專利名稱：一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，能實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)載時(shí)，對(duì)不同的軸承結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行空蝕、減阻、密封及動(dòng)態(tài)特性等試驗(yàn)的裝置，屬于潤(rùn)滑及軸承技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速水軸承具有粘-溫特性好、剛度高、阻尼特性好、精度高、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在高速高精度數(shù)控機(jī)床的主軸單元中得到成功的應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)油軸承相比，高速水軸承更容易發(fā)生空蝕破壞，且仍具有大的湍流摩擦功耗，如果長(zhǎng)期工作，能造成振動(dòng)、噪音、失穩(wěn)、材料破壞、壽命降低等不利因素，甚至發(fā)生嚴(yán)重的事故。因此，通過(guò)試驗(yàn)裝置測(cè)試軸承的抗空蝕與減阻性能以及識(shí)別其動(dòng)態(tài)特性系數(shù)成為水潤(rùn)滑領(lǐng)域研究的難點(diǎn)，關(guān)系 著高速水軸承在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域能否深入推廣和應(yīng)用。目前，國(guó)際上比較成熟的空蝕試驗(yàn)裝置有振動(dòng)空蝕裝置和旋轉(zhuǎn)圓盤空蝕裝置，專門用于標(biāo)準(zhǔn)小樣件材料的空蝕性能試驗(yàn)，但其測(cè)試條件與高速水軸承的實(shí)際工況存在很大差異，不能滿足水軸承性能試驗(yàn)的要求。此外，國(guó)內(nèi)專利涉及一些關(guān)于軸承性能的試驗(yàn)的裝置CN201203522Y公開(kāi)一種砝碼和杠桿加載的水潤(rùn)滑徑向軸承試驗(yàn)裝置，CN201130095Y公開(kāi)壓力供油加載的徑向滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，CN2924697Y公開(kāi)板簧加載的滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，CN201152812Y還公開(kāi)徑向動(dòng)靜壓氣體軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。這些裝置的試驗(yàn)條件比較接近軸承的實(shí)際工況，但是一般采用倒置結(jié)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)和測(cè)量系統(tǒng)非常復(fù)雜，主要用于測(cè)量油膜壓力和溫升，或者是測(cè)試滑動(dòng)軸承的性能和壽命，并未涉及到軸承的空蝕、減阻和氣體密封問(wèn)題，也不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)識(shí)別，無(wú)法滿足高速水軸承性能試驗(yàn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，該裝置采用兩個(gè)具有一定跨距的水軸承支撐的軸系結(jié)構(gòu)，軸系的兩端施加靜態(tài)載荷，電主軸直接驅(qū)動(dòng)軸系高速旋轉(zhuǎn)，利用不平衡塊模擬動(dòng)載荷的工況環(huán)境，軸瓦與氣體密封可以靈活拆卸，能用于高速水軸承的氣體密封試驗(yàn)、空蝕與減阻試驗(yàn)及油膜動(dòng)態(tài)特性系數(shù)的辨識(shí)試驗(yàn)等，為高速水軸承的研發(fā)與應(yīng)用提供可靠的模擬試驗(yàn)環(huán)境和評(píng)價(jià)方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，包括軸系部件、加載部件、支撐部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)；
所述軸系部件通過(guò)支撐部件安裝在工作臺(tái)的底板上，軸系部件包括試驗(yàn)軸瓦、氣體密封件、小孔節(jié)流器、套筒、0形橡膠密封圈、主軸和端蓋，所述主軸上安裝有兩個(gè)試驗(yàn)軸瓦，試驗(yàn)軸瓦上安裝有套筒，套筒的外端設(shè)有端蓋，套筒和端蓋內(nèi)設(shè)有氣體密封件，氣體密封件與空氣壓縮機(jī)連接，試驗(yàn)軸瓦內(nèi)設(shè)有小孔節(jié)流器，試驗(yàn)軸瓦與氣體密封件的內(nèi)部、試驗(yàn)軸瓦與小孔節(jié)流器之間均設(shè)有0形橡膠密封圈；
所述加載部件包括力加載機(jī)構(gòu)、深溝球加載軸承和不平衡塊，所述深溝球加載軸承安裝在所述主軸的兩端，所述力加載機(jī)構(gòu)通過(guò)繩索吊裝在深溝球加載軸承上，所述主軸的兩端面和質(zhì)心平面安裝有不平衡塊；
所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括高速電主軸，高速電主軸上的聯(lián)軸器與所述主軸上的聯(lián)軸器柔性連接，高速電主軸通過(guò)支撐部件安裝在工作臺(tái)的底板上；
所述供水系統(tǒng)通過(guò)管道與所述套筒上部的進(jìn)水口、套筒下部的出水口、所述試驗(yàn)軸瓦外圓面中部開(kāi)有的環(huán)形供水槽形成環(huán)路，所述氣體密封件與端蓋之間設(shè)有泄露出水口 ；所述測(cè)量系統(tǒng)包括用于氣體密封試驗(yàn)的水泄露量測(cè)試儀、用于減阻試驗(yàn)的測(cè)溫儀、用于動(dòng)態(tài)特性系數(shù)識(shí)別試驗(yàn)的振動(dòng)傳感器和相位傳感器、用于空蝕試驗(yàn)的蝕坑形貌測(cè)量?jī)x。作為優(yōu)選，所述支撐部件為固定于所述底板的等高V型塊。作為優(yōu)選，所述力加載機(jī)構(gòu)為破碼、液壓缸或氣壓缸。作為優(yōu)選，所述氣體密封試驗(yàn)是通過(guò)水泄露量測(cè)試儀測(cè)試所述泄露出水口的水泄漏量，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)的水泄漏量值以檢驗(yàn)不同氣體密封件的密封效果。作為優(yōu)選，所述減阻試驗(yàn)是采用測(cè)溫儀測(cè)量所述進(jìn)水口、出水口水的溫升，進(jìn)而判別高速工況下不同水軸承的摩擦功率消耗。作為優(yōu)選，所述動(dòng)態(tài)特性系數(shù)識(shí)別試驗(yàn)是利用人為附加的不平衡質(zhì)量作為激勵(lì)，采用振動(dòng)傳感器和相位傳感器測(cè)量空蝕工況下水軸承的徑向跳動(dòng)度和不平衡塊的相位，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)方程識(shí)別不同轉(zhuǎn)速和加載載荷下水軸承的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)。 作為優(yōu)選，所述空蝕試驗(yàn)是采用蝕坑形貌測(cè)量?jī)x，測(cè)量水軸承的蝕坑形貌。本發(fā)明采用帶氣體密封的兩個(gè)高速水軸承支撐的軸系結(jié)構(gòu),主軸、軸瓦、氣體密封件拆卸靈活，更換簡(jiǎn)便，其特點(diǎn)之一在于試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)軸瓦進(jìn)行多種靜壓或動(dòng)靜壓軸承的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)，也可以對(duì)軸承的材料或其表面噴涂材料進(jìn)行變更，來(lái)滿足空蝕試驗(yàn)的軸承結(jié)構(gòu)和材料要求，特點(diǎn)之二在于試驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)需要變更氣體密封件的結(jié)構(gòu)，來(lái)保證軸承性能試驗(yàn)的密封要求；加載部件在主軸的兩端分別安裝球軸承，通過(guò)力加載機(jī)構(gòu)對(duì)兩端球軸承座施加力的方式，以實(shí)現(xiàn)水軸承的靜態(tài)加載及靜態(tài)偏心，同時(shí)在主軸的質(zhì)心平面或兩端端面安裝不平衡塊以施加動(dòng)不平衡力，來(lái)滿足水軸承試驗(yàn)的動(dòng)載荷要求；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用高速大功率的電主軸以提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，其輸出端的聯(lián)軸器為柔性聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)高速下運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的順利傳遞；供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵，保證壓力可調(diào)的情況下，輸出恒定的供水壓力，實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)滑；密封系統(tǒng)氣體動(dòng)密封與0形橡膠靜密封相結(jié)合，防止水的泄漏和外部灰塵或飛濺液體進(jìn)入軸承內(nèi)部，影響軸承性能；支撐部件采用V型支撐結(jié)構(gòu)，分別支撐軸系部件和高速電主軸；測(cè)量系統(tǒng)采用測(cè)溫儀測(cè)量空蝕工況下水軸承的進(jìn)、出口水的溫升，采用振動(dòng)傳感器和相位傳感器測(cè)量空蝕工況下水軸承的徑向跳動(dòng)度和不平衡塊的相位，采用掃描電鏡方式，測(cè)量水軸承的空蝕形貌。有益效果本發(fā)明試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、合理，易于加工制造，軸瓦和氣體密封拆卸靈活，更換簡(jiǎn)便，能夠在不同靜載荷及動(dòng)載荷工況下，對(duì)水軸承的密封性能、溫升、動(dòng)態(tài)特性和空蝕形貌等進(jìn)行測(cè)試，填補(bǔ)了高速水軸承空蝕、減阻和密封等試驗(yàn)的空白，為高速水軸承的研制成功奠定了基礎(chǔ)。


圖I為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖2為本發(fā)明的軸系部件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I和2所示一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其核心部分是帶氣體密封的軸系部件4，主要由試驗(yàn)軸瓦14、氣體密封件12、小孔節(jié)流器13、套筒20、0形橡膠密封圈19、主軸18、端蓋11等組成。實(shí)例中兩個(gè)具有一定跨距的水軸承的直徑為52mm，主軸18與試驗(yàn)軸瓦14的初始安裝徑向間隙為20um ;安裝時(shí)，先將試驗(yàn)軸瓦14從兩端小間隙裝入套筒20，然后將氣體密封件12從兩端間隙裝 入套筒20，并通過(guò)調(diào)節(jié)端蓋11上的內(nèi)六角圓柱頭螺釘，壓緊氣體密封件12和試驗(yàn)軸瓦14，最后插入主軸18，主軸18的兩端和質(zhì)心平面上攻有螺紋，用以安裝不平衡塊9 ;試驗(yàn)軸瓦14與氣體密封件12的內(nèi)部安裝有0型橡膠密封圈19，用于密封軸承內(nèi)部的水路和氣路，小孔節(jié)流器13與試驗(yàn)軸瓦14間也采用0型橡膠密封圈19密封，并用螺紋壓緊，方便更換；在套筒20的上部開(kāi)螺紋孔作為供水入口，下部開(kāi)螺紋孔作為出水口，二者與外部供水系統(tǒng)6形成環(huán)路，試驗(yàn)軸瓦14的外圓面中部開(kāi)有環(huán)形供水槽，高壓水經(jīng)過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)軸承后由兩端端泄，分別由第一出水口 21、第二出水口22與第三出水口 23排出；兩個(gè)氣體密封件12的上部開(kāi)螺紋孔作為供氣入口，與外部空氣壓縮機(jī)15相連通，氣體密封件12的內(nèi)圓面開(kāi)有環(huán)形供氣槽，氣體通過(guò)回轉(zhuǎn)間隙，一路排向周圍環(huán)境，一路與回水槽中的水匯合后從第一出水口 21與第三出水口 23排出，以達(dá)到密封效果，如果密封失效，則氣水兩相流會(huì)從泄露出水口 24排出。外圍部分包括高速電主軸16、供水系統(tǒng)6、空氣壓縮機(jī)15、加載砝碼17、V型塊3、工作臺(tái)I、底板2等。這里選用轉(zhuǎn)速30000RPM、功率7. 5KW的高速電主軸16(4SD30_4)，其輸出端安裝有聯(lián)軸器5，直接與主軸18的聯(lián)軸器5柔性連接，驅(qū)動(dòng)軸系高速旋轉(zhuǎn)，能滿足軸承表面線速度80m/s的高速要求，試驗(yàn)時(shí)也可以根據(jù)需要調(diào)整變頻器實(shí)現(xiàn)不同的軸承轉(zhuǎn)速；供水系統(tǒng)6采用變頻恒壓供水設(shè)備2DRL2-22，試驗(yàn)時(shí)可以調(diào)整不同的供給壓力來(lái)滿足試驗(yàn)要求；供氣密封系統(tǒng)采用空氣壓縮機(jī)15，試驗(yàn)時(shí)可以調(diào)整不同的供氣壓力供入氣體密封件12來(lái)滿足密封性能的要求；加載砝碼17通過(guò)繩索將靜載荷施加于主軸18兩端安裝的深溝球加載軸承8上，用于試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生不同的靜態(tài)偏心率。測(cè)量部分包括測(cè)試高速水軸承的泄露出水口的水泄漏量、進(jìn)出口溫升、空蝕形貌及旋轉(zhuǎn)軸系的跳動(dòng)度等，主要用于高速水軸承的氣體密封試驗(yàn)、空蝕與減阻試驗(yàn)及油膜動(dòng)態(tài)特性系數(shù)的辨識(shí)試驗(yàn)等。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，測(cè)試泄露出水口 24的水泄漏量，以檢測(cè)氣體密封件12的密封效果；試驗(yàn)中，需按照一定規(guī)律的時(shí)間間隔(例如I小時(shí))，使用紅外測(cè)溫儀(FLUKE F66)測(cè)量軸承的進(jìn)、出水口的溫升；振動(dòng)傳感器10用于實(shí)時(shí)測(cè)量主軸18的端面跳動(dòng)度，并轉(zhuǎn)化為兩個(gè)水軸承的軸心位置，另外采用光纖相位傳感器7安裝于主軸18端面附近，用于測(cè)量不平衡塊9的相位，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)方程識(shí)別不同轉(zhuǎn)速和加載載荷下水軸承的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)；空蝕試驗(yàn)后，拆卸試驗(yàn)軸瓦14和主軸18，采用掃描電鏡(SEM)方式測(cè)量其表面空蝕形貌。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于包括軸系部件、加載部件、支撐部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)； 所述軸系部件通過(guò)支撐部件安裝在工作臺(tái)的底板上，軸系部件包括試驗(yàn)軸瓦、氣體密封件、小孔節(jié)流器、套筒、O形橡膠密封圈、主軸和端蓋，所述主軸上安裝有兩個(gè)試驗(yàn)軸瓦，試驗(yàn)軸瓦上安裝有套筒，套筒的外端設(shè)有端蓋，套筒和端蓋內(nèi)設(shè)有氣體密封件，氣體密封件與空氣壓縮機(jī)連接，試驗(yàn)軸瓦內(nèi)設(shè)有小孔節(jié)流器，試驗(yàn)軸瓦與氣體密封件的內(nèi)部、試驗(yàn)軸瓦與小孔節(jié)流器之間均設(shè)有O形橡膠密封圈； 所述加載部件包括力加載機(jī)構(gòu)、深溝球加載軸承和不平衡塊，所述深溝球加載軸承安裝在所述主軸的兩端，所述力加載機(jī)構(gòu)通過(guò)繩索吊裝在深溝球加載軸承上，所述主軸的兩端面和質(zhì)心平面安裝有不平衡塊； 所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括高速電主軸，高速電主軸上的聯(lián)軸器與所述主軸上的聯(lián)軸器柔性連接，高速電主軸通過(guò)支撐部件安裝在工作臺(tái)的底板上； 所述供水系統(tǒng)通過(guò)管道與所述套筒上部的進(jìn)水口、套筒下部的出水口、所述試驗(yàn)軸瓦外圓面中部開(kāi)有的環(huán)形供水槽形成環(huán)路，所述氣體密封件與端蓋之間設(shè)有泄露出水口 ； 所述測(cè)量系統(tǒng)包括用于氣體密封試驗(yàn)的水泄露量測(cè)試儀、用于減阻試驗(yàn)的測(cè)溫儀、用于動(dòng)態(tài)特性系數(shù)識(shí)別試驗(yàn)的振動(dòng)傳感器和相位傳感器、用于空蝕試驗(yàn)的蝕坑形貌測(cè)量?jī)x。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于所述支撐部件為固定于所述底板的等高V型塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于所述力加載機(jī)構(gòu)為砝碼、液壓缸或氣壓缸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于所述氣體密封試驗(yàn)是通過(guò)水泄露量測(cè)試儀測(cè)試所述泄露出水口的水泄漏量，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)的水泄漏量值以檢驗(yàn)不同氣體密封件的密封效果。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于所述減阻試驗(yàn)是采用測(cè)溫儀測(cè)量所述進(jìn)水口、出水口水的溫升，進(jìn)而判別高速工況下不同水軸承的摩擦功率消耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于所述動(dòng)態(tài)特性系數(shù)識(shí)別試驗(yàn)是利用人為附加的不平衡質(zhì)量作為激勵(lì)，采用振動(dòng)傳感器和相位傳感器測(cè)量空蝕工況下水軸承的徑向跳動(dòng)度和不平衡塊的相位，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)方程識(shí)別不同轉(zhuǎn)速和加載載荷下水軸承的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，其特征在于所述空蝕試驗(yàn)是采用蝕坑形貌測(cè)量?jī)x，測(cè)量水軸承的蝕坑形貌。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶氣體密封的高速水軸承性能試驗(yàn)裝置，包括軸系部件、加載部件、支撐部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，該裝置采用兩個(gè)具有一定跨距的水軸承支撐的軸系結(jié)構(gòu)，軸系的兩端施加靜態(tài)載荷，電主軸直接驅(qū)動(dòng)軸系高速旋轉(zhuǎn)，利用不平衡塊模擬動(dòng)載荷的工況環(huán)境，軸瓦與氣體密封可以靈活拆卸，能用于高速水軸承的氣體密封試驗(yàn)、空蝕與減阻試驗(yàn)及油膜動(dòng)態(tài)特性系數(shù)的辨識(shí)試驗(yàn)等，為高速水軸承的研發(fā)與應(yīng)用提供可靠的模擬試驗(yàn)環(huán)境和評(píng)價(jià)方法。
文檔編號(hào)G01M13/04GK102749195SQ20121023496
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者程峰, 蔣書運(yùn) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)