空氣靜壓止推軸承動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)

陳登弟，趙曉龍，吳永超，劉波，張君安

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

空氣靜壓止推軸承具有精度高、摩擦功耗小、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密和超精密加工場(chǎng)合[1-3]。空氣靜壓止推軸承的動(dòng)態(tài)性能包括動(dòng)態(tài)剛度、阻尼系數(shù)等，是衡量軸承性能的重要指標(biāo)，而通過試驗(yàn)研究空氣靜壓止推軸承的動(dòng)態(tài)性能是分析軸承性能的重要手段[4-6]。

文獻(xiàn)[7]以頻率響應(yīng)函數(shù)描述氣體靜壓止推軸承的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量空氣靜壓止推軸承頻率響應(yīng)的試驗(yàn)裝置，通過電動(dòng)式激振器對(duì)軸承施加外部動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，并通過Fourier分析獲得了輸入的動(dòng)態(tài)負(fù)載與軸承動(dòng)態(tài)位移量之間的頻率響應(yīng)。文獻(xiàn)[8]概述了研究空氣靜壓止推軸承氣膜動(dòng)態(tài)特性的一般方法，提出諧波擾動(dòng)可以用于軸承動(dòng)態(tài)特性的研究，并以諧波輸入作為擾動(dòng)源設(shè)計(jì)了用于測(cè)量軸承動(dòng)態(tài)剛度的試驗(yàn)裝置；并經(jīng)試驗(yàn)給出了典型的動(dòng)態(tài)剛度結(jié)果，反映了在一定頻率外部擾動(dòng)下軸承位移量的幅值及相位的變化。文獻(xiàn)[9]用數(shù)值方法分析了空氣靜壓軸承的動(dòng)態(tài)剛度，并分析了軸承氣膜動(dòng)態(tài)位移和動(dòng)態(tài)力與動(dòng)態(tài)剛度之間的關(guān)系，通過設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置給出了振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值之間的關(guān)系。

綜上分析可知，通過試驗(yàn)分析空氣靜壓止推軸承的動(dòng)態(tài)性能，就需要研究軸承在一定外部擾動(dòng)情況下氣膜間隙的變化情況。因此，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試空氣靜壓止推軸承動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)的加載裝置可以施加連續(xù)的外部動(dòng)態(tài)擾動(dòng)；測(cè)試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集軸承在外部擾動(dòng)下的氣膜間隙變化量，并對(duì)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，以用于軸承的動(dòng)態(tài)性能分析。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)空氣靜壓止推軸承在工作時(shí)的性能特點(diǎn)，試驗(yàn)臺(tái)需要滿足以下技術(shù)要求：被測(cè)軸承直徑小于100 mm,試驗(yàn)臺(tái)靜態(tài)載荷加載范圍0～1 000 N,動(dòng)態(tài)載荷加載范圍0～100 N,動(dòng)態(tài)載荷加載頻率范圍0～1 000 Hz,軸承氣膜間隙測(cè)量范圍0～40 μm。

1.2 總體方案

空氣靜壓止推軸承在進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，需向軸承提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上施加動(dòng)態(tài)擾動(dòng)并連續(xù)采集軸承在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下的氣膜間隙變化情況，為滿足上述要求，試驗(yàn)臺(tái)總體方案如圖1所示。其中，靜態(tài)力加載機(jī)構(gòu)主要功能是對(duì)軸承施加靜態(tài)載荷，使軸承達(dá)到測(cè)試時(shí)所需要的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)；動(dòng)態(tài)力加載機(jī)構(gòu)主要用于向軸承施加動(dòng)態(tài)擾動(dòng)；測(cè)量平臺(tái)起到向加載機(jī)構(gòu)提供外部支承以及安裝固定傳感器的作用；外部氣源為軸承供給所需要的工作壓力。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)總體方案Fig.1 Overall scheme of test rig

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)硬件由動(dòng)態(tài)力控制部分、氣膜位移信號(hào)及動(dòng)態(tài)力信號(hào)采集部分、信號(hào)調(diào)理部分及工控機(jī)構(gòu)成。其中動(dòng)態(tài)力控制系統(tǒng)起到在軸承進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的過程中控制動(dòng)態(tài)力的大小及頻率的作用；為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)的連續(xù)采集，將傳感器、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)及工控機(jī)組成信號(hào)采集系統(tǒng),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)系統(tǒng)采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，以便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

2 試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)裝置整體安裝于花崗巖框架內(nèi)，氣缸底座上的U形槽起到連接氣缸和調(diào)節(jié)對(duì)中位置的作用，氣缸通過螺紋與動(dòng)態(tài)力壓頭連接并通過激振器的柱頭傳遞靜態(tài)載荷，激振器通過螺栓與激振器底座連接并固定于花崗巖框架的側(cè)壁上，底座的底部均布安裝3個(gè)動(dòng)態(tài)力傳感器,用于測(cè)量激振器產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，另外，通過磁力表座將3個(gè)動(dòng)態(tài)位移傳感器放置于被測(cè)軸承表面，以測(cè)量軸承氣膜間隙的變化。

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2 Diagram of test rig for dynamic test

2.1 試驗(yàn)臺(tái)框架及測(cè)力平臺(tái)

為滿足動(dòng)態(tài)載荷及靜態(tài)載荷的同時(shí)施加，且試驗(yàn)臺(tái)框架可承受一定的靜態(tài)載荷及動(dòng)態(tài)載荷，試驗(yàn)臺(tái)所有機(jī)構(gòu)均安裝于口字形的花崗巖框架內(nèi)。此設(shè)計(jì)可保證軸承受力的加載鏈?zhǔn)欠忾]的，軸承氣膜間隙的高度完全取決于加載機(jī)構(gòu)施力的大小；且花崗巖框架的剛度比軸承氣膜的剛度高多個(gè)數(shù)量級(jí)，可以保證軸承氣膜不受其他外力的干擾。

試驗(yàn)臺(tái)框架如圖3所示，框架尺寸為1 050 mm×750 mm×400 mm，中間空心部分尺寸為700 mm×450 mm×400 mm；框架上部厚度150 mm，下部厚度200 mm。這樣設(shè)計(jì)可以降低試驗(yàn)臺(tái)的重心，增加試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定性。測(cè)力平臺(tái)為開有凹孔的圓盤，采用不銹鋼材質(zhì)，主要起安裝傳感器并為軸承氣膜提供較平整工作表面的作用。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)框架三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of test rig frame

2.2 試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)

由于試驗(yàn)臺(tái)要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷的同時(shí)加載，所以采用靜態(tài)加載機(jī)構(gòu)與動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)串聯(lián)安裝的方式，從而保證載荷施加在同一條中心線上，避免因?yàn)檩d荷施加不均而引起軸承偏載。

靜態(tài)載荷可以通過彈簧加載、砝碼加載、液壓加載等方式實(shí)現(xiàn)，氣缸能連續(xù)施加載荷，且僅需改變供氣壓就可實(shí)現(xiàn)載荷大小的調(diào)節(jié)，故采用氣缸作為靜態(tài)載荷的施力機(jī)構(gòu)。根據(jù)靜態(tài)載荷0～1 000 N的施力范圍，選擇缸徑為φ60 mm的QGS系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸，采用底部凸緣安裝的方式固定氣缸，該型氣缸工作壓力為0～1 MPa，施加載荷范圍為0～2 000 N。

選用電動(dòng)式激振器作為動(dòng)態(tài)激勵(lì)源，對(duì)軸承施加連續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)載荷，激振器型號(hào)JZK-10，可輸出10～1 000 Hz的激振頻率，輸出激振力范圍為0～100 N，具有輸出波形精度高，頻率范圍寬及出力幅度小的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 試驗(yàn)臺(tái)的對(duì)中調(diào)節(jié)

偏載是對(duì)軸承性能影響較大的因素，由于試驗(yàn)臺(tái)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)設(shè)置在一條豎直的中心線上，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。如圖4所示，在氣缸底座和激振器底座上均開有U形槽，使加載機(jī)構(gòu)的位置可以調(diào)節(jié)，以防止軸承因?yàn)榧虞d機(jī)構(gòu)沒有對(duì)中而產(chǎn)生偏載；軸承和氣缸與激振器之間的連接可以采用球頭及球窩，起到對(duì)中調(diào)節(jié)及定位的作用。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.4 Alignment adjusting mechanism of test rig

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

如圖5所示，動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成包括位移傳感器、動(dòng)態(tài)力傳感器、放大器、電荷放大器、PCI數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)。為防止傳感器的接觸引起軸承偏載，選擇DWS電容型非接觸式位移傳感器(量程0～40 μm，分辨率0.01%FS)并配備放大器及信號(hào)調(diào)理裝置；動(dòng)態(tài)力傳感器選用CL-YD-312型壓電式力傳感器，電荷靈敏度4 pC/N，配備了電荷放大器使傳感器輸出的電荷量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；PCI數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換；最后在工控機(jī)上利用數(shù)據(jù)采集軟件編寫前端界面，對(duì)信號(hào)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件原理圖Fig.5 Hardware schematic diagram of dynamic test system for test rig

如圖6所示，動(dòng)態(tài)力控制系統(tǒng)的硬件組成包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器及激振器。由于計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的信號(hào)精度不高，故選用信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源產(chǎn)生激振信號(hào)，其可以產(chǎn)生不同頻率以及不同波形的信號(hào)；根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電動(dòng)式激振器可以通過控制激振器輸入電流的大小控制輸出激振力的大小，所以選擇YE5782A型功率放大器控制輸入電流的大小，該型功率放大器輸出電流穩(wěn)定、失真小。

圖6 動(dòng)態(tài)力控制系統(tǒng)硬件原理圖Fig.6 Hardware schematic diagram of dynamic force control system

4 可靠性驗(yàn)證

在動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)中，需要對(duì)測(cè)試對(duì)象施加外部擾動(dòng)，常用的激振方式有正弦激振、正弦快速掃頻激振、瞬態(tài)隨機(jī)激振和力錘脈沖激振。其中，正弦激振的激振能量集中，響應(yīng)信號(hào)的信噪比、有效值與峰值比最高，測(cè)試精度也最高[10]，因此采用正弦激振作為振動(dòng)信號(hào)源。試驗(yàn)臺(tái)的具體測(cè)試步驟如下：

1)安裝測(cè)試軸承，調(diào)節(jié)好試驗(yàn)臺(tái)并打開數(shù)據(jù)采集程序。

2)調(diào)節(jié)氣缸壓力，向軸承施加穩(wěn)態(tài)載荷，使軸承處于性能較佳的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，并使軸承保持穩(wěn)定運(yùn)行。

3)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，輸入一定頻率的正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)功率放大器改變激振力幅值，待測(cè)試曲線穩(wěn)定后，保持?jǐn)?shù)秒采樣時(shí)間并采集同時(shí)間段的一組激振力及氣膜間隙變化的數(shù)據(jù)。

4)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，改變正弦激振信號(hào)的頻率，調(diào)節(jié)功率放大器，使激振力的幅值在不同頻率下保持恒定，保持?jǐn)?shù)秒采樣時(shí)間并采集不同頻率外部擾動(dòng)下的氣膜間隙變化及激振力變化數(shù)據(jù)。

5)對(duì)采集的數(shù)據(jù)文本進(jìn)行處理。

根據(jù)以上試驗(yàn)步驟測(cè)試了0.5 MPa供氣壓力，靜態(tài)工作載荷420 N時(shí)止推軸承在不同頻率外部擾動(dòng)下的氣膜間隙與激振力變化的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results on test rig

從圖7a和圖7b可以看出，軸承的外部激振力與氣膜間隙的變化波形均為正弦波，與激振器輸入信號(hào)的波形及頻率一致；隨著激振頻率的不斷增加，試驗(yàn)臺(tái)能保證輸入的激振力幅值在不同頻率下保持穩(wěn)定，且軸承氣膜間隙測(cè)量范圍和動(dòng)態(tài)激振力測(cè)量范圍均能滿足測(cè)量要求。

從圖7c可以看出，隨著輸入動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的頻率逐漸增加，氣膜間隙的變化幅值逐漸減小，且試驗(yàn)臺(tái)能準(zhǔn)確測(cè)出各個(gè)頻率下的軸承位移量，但由于受激振器水平的限制，激振頻率不宜過高。

5 結(jié)束語

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)臺(tái)能對(duì)空氣靜壓止推軸承施加穩(wěn)定的靜態(tài)載荷，使軸承能保持穩(wěn)定的工作點(diǎn),且在靜態(tài)載荷的基礎(chǔ)上能施加連續(xù)的動(dòng)態(tài)載荷，動(dòng)態(tài)載荷的大小和頻率可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)；試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確反映空氣靜壓止推軸承在外部動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下的氣膜間隙變化。

在試驗(yàn)中，由于整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的共振及軸承自身的自激振動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)容易引入無關(guān)的干擾量。因此，還需要在目前的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的整體剛度加以提高，以排除干擾因素。總體而言，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行可靠、平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，故該試驗(yàn)臺(tái)可以用于空氣靜壓止推軸承動(dòng)態(tài)性能的試驗(yàn)研究。