气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，包括底座、外套、扭摆组件和工作台，扭摆组件包括气浮轴承座、气浮轴承、扭杆座和扭杆，气浮轴承座连接在外套顶部，气浮轴承的轴套与气浮轴承座连接，扭杆座与气浮轴承的旋转主轴下端连接，扭杆的上端与扭杆座连接，底座上连接有扭杆转接座，扭杆转接座的中间位置处设置有方孔，扭杆的下端卡合连接在方孔内；工作台连接在气浮轴承的旋转主轴上端，工作台的底部设置有摆针，气浮轴承座顶部连接有光电管座，光电管座上安装有光电管；本发明还公开了一种气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量方法。本发明实现方便且成本低，稳定性好，测量效率高、精度高，空气阻力影响小，工作可靠性高。

说明书

技术领域

本发明属于物体转动惯量测量技术领域，具体涉及一种气浮轴承支撑台 式扭摆法转动惯量测量装置及方法。

背景技术

转动惯量是力学中一个基本的物理量，其值取决于物体的形状、质量 分布以及所选转轴的位置。对于几何形状简单、质量分布均匀的刚体可以 直接用公式计算出它相对于某一确定转轴的转动惯量；但是对于外形复杂 和质量分布不均匀的物体，就只能通过试验的方法来精确测量其转动惯 量。

目前针对此类物体测量其转动惯量的方法主要有单线扭摆法、三线扭 摆法和台式扭摆法等，其中：单线扭摆法适用于测量不规则物体及火炮弹 箭的转动惯量，其缺点是受温度等外界因素影响，并且很容易倾斜；三线 扭摆法是在单线扭摆法的基础上的改进，用三线摆法测得的摆动周期测量 误差较大，且不能测试较重试件；台式扭摆法是在单线扭摆法和三线扭摆 法基础上加以改进而成的，其优点是稳定性好、测量迅速而且精度高、物 体重力不参与扭摆运动、待测物体的质心不一定通过转轴、空气阻力影响 小。

扭摆法测转动惯量，根据测量平台支撑方式的不同，分为气浮轴承支 撑方式和机械轴承支撑方式。采用气浮轴承支撑的优点是摆动过程中摩擦 力小，由阻尼引起的摆动周期误差可以忽略不计，其测量误差为±0.1％。 但是，现有技术中还缺乏结构简单、设计合理、实现方便且成本低、使用 操作便捷、工作可靠性高、实用性强的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量 测量装置，也缺乏与之相应的测量效率高、精度高的转动惯量测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种结构简单、设计合理、实现方便且成本低、稳定性好、测量精度高、空 气阻力影响小、工作可靠性高、实用性强、使用效果好、便于推广使用的 气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种气浮轴承支撑台 式扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：包括底座、外套、扭摆组件和 用于安装转动惯量待测量试件的工作台，所述外套固定连接在底座顶部， 所述扭摆组件包括气浮轴承座、气浮轴承、扭杆座和扭杆，所述气浮轴承 座固定连接在外套顶部，所述气浮轴承的轴套与气浮轴承座固定连接，所 述扭杆座与气浮轴承的旋转主轴下端固定连接，所述扭杆的上端与扭杆座 固定连接，所述气浮轴承的下部、扭杆座和扭杆均位于外套内部，所述底 座上固定连接有扭杆转接座，所述扭杆转接座的中间位置处设置有方孔， 所述扭杆的下端卡合连接在所述方孔内；所述工作台固定连接在气浮轴承 的旋转主轴上端，所述工作台的底部设置有摆针，所述气浮轴承座顶部固 定连接有光电管座，所述光电管座上安装有用于感应摆针的光电管。

上述的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：所 述工作台的侧面设置有手柄。

上述的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：所 述工作台的底部设置限位块，所述气浮轴承座顶部设置有与限位块相配合 限制工作台的旋转角度的限位座。

上述的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：所 述底座上通过调节螺钉连接有调平座。

上述的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，其特征在于：所 述外套的外壁上设置有吊环。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、测量效率高、测量精 度高的测量装置进行气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量的方法，其特 征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、给气浮轴承通气；

步骤二、测量所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量未安装转动 惯量待测量试件时的摆动周期T₀并记录：转动手柄，手柄带动工作台转动 起始角度θ后，释放手柄，工作台的转动动力通过气浮轴承的旋转主轴传 递给扭杆座，再传递给扭杆，在扭杆的作用下，工作台摆动，所述光电管 对工作台的摆动周期进行测量并将测量得到的摆动周期记录为所述气浮 轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量未安装转动惯量待测量试件时的摆动 周期T₀；

步骤三、测量所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量安装标校件 后的摆动周期T₀并记录，具体过程为：

步骤301、将标校件安装在工作台上；

步骤302、转动手柄，手柄带动工作台转动起始角度θ后，释放手柄， 工作台的转动动力通过气浮轴承的旋转主轴传递给扭杆座，再传递给扭 杆，在扭杆的作用下，工作台摆动，所述光电管对工作台的摆动周期进行 测量并将测量得到的摆动周期记录为所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动 惯量测量安装了标校件后的摆动周期T_X1；

步骤303、取下标校件；

步骤四、测量所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量安装转动惯 量待测量试件后的摆动周期T_X并记录，具体过程为：

步骤401、将转动惯量待测量试件安装在工作台上，并测量工作台的 中心与转动惯量待测量试件的质心之间的距离R；

步骤402、转动手柄，手柄带动工作台转动起始角度θ后，释放手柄， 工作台的转动动力通过气浮轴承的旋转主轴传递给扭杆座，再传递给扭 杆，在扭杆的作用下，工作台摆动，所述光电管对工作台的摆动周期进行 测量并将测量得到的摆动周期记录为所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动 惯量测量安装了转动惯量待测量试件后的摆动周期T_X；

步骤403、取下转动惯量待测量试件；

步骤五、转动惯量待测量试件的转动惯量计算，具体过程为：

步骤501、根据公式计算扭杆的等效刚度K_eq；其中，I_Standar为所述标校件的转动惯量；

步骤502、根据公式计算转动惯量待测量试件对工作台 中心的转动惯量I_p；

步骤503、根据公式I_cp＝I_p-MR²计算转动惯量待测量试件对其质心的 转动惯量I_cp，其中，M为转动惯量待测量试件的质量。

上述的方法，其特征在于：步骤二、步骤302和步骤402中所述起始 角度θ的取值均为2°～10°。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置的结构简单， 设计合理，实现方便且成本低。

2、本发明的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，通过设置 限位座和限位块，能够限制工作台的旋转角度，防止工作台的旋转角度过 大损坏扭杆。

3、本发明的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置，采用气浮 轴承支撑方式和扭摆法测量转动惯量待测量试件的转动惯量，稳定性好， 测量迅速而且精度高，空气阻力影响小，工作可靠性高。

4、本发明气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量方法的方法步骤简 单，实现方便，测量效率高、精度高。

5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的设计合理，实现方便且成本低，稳定性好，测量 效率高、精度高，空气阻力影响小，工作可靠性高，实用性强，使用效果 好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置的结构示意 图。

图2为本发明限位块和限位座的布设位置示意图。

附图标记说明:

1—扭杆转接座；2—底座；3—外套；

4—扭杆；5—扭杆座；6—气浮轴承；

7—气浮轴承座；8—光电管座；9—摆针；

10—工作台；11—手柄；12—转动惯量待测量试件；

13—限位块；14—限位座；15—吊环；

16—调平座；17—光电管。

具体实施方式

如图1所示，本发明的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量装置， 包括底座2、外套3、扭摆组件和用于安装转动惯量待测量试件12的工作 台10，所述外套3固定连接在底座2顶部，所述扭摆组件包括气浮轴承座 7、气浮轴承6、扭杆座5和扭杆4，所述气浮轴承座7固定连接在外套3 顶部，所述气浮轴承6的轴套与气浮轴承座7固定连接，所述扭杆座5与 气浮轴承6的旋转主轴下端固定连接，所述扭杆4的上端与扭杆座5固定 连接，所述气浮轴承6的下部、扭杆座5和扭杆4均位于外套3内部，所 述底座2上固定连接有扭杆转接座1，所述扭杆转接座1的中间位置处设 置有方孔，所述扭杆4的下端卡合连接在所述方孔内；所述工作台10固 定连接在气浮轴承6的旋转主轴上端，所述工作台10的底部设置有摆针9， 所述气浮轴承座7顶部固定连接有光电管座8，所述光电管座8上安装有 用于感应摆针9的光电管17。

如图1所示，本实施例中，所述工作台10的侧面设置有手柄11。通 过操作手柄11，能够方便地旋转工作台10。

如图1和图2所示，本实施例中，所述工作台10的底部设置限位块13， 所述气浮轴承座7顶部设置有与限位块13相配合限制工作台10的旋转角 度的限位座14。通过设置限位座14和限位块13，能够限制工作台10的 旋转角度，防止工作台10的旋转角度过大损坏扭杆4。

如图1所示，本实施例中，所述底座2上通过调节螺钉连接有调平座 16。通过调节调节螺钉，能够方便地对底座2进行调平。

如图1所示，本实施例中，所述外套3的外壁上设置有吊环15。通过 设置吊环15，能够方便该转动惯量测量装置的移动。

本发明的气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量方法，包括以下步 骤：

步骤一、给气浮轴承6通气；

步骤二、测量所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量未安装转动 惯量待测量试件12时的摆动周期T₀并记录：转动手柄11，手柄11带动工 作台10转动起始角度θ后，释放手柄11，工作台10的转动动力通过气浮 轴承6的旋转主轴传递给扭杆座5，再传递给扭杆4，在扭杆4的作用下， 工作台10摆动，所述光电管17对工作台10的摆动周期进行测量并将测 量得到的摆动周期记录为所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量未 安装转动惯量待测量试件12时的摆动周期T₀；

步骤三、测量所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量安装标校件 后的摆动周期T₀并记录，具体过程为：

步骤301、将标校件安装在工作台10上；

步骤302、转动手柄11，手柄11带动工作台10转动起始角度θ后， 释放手柄11，工作台10的转动动力通过气浮轴承6的旋转主轴传递给扭 杆座5，再传递给扭杆4，在扭杆4的作用下，工作台10摆动，所述光电 管17对工作台10的摆动周期进行测量并将测量得到的摆动周期记录为所 述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量安装了标校件后的摆动周期T_X1；

步骤303、取下标校件；

步骤四、测量所述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量安装转动惯 量待测量试件12后的摆动周期T_X并记录，具体过程为：

步骤401、将转动惯量待测量试件12安装在工作台10上，并测量工 作台10的中心与转动惯量待测量试件12的质心之间的距离R；

步骤402、转动手柄11，手柄11带动工作台10转动起始角度θ后， 释放手柄11，工作台10的转动动力通过气浮轴承6的旋转主轴传递给扭 杆座5，再传递给扭杆4，在扭杆4的作用下，工作台10摆动，所述光电 管17对工作台10的摆动周期进行测量并将测量得到的摆动周期记录为所 述气浮轴承支撑台式扭摆法转动惯量测量安装了转动惯量待测量试件12 后的摆动周期T_X；

步骤403、取下转动惯量待测量试件12；

步骤五、转动惯量待测量试件12的转动惯量计算，具体过程为：

步骤501、根据公式计算扭杆4的等效刚度K_eq；其中， I_Standar为所述标校件的转动惯量；

步骤502、根据公式计算转动惯量待测量试件12对工作 台10中心的转动惯量I_p；

步骤503、根据公式I_cp＝I_p-MR²计算转动惯量待测量试件12对其质 心的转动惯量I_cp，其中，M为转动惯量待测量试件12的质量。

本实施例中，步骤二、步骤302和步骤402中所述起始角度θ的取值 均为2°～10°。

具体实施时，步骤501中所述标校件的转动惯量I_Standar由标定机构标 定，为预先已知量；步骤401中转动惯量待测量试件12的质心，以及步 骤503中转动惯量待测量试件12的质量通过质量质心测量台测定。

综上所述，本发明采用气浮轴承支撑方式和扭摆法测量转动惯量待测 量试件的转动惯量，稳定性好，测量迅速而且精度高，空气阻力影响小， 工作可靠性高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效 结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。