CN102594221A - 一种气体挤压悬浮装置 - Google Patents

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马希直
朱达云
王胜光
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Abstract

本发明涉及一种气体挤压悬浮装置，属于气体润滑和无接触传送领域。所述气体加压装置包括挤压激振盘、励振装置。励振装置包括压电堆和励振电路，励振电路由信号发生器和功率放大器组成，信号发生器产生的正弦信号进入功率放大器，经功率放大器放大得到的电压信号接在压电堆两极。压电堆包括若干厚度相等的圆环状压电片。本发明所涉及的气体挤压悬浮装置减小物体表面间的摩擦，适用于轻载的气体润滑场合中，利用所述气体挤压悬浮装置制作气体导轨时可实现无接触传送。

Description

一种气体挤压悬浮装置
技术领域
本发明涉及一种气体挤压悬浮装置，属于气体润滑和无接触传送领域。
背景技术
气体轴承技术是上个世纪以来发展起来的一项技术，它用气体代替润滑油作为润滑剂，具有无污染，无磨损，不发热，回转精度高，几乎无摩擦等优点。同时，它还能耐高低温，可以工作在辐射环境下的特点，因而在精密和超精密工程、微细加工、空间技术、医疗器械及核工程等领域有着十分广阔的前景，比液体轴承具有更好的发展空间。因此从上世纪中期开始，它得到了越来越多的关注，得到广泛的应用。
从润滑的机理来分，气体轴承大体可以分为三类：静压型、动压型以及挤压膜型。气体静压轴承又称外部供压轴承，高压气体由外部气源设备供给，经过气门进入支承间隙，形成气膜，以支承负载。动压型是通过被支撑表面相对支承表面运动时，在运动方向楔形间隙产生的气膜压力来支撑负载的，不需要稳定持续的压力气源。这两种轴承目前已经得到广泛的应用。而气体挤压膜润滑虽然具有结构简单紧凑，容易调节等优点，但是其承载能力较低，安装较复杂。国外在上世纪60年代已经开始有人进行理论以及实验的研究。随着压电陶瓷材料的广泛应用，气体挤压膜的承载能力得到了较大的提高，气体挤压膜润滑也得到了国内外学者越来越多的关注。但是由于目前通过气体挤压膜承载的方法仍然不成熟，气体挤压膜润滑仍处于实验室阶段，工程上尚没有得到应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种气体挤压悬浮装置。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种气体挤压悬浮装置包括：挤压激振盘、励振装置；挤压激振盘和励振装置通过变幅杆连接；
励振装置包括压电堆和励振电路，励振电路由信号发生器和功率放大器组成，信号发生器产生的正弦信号进入功率放大器，经功率放大器放大得到的电压信号接在压电堆两极。
所述气体挤压悬浮装置中，压电堆包括至少两片直径相同、厚度相同的圆环状压电片。
所述气体挤压悬浮装置中，变幅杆包括一圆锥形杆体和一圆柱形杆体，其中，所述圆柱形杆体的上端与挤压激振盘底部连接，圆柱形杆体的下端与圆锥形杆体的上端连接，所述圆锥形杆体的下端与励振装置的压电堆连接；所述圆锥形杆体的上端口径小于下端口径，圆柱形杆体的口径与圆锥形杆体的上端口径相同，圆锥形杆体的下端口径与压电堆的直径相同。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：减小物体表面间的摩擦；相对于气体静压润滑，本发明不需要外部气源，适用于轻载的气体润滑场合中；应用此装置制作气体导轨，可实现无接触传送。
附图说明
图1是气体挤压膜润滑机理图。
图2是气膜瞬态承载力曲线。
图3是气体挤压膜悬浮装置示意图。
图4是压电堆连接图。
图5是气体挤压悬浮装置运用到方形轨道的实施例示意图。
图6是方形导轨为180g时的气膜厚度示意图。
图7是方形导轨为525g时的气膜厚度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
图1所示的为气体悬浮的机理图，对气隙里气体的高频挤压使气隙内压力升高，能产生的承载力的大小由激振振幅、激振频率、气膜间隙以及结构尺寸等决定。
气体挤压膜的承载能力是由气体间隙中气体压力所决定的，在激振盘振动过程中，气隙中的气压的大小可以通过求解气体润滑的雷诺方程得到。
本发明中气体润滑的雷诺方程的形式对其进行数值求解可以得到气膜的压力的分布。
图2为气膜瞬态承载力的分布图。可以看到在一个周期内，气膜压力以及承载力有正有负，但是其平均值大于零，因而有一定的承载能力。
气体挤压膜悬浮装置设计简图如图3，包括：挤压激振盘、励振装置。励振装置包括压电堆和励振电路，励振电路由信号发生器和功率放大器组成，信号发生器产生正弦信号接入功率放大器，信号的频率与压电堆的谐振频率尽量接近，经功率放大器放大后接到压电堆两极。
底座采用重量较大的钢板，以起到减振作用。变幅杆与底座之间通过螺栓连接，带动激振盘做横向振动，最终悬浮起一定质量的物体。
压电堆的连接方式如图4所示，选用为直径34mm的PZT-5A压电陶瓷，并用四片压电片构成压电堆以起到增大振幅的作用。变幅杆的设计频率为20KHz，粗端与细端直径比为4∶1，锥形端长度为77mm，细端连接的圆柱杆长度为49.6mm。激振圆盘的直径为50mm，厚度为3mm。
一般来说，单片的压电片的振幅比较小，要得到较大振幅，可以通过将多片压电片连接在一起构成压电堆来增大压电材料的振幅，然后采用超声变幅杆将振幅进一步放大输出，最终得到需要的大振幅。变幅杆的另一端接激振盘，产生横向振动，挤压激振盘与悬浮体间的气体，使其中气压高于外界大气压，从而产生承载力。变幅杆包括一圆锥形杆体和一圆柱形杆体，圆锥形杆体的上口径小于下口径，圆锥形杆体的上端口径小于下端口径，圆柱形杆体的口径与圆锥形杆体的上端口径相同，圆锥形杆体的下端口径与压电堆的直径相同。这样结构的变幅杆有利于将振幅放大传输至挤压激振盘。
要驱动压电陶瓷需要高频的信号源，现选择某模拟信号源作为励振信号，匹配功率放大器，得到一定电压的高频正弦信号，压电陶瓷的振动经变幅杆放大带动激振盘横向振动，使得物体悬浮起来。激振频率应选取接近压电陶瓷堆的谐振频率以获得较大的振幅，同时电源输出电压不能取过大以防止损坏压电陶瓷。
对于质量较轻的物体，悬浮的高度比较大，可以清楚的看到悬浮的状态。而对于质量较大(几百克)的物体，气体间隙大约为几微米到几十微米，肉眼难以观察到，可以通过位移传感器等测得其悬浮高度。
在实际运用中，对于不同形状的轨道，气体挤压悬浮装置的布局不同，下面以方形直线导轨为例说明气体挤压悬浮装置的功能。如图5所示，在方形直线导轨四边的中央放置气体挤压悬浮装置，每个气体挤压悬浮装置的激振盘与轨道边构成挤压气隙。给气体挤压悬浮装置加激励信号，气体挤压悬浮装置挤压方形轨道与其之间的气隙使方形轨道变形。4个激振盘和轨道的接触表面都将产生气膜，上部气膜支承着整个导轨的重量，其他三个面上的气膜起到稳定的作用，使导轨不和轨道接触，减小摩擦力，增加稳定性。
通过实验测试，所设计的方形导轨能够悬浮一定的高度，并具有较高的承载能力。在设定电压为300V，方形导轨质量分别为180g、525g时，处于稳定悬浮时的气膜厚度(如图6、图7)分别为4.5μm、2.7μm。实验测得的气膜厚度能够使导轨稳定悬浮，激振盘和轨道之间的气膜使导轨处于极低的摩擦状态。
可见利用本发明所涉及的气体挤压悬浮装置在实际运用中，在不需要外部气源的状况下，减小物体与激振盘之间的摩擦，实现了轻载的气体润滑场合中的可无接触传送。

Claims (3)

1.一种气体挤压悬浮装置，其特征在于包括：挤压激振盘、励振装置；挤压激振盘和励振装置通过变幅杆连接；
    所述励振装置包括压电堆和励振电路，励振电路由信号发生器和功率放大器组成，信号发生器产生的正弦信号进入功率放大器，经功率放大器放大得到的电压信号接在压电堆两极。
2.根据权利要求1所述的气体挤压悬浮装置，其特征在于：所述压电堆包括至少两片直径相同、厚度相同的圆环状压电片。
3.根据权利要求1或2所述的气体挤压悬浮装置，其特征在于：所述变幅杆包括一圆锥形杆体和一圆柱形杆体，其中，所述圆柱形杆体的上端与挤压激振盘底部连接，圆柱形杆体的下端与圆锥形杆体的上端连接，所述圆锥形杆体的下端与励振装置的压电堆连接；所述圆锥形杆体的上端口径小于下端口径，圆柱形杆体的口径与圆锥形杆体的上端口径相同，圆锥形杆体的下端口径与圧电堆的直径相同。
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