本發(fā)明涉及一種軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

利用磁力使物體處于無(wú)接觸懸浮狀態(tài)是人類一個(gè)古老的夢(mèng)想。從磁軸承設(shè)想的提出，到其理論探索、實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，至今已有170余年的歷史。國(guó)外磁軸承的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，第一階段：基礎(chǔ)理論探索階段；第二階段：研究開發(fā)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)階段；第三階段：推廣應(yīng)用階段。

國(guó)內(nèi)對(duì)磁軸承的研究工作起步較晚，但也進(jìn)行了大量的研究。1981年，上海微電機(jī)研究所采用徑向被動(dòng)、軸向主動(dòng)的混合型磁懸浮研制了我國(guó)第一臺(tái)全懸浮磁軸承樣機(jī)，這些研究成果由于模型簡(jiǎn)單、剛度小、負(fù)載低，基本沒有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。1982年，清華大學(xué)的張祖明、溫詩(shī)鑄就小鋼球的單自由度磁懸浮進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。1988年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了磁軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，建立了主動(dòng)磁軸承機(jī)床主軸控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，這是國(guó)內(nèi)首次對(duì)主動(dòng)磁軸承全懸浮機(jī)床主軸從結(jié)構(gòu)到控制進(jìn)行系統(tǒng)研究。隨后，西安交通大學(xué)軸承研究所在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了模擬控制的五個(gè)自由度電磁軸承的穩(wěn)定懸浮，其最高轉(zhuǎn)速為30000r/min。在西安交通大學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，上海大學(xué)于1998年開發(fā)了電磁軸承控制器(600W)用于150m³制氧透平膨脹樣機(jī)的控制，并在實(shí)驗(yàn)室取得成功。

被動(dòng)磁軸承完全依靠永磁體本身所產(chǎn)生的永久磁力或超導(dǎo)磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸在部分自由度上的穩(wěn)定懸浮。相比于主動(dòng)磁軸承，被動(dòng)磁軸承具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它無(wú)需主動(dòng)電子控制系統(tǒng)，因此具備體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)。從目前來(lái)看，在被動(dòng)磁軸承中，應(yīng)用最多的是由永磁體構(gòu)成的永磁軸承。永磁軸承可以由徑向或軸向磁化的磁環(huán)構(gòu)成，剛度和承載力則可以通過(guò)采用磁環(huán)堆疊及恰當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法來(lái)增加。

軸向永磁懸浮軸承是被動(dòng)磁軸承的一種，為了更好的設(shè)計(jì)軸向永磁軸承，要求必須計(jì)算好軸向永磁軸承的受力情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果。而軸向永磁懸浮軸承的受力主要可以看作是兩個(gè)永磁環(huán)之間的受力。

目前隨著社會(huì)發(fā)展的大背景——節(jié)能環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)，而且主動(dòng)磁懸浮軸承由于造價(jià)昂貴，那么廠家對(duì)被動(dòng)磁懸浮軸承的需求越來(lái)越高，為了研發(fā)制造良好的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)出一種通用的軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置就顯得尤為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置。整個(gè)裝置，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格實(shí)惠，對(duì)相同結(jié)構(gòu)的軸向永磁懸浮軸承通用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置，它通過(guò)擰緊螺紋桿上端的螺母，使懸浮在螺紋桿上半部分的零件整體向下移動(dòng)，通過(guò)塞尺測(cè)量?jī)纱怒h(huán)之間的距離，記錄螺母下端壓力傳感器的數(shù)值，用原來(lái)磁環(huán)之間的距離減去測(cè)量的距離值就得到移動(dòng)的距離，將每次移動(dòng)的距離與壓力傳感器的數(shù)值對(duì)應(yīng)記錄下來(lái)，再擬合成曲線。

根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置，包括螺紋桿、第一沉頭螺釘、壓力傳感器、上頂板、第二沉頭螺釘、上外套筒、下內(nèi)套筒、靜磁環(huán)、動(dòng)磁環(huán)、第三沉頭螺釘、卡棒、下底板、下外套筒、墊圈、螺母、壓力顯示器；所述下內(nèi)套筒通過(guò)第三沉頭螺釘固定在下底板上，所述下外套筒套在下內(nèi)套筒上，其底部與下底板接觸，所述動(dòng)磁環(huán)套在下內(nèi)套筒上，所述靜磁環(huán)也套在下內(nèi)套筒上，靜磁環(huán)和動(dòng)磁環(huán)的充磁方向相反且留有間隙；所述上外套筒上端通過(guò)第二沉頭螺釘固定在上頂板的下側(cè)，下端與靜磁環(huán)相接觸，所述壓力傳感器通過(guò)第一沉頭螺釘固定在上頂板的上側(cè)，所述螺紋桿穿過(guò)裝置的中心部位，其下端圓柱孔伸出下底板，所述卡棒塞入螺紋桿下端圓柱孔內(nèi)，用來(lái)限定下底板軸向位置，壓力傳感器的上端先安裝墊圈，再將螺母從螺紋桿上端向下擰緊，起到螺旋加載的作用；所述壓力顯示器與壓力傳感器連接。

所述下內(nèi)套筒的外徑等于靜磁環(huán)和動(dòng)磁環(huán)的內(nèi)徑，使得兩個(gè)磁環(huán)同心，即兩個(gè)磁環(huán)徑向固定，軸向能夠沿下內(nèi)套筒移動(dòng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)和顯著進(jìn)步：

本發(fā)明通過(guò)塞尺測(cè)量?jī)纱怒h(huán)之間的距離，相對(duì)于使用位置傳感器，更經(jīng)濟(jì)；而且測(cè)量值相對(duì)而言也很準(zhǔn)確，操作也很方便。通過(guò)螺母的擰緊來(lái)施加壓力，操作簡(jiǎn)單，壓力傳感器的使用使得測(cè)量的磁力值更準(zhǔn)確。整個(gè)裝置可以更改套筒的內(nèi)外徑，使其可以測(cè)量不同尺寸磁環(huán)的磁力。根據(jù)磁環(huán)間磁力的理論計(jì)算數(shù)值，可以選用不同量程的壓力傳感器。

附圖說(shuō)明

圖1是軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置半剖視圖。

圖2是軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是塞尺結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置加載時(shí)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖5是壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述：

如圖1、圖2、圖5所示，一種軸向永磁懸浮軸承磁力測(cè)量裝置，包括螺紋桿1、第一沉頭螺釘2、壓力傳感器3、上頂板4、第二沉頭螺釘5、上外套筒6、下內(nèi)套筒7、靜磁環(huán)8、動(dòng)磁環(huán)9、第三沉頭螺釘10、卡棒11、下底板12、下外套筒13、墊圈14、螺母15、壓力顯示器16；所述下內(nèi)套筒7通過(guò)第三沉頭螺釘10固定在下底板12上，所述下外套筒13套在下內(nèi)套筒7上，其底部與下底板12接觸，所述動(dòng)磁環(huán)9套在下內(nèi)套筒7上，所述靜磁環(huán)8也套在下內(nèi)套筒7上，靜磁環(huán)8和動(dòng)磁環(huán)9的充磁方向相反且留有間隙；所述上外套筒6上端通過(guò)第二沉頭螺釘5固定在上頂板4的下側(cè)，下端與靜磁環(huán)8相接觸，所述壓力傳感器3通過(guò)第一沉頭螺釘2固定在上頂板4的上側(cè)，所述螺紋桿1穿過(guò)裝置的中心部位，其下端圓柱孔伸出下底板12，所述卡棒11塞入螺紋桿1下端圓柱孔內(nèi)，用來(lái)限定下底板12軸向位置，壓力傳感器3的上端先安裝墊圈14，再將螺母15從螺紋桿1上端向下擰緊，起到螺旋加載的作用；所述壓力顯示器16與壓力傳感器3連接。

所述下內(nèi)套筒7的外徑等于靜磁環(huán)8和動(dòng)磁環(huán)9的內(nèi)徑，使得兩個(gè)磁環(huán)同心，即兩個(gè)磁環(huán)徑向固定，軸向能夠沿下內(nèi)套筒7移動(dòng)。

本發(fā)明裝置的安裝過(guò)程如下：

首先，進(jìn)行動(dòng)磁環(huán)9的安裝。將下內(nèi)套筒7通過(guò)第三沉頭螺釘10固定在下底板12上，下內(nèi)套筒7的外徑等于動(dòng)磁環(huán)9的內(nèi)徑，這樣的作用是，在徑向上限制磁環(huán)的位移；將下外套筒13套在下內(nèi)套筒7上面，并且底部與下底板12接觸，動(dòng)磁環(huán)9也套在下內(nèi)套筒7上，并且與下外套筒13接觸，這樣的作用是避免動(dòng)磁環(huán)9直接與下底板12接觸，減少損耗。

其次，進(jìn)行靜磁環(huán)8的安裝。將動(dòng)磁環(huán)9放正，把靜磁環(huán)8套在下內(nèi)套筒7上，此時(shí)動(dòng)磁環(huán)9與靜磁環(huán)8的充磁方向相反，即兩者呈現(xiàn)相斥的狀態(tài)，將上外套筒6通過(guò)第二沉頭螺釘5固定在上頂板4的下側(cè)，壓力傳感器3通過(guò)第一沉頭螺釘2固定在上頂板4的上側(cè)。

最后，將螺紋桿1穿過(guò)裝置的中心部位，有圓柱孔的一側(cè)在下方，用卡棒11插進(jìn)孔內(nèi)，限制下底板12軸向位置，在螺紋桿1上端即壓力傳感器3的上端先安裝墊圈14，再旋螺母15，使螺母15與墊圈14接觸，最后將壓力顯示器16與壓力傳感器3連接。

本發(fā)明的工作原理如下：

首先靜磁環(huán)8與動(dòng)磁環(huán)9由于斥力作用，都分別依靠著各自的外套筒，而且內(nèi)徑與下內(nèi)套筒7一樣，所以這兩個(gè)磁環(huán)同心，即兩個(gè)磁環(huán)徑向固定，軸向是可以移動(dòng)的。

將螺母15旋緊，此時(shí)如圖4所示，設(shè)置兩磁環(huán)間間隙為初始間隙L₀；其次通過(guò)螺旋加載方式對(duì)動(dòng)磁環(huán)9施加向上的負(fù)載，此時(shí)動(dòng)磁環(huán)9會(huì)有向上位移；最后通過(guò)塞尺（如圖3所示）測(cè)定加載后兩磁環(huán)間隙L ’，同時(shí)使用壓力傳感器3測(cè)出此間隙下負(fù)載值。

其中，結(jié)合圖5所示的壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖，ΦA(chǔ)表示壓力傳感器外徑，ΦB表示壓力傳感器上沉頭螺釘分布的位置基圓的直徑，ΦC表示壓力傳感器螺紋孔凸臺(tái)的外徑，M表示螺紋孔的尺寸，H表示壓力傳感器總高，H1表示壓力傳感器除去凸臺(tái)部分的高度，H2表示沉頭螺釘沉頭孔的高度，ΦD表示沉頭螺釘沉頭孔的直徑，ΦD1表示沉頭螺釘螺絲孔的直徑。8個(gè)沉頭螺釘平均分布在ΦB的基圓上，根據(jù)理論計(jì)算的磁力值選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，再選擇與之對(duì)應(yīng)的壓力傳感器的尺寸。

測(cè)量時(shí)選取初始間隙L₀，負(fù)載值可以直接讀出（單位k g ），轉(zhuǎn)化為受力F（單位N），塞尺測(cè)量時(shí)分別選擇兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)A 、B 測(cè)量以便盡量減小誤差（磁環(huán)間隙分別為L_A’,L_B’）。將兩磁環(huán)間隙兩次測(cè)量值求平均（L’=（L_A’+L_B’）/2），同時(shí)將兩環(huán)間隙值轉(zhuǎn)換成軸向位移（軸向位移L =L₀ - L’）。

每旋一次螺母15，就記下相應(yīng)的F 與L ，設(shè)螺母15旋了n 次，即有n 組數(shù)據(jù)，我們將這n 組數(shù)據(jù)擬合成磁力與位移關(guān)系圖，并與理論計(jì)算（分子電流法）得到的磁力與位移關(guān)系圖相對(duì)比，就可以驗(yàn)證理論計(jì)算的數(shù)值是否準(zhǔn)確。