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利用试验方法验证空气轴承气膜刚度的方法

[ 关键词:空气轴承 气膜刚度  发表日期:2019-09-16 18:26:58 ]

利用试验方法验证空气轴承气膜刚度的方法
关键词:空气轴承、气膜刚度

  小编以前写过“空气轴承知识大全”一文,主要是关于空气轴承的基础知识。应客户询问本篇提高专业度:利用试验方法验证空气轴承气膜刚度的方法。

一、空气轴承的工作特点

  空气轴承,因摩擦阻力小,磨损率近乎为零,噪音低,震动小、运动平稳、精度高,而被成功应用在诸多的领域,尤其是在各种形式的坐标测量机的运动导轨上得到了成功的应用。

  空气轴承可定义为被空气膜隔开的两个精加工表面,且两个表面之间间隙的任何变化趋势将受到气膜压力变化的阻碍。它是利用空气的粘性,将外部的压缩空气充分干燥并过滤后通过一些开在轴承表面上的进气孔(节流器)导入空气轴承间隙中,使空气轴承与气浮导轨之间充满着具有压缩性的空气,并借助形成的压力气膜来支承负载并实现平稳动作。

  可以这样讲,对于空气轴承,比起使用非压缩性流体且粘度大得多的油作润滑介质的油轴承,当然刚度要低一些,另外,由于气体连续地从轴承外边缘排入大气,所以空气不具有边界润滑能力,在工作过程中,若空气轴承一旦负载超过了规定的限度,立刻会发生固体的直接接触而抱死,致使导轨受损。所以空气轴承设计就有相当难度。

  对于空气轴承的使用,必须关注它的承载能力和气膜刚度(即支承刚度)。因而在空气轴承装配使用前,必须严格的检测其承载能力和气膜刚度。

二、空气轴承的刚度试验

  空气轴承的气膜刚度是指轴承的承载能力与浮起高度(气膜高度)之比值。即:

  J=W/h

  式中:W 为承载力(N);H 为气膜高度(um);J为气膜刚度(N/um)。

  在仪器系统要求气膜高度一定时,气膜刚度与承载力成正比,也就是刚度值越大越好,这样气浮系统的稳定性比较好。

  现以用于坐标测量机气浮导轨的静压式平面气浮轴承,进行下面两个试验,看一下供气压力一定,负载变化,或是负载一定,改变供气压力,得到负载浮起高度有何规律。

试验1:

  空气轴承的节流孔径 D = 0.15mm。试验装置结构如图1所示:气浮高度为λ。三个千斤顶置于工作台上面,调整到大致相等高度,其结构如图2 所示,通过转动件,将扭转力距转变为钢球竖直向上的推力,实现支承气浮轴承的作用,然后先将重的花岗岩平台摆放在由三个千斤顶作支承以三个气浮轴承构成的平面上,气浮轴承与千斤顶是球面接触,千斤顶支承点距花岗岩端面的距离为 l=0.2232L(图1所示),这时花岗岩平台挠曲变形最小,保证气浮轴承与平台为理想平面接触。之后用水平仪找花岗岩平台水平达 0.02mm/m(调整千斤顶),并且要在平台四个侧面分别加上一个辅助支承(如图1),防止平台被浮起后因压力过大沿水平方向发生位移,不至掉下,保证安全,辅助支承属弹性支承,用螺钉固定在工作台上,为了不使其对浮起的花岗岩平台受作用力过大,影响试验结果,要先用测力表调整好辅助支承测力0.01~ 0.02N。

  测量步骤是:连好气管,使三个气浮轴承通上经过干燥、过滤的空气,装卡测微表的磁力表座放在工作台上,使测微表测头与花岗岩平台上光滑表面接触,移动表座或转动表杆,打开供气源,使花岗岩平台浮起,在花岗岩平台中心位置采点读数三次,取3个数的平均值作为试验记录值。表1列出了不同压力下负载浮起高度值。

空气轴承气膜刚度的方法

  空气轴承设计供气压力一般不超过7~8 个大气压,以上数据表明,这种结构的空气轴承要求的供气压力范围3~5.5 个大气压,在318kg 载荷下能浮起0. 01mm 左右,并且未出现“气锤”振荡等异常现象,分析轴承的气浮刚度满足要求。从而验证了空气轴承应用于三支承、系统负载重不大于 318kg 的测量机的可行性。

  用上述试验还能够确定空气轴承结构或加工质量是否合乎要求。将三个气浮轴承中的任一轴承气管断气,调整供气压力,观察另两个轴承使负载浮起一定气膜高度,若负载产生振动或听到啸叫声,则断定其中一个或两个都有问题,如此交替试验,可以选出质量比较好的轴承。

试验2:

  空气轴承的节流孔径 D = 0.2mm。试验装置结构如图3所示。

  气源供气压力4个大气压,利用扭簧表测头读取副支承浮起高度值。图3中:W1 为滑架及附件自身重量 40kg;W2 为横梁重量 40kg;W3 为副支承自重8.7kg。

1. 当滑架移至左端靠近主支承时,副支承气浮轴承承受力为:
(260/1230)W1 +(1/2)W2 + W3 = 372(N)
气浮高度12 um,则刚度 J = 372/12 = 31(N/um)

2. 当滑架移至中点时,副支承气浮轴承承受压力为:
(1/2)W1 +(1 / 2)W2 + W3 = 487 (N)
气浮高度10 um,则刚度 J = 487 / 10 = 48. 7 (N/um)

3. 当滑架移至最右端时,副支承气浮轴承承受压力为:
(1030 / 1230)W1 +(1 / 2)W2 + W3 = 622 (N)
气浮高度9 um,则刚度 J = 622 / 9 = 69 (N/um)

4. 当滑架移至最右端时,在副支承上方加额外力 $,则气浮轴承承受力 W为:

(1)P = 94N 时 W= 622 + 94 = 716N
气浮高度13 um,刚度 J = 716/13 = 55 N/um

(2)P = 188N 时 W= 622 + 188 = 810N
气浮高度11.5 um,刚度 J = 810/11.5 = 78.6 N/um

(3)P = 376N 时 W = 622 + 376 = 998N
气浮高度10 um,刚度 J = 998/10 = 99.8 N/um

  这个试验是按照移动桥式测量机的形式进行的,试验数据显示,负载998N,气浮高度可达10um,轴承具有一定的刚度,满足仪器系统的刚度要求,从而验证了气浮轴承设计的结构是合理的。

三、结束语

  用试验方法确定空气轴承的气膜刚度,多适用于研发新产品阶段,至于空气轴承的气膜刚度算法,还有一套完整、详细、深奥的理论计算公式可以参照。要知道影响轴承刚度的因素有很多,除节流孔径外,还与空气的质量、轴承的几何形状误差、节流形式、表压比等许多方面有关系。