承、电磁轴承、气体轴承等。气体轴承是20世纪中期迅速发展起来的一项高科技产品，它与传统的滚动轴承或油质滑动轴承相比，具有高转速、高精度、低功耗、无污染、寿命长、环境适应性强等优点。因此广泛应用于国防、能源、机床及医疗等行业，尤其是在超高速旋转机械和超精密仪器技术领域更有明显的优越性。

气体轴承-转子系统的性能是关系到超高速旋转机械静、动态性能，可靠性、稳定性和寿命等核心品质的关键因素。因此对气体轴承-转子系统开展实验研究工作是超高速旋转机械发展的必经步骤之一。超高速旋转机械实验研究的主要目的是测试气体轴承的静、动态特性，即气体轴承的静态刚度、动态刚度、阻尼等。由于气体轴承摩擦功耗极低，因此其阻尼较小，因此主要关心气体轴承静、动态刚度指标。

对于气体轴承静、动态刚度进行测试的实验台，一般需要满足以下几个条件：

(1)静态加载力稳定，容易控制。静态加载需要在转子高速运行下进行施加，且静态加载力本身需要稳定，容易控制和实现。

(2)动态加载力的大小和频率可变。动态加载需要在转子高速运行下进行施加，动态加载力的大小、频率可变，且具有一定的调频范围；气体轴承的动 态刚度是衡量气体轴承性能的最重要参数；气体轴承在动态激振下的测试的刚度才是气体轴承的动态刚度，且气体轴承的动态刚度随动态加载的频率变化而变化。动态刚度和静态刚度相差很大。

(3)保证实验台各气体轴承处于完全对中状态。由于气体轴承工作间隙在20-50um之间，如果实验台设计不当，就会导致实验台加工和安装过程中径向同轴度、径向平行度出现较大误差，直接导致了气体轴承偏心率与实际情况不符，而气体轴承刚度与偏心率呈非线性关系，因此实验台设计的对中状态(包括轴向平行度、径向平行度，下同)严重影响气体轴承刚度测试的精度，严重影响气体轴承-转子系统的动力学特性。

(4)实验台本身结构简洁、拆装方便、可重复性好。由于实验台的气体轴承是实验对象，它们工作在高转速和各种变工况下，也是易损部件，在试验过程中，需要经常更换不同参数的实验对象即气体轴承；因此，实验台还需要具有结构简洁，拆装方便，方便更换实验轴承、损坏的轴承，各种状态具有可对比性、可重复性等苛刻要求。

目前对于各种轴承，尤其是超高速气体轴承进行测试的实验台均不具备以上特点。其功能、精度等存在较大问题。

专利申请：

径向动静压气体轴承实验台，申请号：200820028010.6，见图1所示，其主要内容如下：它由底座1、测试轴承2、测试主轴3、支杆4、导向套5、调力螺杆6、拉力传感器7、拉力弹簧8、加载轴承9、支架10、支座11构成。该实验台在测试气体轴承静态特性、保证静态加载力均匀方面，具有较高的实用性，但存在以下3个主要问题：

(1)无法实现轴承的动态加载，即动态加载力的频率无法改变。因此无法 获得气体轴承的动态刚度性能。该性能是气体轴承最重要的评价参数。

(2)实验台的两个对称布置的加载轴承(原文编号9)和一个测试轴承(原文编号2)分别位于三个不同的轴承座(轴承的支撑装置)上，且加载轴承和测试轴承结构不尽相同，这就导致三个轴承的轴心难以保证要求的同轴度，即加工和安装过程中，均难以实现要求的同轴度。气体轴承气膜间隙即偏心一般在20-50um之间，因此实验台的三个气体轴承的偏心无法保证在要求的精度范围内，而气体轴承的偏心直接影响到气体轴承的刚度，气体轴承的刚度测量结果存在较大误差。

(3)当实验台轴承出现问题或由于其他原因需要更换时，无法保证原来的状态，实验台可重复性较差。

专利申请：轴承加载装置，申请号：200620041080.6，见图2所示，其主要内容如下：它由压圈1、挡圈2、支撑圈3、加载螺钉4、加载力传感器5组成；主要采用滚珠轴承加载，决定了其适用场合为低速、短寿命，且无法对实验轴承进行动态加载，即不能改变加载的频率。因此，该发明不适用于气体轴承支承的超高速旋转机械，且无法实现动态加载。

发明内容

本发明克服了上述轴承加载实验台的不足，提出气体轴承-转子系统动态加载一体化实验台。该实验台具有以下特点：

(1)静态加载力大小稳定、可变，容易控制，且可以在转子高速运行下加载(通常大于7万转/分)。