一种测试装置及测试方法

1.本发明涉及气体轴承领域，尤其涉及一种用于测量自由活塞斯特林发电机的气体轴承性能的测试装置及测试方法。


背景技术：

2.自由活塞斯特林发电机内部存在配气活塞和动力活塞两个运动部件，其运行过程中造成的摩擦和磨损及产生的磨屑带来的工质污染和气路堵塞是影响发电机运行稳定性和寿命的关键问题。而造成活塞和气缸之间产生磨损的原因主要存在于以下几个方面：第一方面，在实际安装运行过程中，由于加工精度、活塞和气缸的同轴度等因素会使得永磁铁在径向方向上远离平衡位置而受到较大的径向力，造成动力活塞和气缸接触，增加了运行的摩擦。另一方面，现有传统的柔性板弹簧结构由于材料限制、机械设计与制作工艺水平不成熟，使得板弹簧的轴、径向刚度、自然频率、位移行程和有效运行次数均受到限制。
3.为了解决上述问题，自由活塞斯特林发电机采用静压气体轴承来支撑动力活塞。静压气体轴承具有高精度且能有效减小运动副间摩擦的优点。静压气体轴承主要通过气体的粘性，在气缸和活塞之间形成压力气膜，从而产生一定的支撑载荷，其关键的参数主要包括承载力、流量、刚度和稳定性。
4.为此，众多学者对于气体轴承的静动态特性进行了大量研究，大部分利用仿真软件对气体轴承内部气膜流场进行计算，且多集中于转子机械中的气体轴承分析。也有学者采用弹簧拉压平衡原理对轴承加载，并且采用位移传感器和流量计实现对气膜间隙大小及耗气量的测量，实现了静压气体轴承压力分布的连续测定。但是，目前实验测试集中于研究单个平面轴承的性能，没有专门用于测量自由活塞斯特林发电机气体轴承特性的实验装置，无法实现不同气体轴承结构、充气压力、径向力等对于发电机动子性能的影响规律。


技术实现要素：

5.本发明的第一个目的在于提供一种测试装置，其旨在解决现有的测试装置无法实现不同气体轴承结构、充气压力、径向力等对于发电机动子性能的影响规律的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明提供的方案是：
7.一种测试装置，用于测量气体轴承性能，所述气体轴承包括气缸和活塞，所述活塞同轴置于所述气缸内，所述活塞与所述气缸之间留有气隙，并可在所述气缸内做往复运动，所述活塞设有气体轴承腔、进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别与所述气体轴承腔连通，所述测试装置包括底座、设置在所述底座上用于支撑所述气缸的固定支架组件、检测组件、负荷加载组件、轴承供气组件和若干组气体轴承螺钉，所述气体轴承螺钉用于安装在所述出气口，所述气体轴承螺钉设置有节流孔，不同组所述气体轴承螺钉具有不同直径的节流孔，所述轴承供气组件用于与所述进气口连接，所述检测组件包括流量计、压力传感器和拉压力传感器，所述流量计安装在所述轴承供气组件上，所述压力传感器用于安装在所述活塞上，并用于实时测量所述气体轴承腔内的压力变化，所述拉压力传感器用于安
装在所述活塞上，并用于测量不同工况下的所述活塞轴向受力情况，所述负荷加载组件包括第一载荷施加组件和第二载荷施加组件，所述第一载荷施加组件用于与所述活塞连接，用于给所述活塞施加径向力的载荷，所述第二载荷施加组件用于与所述拉压力传感器连接，用于给所述活塞施加轴向力的载荷。
8.优选地，所述第一载荷施加组件包括载重台和第一配重块，所述载重台用于与所述活塞连接，所述第一配重块设置有若干个，所述第一载荷施加组件通过在所述载重台上配置不同质量或不同数量的所述第一配重块以给活塞施加不同的径向力。
9.优选地，所述第二载荷施加组件包括安装在所述底座上的支撑支架、安装在所述支撑支架顶部的定滑轮、牵引绳和第二配重块，所述牵引绳绕设在所述定滑轮上，且所述牵引绳的一端与所述拉压力传感器连接，另一端用于与所述第二配重块连接，所述第二配重块设置有若干个，所述第二载荷施加组件通过增加不同质量或不同数量的所述第二配重块以给活塞施加不同的轴向力。
10.优选地，所述底座上设置有滑槽，所述支撑支架底部倒装有第一螺栓和第一螺母，所述第一螺栓与所述滑槽适配，所述支撑支架通过所述第一螺栓与所述第一螺母的配合固定在所述底座上。
11.优选地，所述压力传感器用于安装在所述活塞的第一端，所述拉压力传感器用于安装在所述活塞的第二端。
12.优选地，所述检测组件还包括压力传感器转接件和压盖连接板，所述压力传感器通过所述压力传感器转接件与所述活塞螺纹连接，所述拉压力传感器通过压盖连接板安装于所述活塞上。
13.优选地，所述轴承供气组件包括供气系统、供气管和供气转接件，所述供气管通过所述供气转接件与所述活塞的进气口连接，所述轴承供气系统与所述供气管连接，所述流量计安装在所述供气管上。
14.优选地，所述轴承供气组件与所述供气管之间还设置有减压阀。
15.优选地，所述固定支架组件的底部倒装有第二螺栓和第二螺母，所述第二螺栓与所述滑槽适配，所述固定支架组件通过所述第二螺栓与所述第二螺母的配合固定在所述底座上。
16.优选地，所述固定支架组件包括从下自上设置的第一固定支架和第二固定支架，所述第一固定支架倒装有所述第二螺栓和所述第二螺母，所述第一固定支架通过所述第二螺栓与所述第二螺母的配合固定在所述底座上，所述第二固定支架与所述第一固定支架相互配合以使所述气缸固定在两者围合形成的安装槽内。
17.本发明的第二个目的在于个一种基于上述的测试装置的测试方法，所述测试方法包括：
18.步骤s100，将一组气体轴承螺钉安装在活塞的出气口中，将活塞放置在气缸内，并通过所述固定支架组件将气缸固定在所述底座上，然后将所述压力传感器和所述拉压力传感器安装在活塞上；
19.步骤s200，控制所述轴承供气组件向气体轴承腔内充气，且维持气体轴承腔内的压力不变；
20.步骤s300，控制所述第一载荷施加组件给活塞施加径向力，并保持不变；
21.步骤s400，控制所述第二载荷施加组件给活塞施加轴向力，并逐渐增加第二载荷施加组件的输出载荷，直至活塞产生滑动；
22.步骤s500，根据活塞的受力曲线，寻找活塞所受的最大静摩擦力点，并记录气体轴承腔内的压力和流量计中显示的数值；
23.步骤s600，更换步骤s100中的气体轴承螺钉，改变步骤s200中气体轴承腔内的气体压力，改变步骤s400中所述第一载荷施加组件给活塞施加的径向力，重复步骤s100至步骤s500，得到不同工况下气体轴承的性能规律。
24.本发明提供的测试装置具有以下优点：
25.第一，本发明的测试装置能够测试不同工况下气体轴承的性能，从而确定气体轴承在不同工况下是否均满足实际支撑能力这一硬性需求。
26.第二、本发明的测试装置利用静动态摩擦原理，通过测量活塞的摩擦力来判断活塞浮起状态，以此来测定气体轴承性能，装置简单可靠。
27.第三，本发明实的测试装置在测试时通过在出气口安装具有不同节流孔的气体轴承螺钉，来改变单位时间内进入间隙腔内的气流量，方法简单有效。
28.本发明提供的测试方法利用静动态摩擦原理，通过测量活塞的摩擦力来判断活塞浮起状态，以此来测定气体轴承性能，测试方法简单有效，而且，本发明的测试方法能够测试不同工况下气体轴承的性能，从而确定气体轴承在不同工况下是否均满足实际支撑能力这一硬性需求。此外，本发明的测试方法在测试时通过在出气口安装具有不同直径的节流孔的气体轴承螺钉，来改变单位时间内进入间隙腔内的气流量，方法简单有效。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
30.图1是本发明实施例提供的测试装置的结构示意图；
31.图2是本发明实施例提供的测试装置另一方向的结构示意图；
32.图3是本发明实施例提供的气体轴承的剖面图；
33.图4是本发明实施例提供的测试方法的流程图。
34.附图标号说明：
35.1、气缸；2、第一固定支架；3、锁紧螺母；4、压力传感器转接件；5、压力传感器；6、底座；7、供气管；8、供气转接件；9、第二固定支架；10、第二螺栓；11、第二螺母；12、支撑支架；13、载重台；14、第一配重块；15、第二配重块；16、牵引绳；17、定滑轮；18、压盖连接板；19、拉压力传感器；20、活塞；21、密封四氟垫；22、气体轴承螺钉；23、气体轴承腔；24、间隙腔。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
39.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
40.如图1至图3所示，其为本发明的一种实施例的测试装置，用于测量气体轴承性能，尤其是适用于测量自由活塞斯特林发电机的气体轴承性能，看气体轴承性能是否满足实际支撑能力这一硬性需求。气体轴承包括气缸1和活塞20，活塞20同轴置于气缸1内，活塞20与气缸1之间留有间隙腔24，并可在气缸1内做往复运动，活塞20设有气体轴承腔23、进气口和出气口，进气口和出气口分别与气体轴承腔23连通。
41.请参阅图1-图3，本发明实施例的测试装置包括底座6、设置在底座6上用于支撑气缸1的固定支架组件、检测组件、负荷加载组件、轴承供气组件和若干组气体轴承螺钉22，气体轴承螺钉22用于安装在活塞20的出气口，气体轴承螺钉22设置有节流孔，不同组气体轴承螺钉22具有不同直径的节流孔，轴承供气组件用于与活塞20的进气口连接，为气体轴承提供工质气体，检测组件包括流量计(图未示)、压力传感器5和拉压力传感器19，流量计安装在轴承供气组件上，压力传感器5安装在活塞20上，用于实时测量气体轴承腔23内的压力变化，拉压力传感器19安装在活塞20上，用于测量不同工况下的活塞20轴向受力情况，负荷加载组件包括第一载荷施加组件和第二载荷施加组件，第一载荷施加组件与活塞20连接，用于给活塞20施加径向力的载荷，第二载荷施加组件与拉压力传感器19连接，用于给活塞20施加轴向力的载荷(即给活塞20施加实现活塞20摩擦力的测量所需要的载荷)。
42.本发明实施例的测试装置测量气体轴承性能的具体步骤如下：
43.步骤s100，将其中一组气体轴承螺钉22安装在活塞20的出气口中，将活塞20放置在气缸1内，并通过固定支架组件将气缸1固定在底座6上，然后将压力传感器5和拉压力传感器19安装在活塞20上；
44.步骤s200，控制轴承供气组件向气体轴承腔23内充气，且维持气体轴承腔23内的压力不变；
45.步骤s300，控制第一载荷施加组件给活塞20施加径向力，并保持不变；
46.步骤s400，控制第二载荷施加组件给活塞20施加轴向力，并逐渐增加第二载荷施加组件的输出载荷，直至活塞20产生滑动；
47.步骤s500，根据活塞20的受力曲线，寻找活塞20所受的最大静摩擦力点，并记录气体轴承腔23内的压力和流量计中显示的数值。
48.步骤s600，更换步骤s100中的气体轴承螺钉22，从而改变节流孔的直径，改变步骤s200中气体轴承腔23内的气体压力，改变步骤s400中第一载荷施加组件给活塞20施加的径向力，重复步骤s100至步骤s500，得到其不同工况下活塞20受到的最大静摩擦力，以此判断活塞20的“浮”起状态，从而得到气体轴承的性能规律。
49.本发明实施例的测试装置具有以下优点：
50.第一，本发明实施例的测试装置能够测试不同工况下气体轴承的性能，从而确定气体轴承在不同工况下是否均满足实际支撑能力这一硬性需求。
51.第二、本发明实施例的测试装置利用静动态摩擦原理，通过测量活塞20的摩擦力来判断活塞20浮起状态，以此来测定气体轴承性能，装置简单可靠。
52.第三，本发明实施例的测试装置在测试时通过在出气口安装具有不同直径的节流孔的气体轴承螺钉22，来改变单位时间内进入间隙腔24内的气流量，方法简单有效。
53.优选地，为了避免气体从螺纹间隙中泄露，在每个气体轴承螺钉22处均设置有密封四氟垫21。
54.优选地，底座6上设置有滑槽，固定支架组件的底部倒装有第二螺栓10和第二螺母11，第二螺栓10与滑槽适配，所述固定支架组件通过第二螺栓10与第二螺母11的配合固定在底座6上。也就是说，固定支架在底座6上的位置可调整，有利于调整气体轴承与测试装置之前的位置关系，使得测试更加便利。
55.进一步地，固定支架组件包括从下自上设置的第一固定支架2和第二固定支架9，第一固定支架2倒装有第二螺栓10和第二螺母11，第一固定支架2通过第二螺栓10与第二螺母11的配合固定在底座6上，第二固定支架9与第一固定支架2相互配合将气缸1固定在两者围合形成的安装槽内，固定支架组件的调整方式和固定方式设计巧妙，且便于调整。
56.具体地，第一固定支架2和第二固定支架9通过锁紧螺母3锁紧。
57.更进一步地，固定支架组件设置有两组，分别固定在气缸1的两端，使得气缸1和活塞20两端受力更平衡。
58.可以理解地，本实施例中的固定支架组件为上下合拢的结构，固定支架组件的具体结构并不限制与上述结构，只要能够将气缸1固定住方便测量即可，例如，固定支架组件可以设置成左右合拢的结构。
59.优选地，轴承供气组件包括供气系统、供气管7和供气转接件8，供气管7通过供气转接件8与活塞20的进气口连接，轴承供气系统与供气管7连接，流量计安装在供气管7上，流量计采用alicat 20系列标准型质量流量计，读数精度为
±
0.5％。
60.进一步地，轴承供气组件与供气管7之间还设置有减压阀，通过减压阀控制进入气体轴承腔23内的压力。减压阀的压力范围为(0.005～0.6)mpa，灵敏度为0.2％，精度为
±
0.5％。
61.优选地，压力传感器5安装在活塞20的第一端，拉压力传感器19用于安装在活塞20的第二端，两者分开设置在活塞20的两端，互不影响，能够提高测量精度。
62.优选地，压力传感器5通过压力传感器转接件4以螺纹的形式连接在活塞20上，连接方式简单，便于安装。
63.优选地，拉压力传感器19通过压盖连接板18安装于活塞20上，连接方式简单，便于安装。
64.优选地，第一载荷施加组件包括载重台13和第一配重块14，载重台13与活塞20的第二端连接，第一配重块14设置有若干个，不同的第一配重块14的质量可以相同，也可以不同，第一载荷施加组件通过在载重台13上配置不同质量的第一配重块14实现给活塞20施加不同的径向力，第一载荷施加组件结构简单，便于调整施加给活塞20施加的径向力。
65.具体地，载重台13通过螺钉与活塞20连接。
66.优选地，第二载荷施加组件包括安装在底座6上的支撑支架12、安装在支撑支架12顶部的定滑轮17、牵引绳16和第二配重块15，牵引绳16绕设在定滑轮17上，且牵引绳16的一端与拉压力传感器19连接，另一端用于与第二配重块15连接，第二配重块15设置有若干个，不同的第二配重块15的质量可以相同，也可以不同，第二载荷施加组件通过增加不同质量的第二配重块15实现给活塞20施加不同的轴向力，第一载荷施加组件结构简单，便于调整施加给活塞20施加的轴向力。
67.优选地，支撑支架12底部倒装有第一螺栓和第一螺母，第一螺栓与底座6上的滑槽适配，所述支撑支架12通过第一螺栓与第一螺母的配合固定在底座6上，也就是说，支撑支架12在底座6上的位置可调整，具体可以根据气缸1相对底座6的位置调整，支撑支架12的调整方式和固定方式设计巧妙，且便于调整。
68.本发明实施例的测试装置的第一载荷施加组件和第二载荷施加组件安装在活塞20的同一侧，测试装置通过在活塞20单侧施加载荷，就能够满足研究径向力对于气体轴承所应用的设备的作用和影响。尤其是用于测量自由活塞斯特林发电机的气体轴承性能时，通过在活塞20一端添加径向力来检测气体轴承的性能，更加贴近发电机实际运行工况。
69.请参阅图4，本发明实施例还提供了一种测试方法，包括：
70.步骤s100，将选定的气体轴承螺钉22安装在活塞20的出气口中，将活塞20放置在气缸1内，并通过固定支架组件将气缸1固定在底座6上，然后将压力传感器5和拉压力传感器19安装在活塞20上；
71.步骤s200，控制轴承供气组件向气体轴承腔23内充气，且维持气体轴承腔23内的压力不变；
72.步骤s300，控制第一载荷施加组件给活塞20施加径向力，并保持不变；
73.步骤s400，控制第二载荷施加组件给活塞20施加轴向力，并逐渐增加第二载荷施加组件的输出载荷，直至活塞20产生滑动；
74.步骤s500，根据活塞20的受力曲线，寻找活塞20所受的最大静摩擦力点，并记录气体轴承腔23内的压力和流量计中显示的数值。
75.步骤s600，更换步骤s100中的气体轴承螺钉22，从而改变节流孔的直径，改变步骤s200中气体轴承腔23内的气体压力，改变步骤s400中第一载荷施加组件给活塞20施加的径向力，重复步骤s100至步骤s500，测量不同气体轴承孔径、不同充气压力、不同活塞20径向力下工况下的活塞20的受力，得到其不同工况下活塞20受到的最大静摩擦力，以此判断活塞20的“浮”起状态，从而得到气体轴承的性能规律。
76.步骤s400，改变步骤s100中的气体轴承螺钉22，更换为不同内孔直径的气体轴承螺钉22，改变步骤s100中气体轴承腔23内的气体压力，改变步骤s200中第一载荷施加组件给活塞20施加的径向力，重复步骤s100至步骤s300，得到其不同工况下的最大静摩擦力，以此判断活塞20的“浮”起状态，从而得到气体轴承的性能规律。
77.本发明实施例的测试方法利用静动态摩擦原理，通过测量活塞20的摩擦力来判断活塞20浮起状态，以此来测定气体轴承性能，测试方法简单有效，而且，本发明实施例的测试方法能够测试不同工况下气体轴承的性能，从而确定气体轴承在不同工况下是否均满足实际支撑能力这一硬性需求。此外，本发明实施例的测试方法在测试时通过在出气口安装具有不同直径的节流孔的气体轴承螺钉22，来改变单位时间内进入间隙腔24内的气流量，方法简单有效。
78.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。