CN104454986A - 超声波气体动压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波气体动压轴承，主要包括轴承体、压电振子和柔性可倾瓦结构，所述轴承体均匀设置有凹槽，所述柔性可倾瓦结构主要由轴瓦和柔性支承结构组成，所述轴瓦设置于轴承体内侧,所述轴瓦与柔性支承结构相连接，所述柔性支承结构另一端与凹槽相连接，所述压电振子设置于凹槽内的柔性支承结构上，所述轴瓦内表面形成轴承与转轴的配合面。本发明通过结合超声波轴承和气体动压轴承结构的优点，降低了能源消耗、提高了轴承的寿命和精度；采用的柔性可倾轴瓦结构改善了轴承阻尼和刚度特性，显著提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，提高了轴承的寿命和稳定性。

Description

超声波气体动压轴承

技术领域

本发明涉及空气轴承技术领域，具体涉及一种超声波气体动压轴承。

背景技术

超声波轴承利用超声波悬浮技术达到转子与轴承支承表面体之间有一层压力空气薄膜，从而应用于高速、低磨损、无油和清洁环境的场合。超声波悬浮的原理是利用逆压电效应，压电振子在正弦交流电压的激励下，将电能转化为机械能，使压电振子以一定频率和振幅做简谐运动；这种振动驱动与压电振子联结的轴瓦，使轴瓦相对转子表面做简谐运动；当轴瓦表面做简谐运动时，局部气压在一个周期内的平均值大于周围气压，从而产生压力空气薄膜作用于转子表面，进而产生悬浮力。

空气动压轴承是以周围环境中的空气作为润滑剂的一种自作用弹性支承空气轴承。空气动压轴承通过在轴与轴承之间形成一层空气薄膜，使得轴与轴承之间的摩擦力大大减小。与普通转子轴承相比，它具有转速高，精度好，可靠性高，无油润滑，摩擦损耗小，能在高温环境下工作等一系列优点。

在空气轴承领域，弹性支承结构起支承和减振的作用，采用了具有弹性的支承结构，可以根据所受载荷的不同随时建立不同厚度的工作气膜间隙。在气体轴承中，弹性支承结构应该同时具有良好的刚度和阻尼，使的轴承相应的获得良好的承载能力和缓合冲击振动的能力。性能优异的弹性支承结构能利用其阻尼特性很好的抑制转子的振动，大大增加轴承的可靠性和运行稳定性。

超声波气体轴承经过几十年的发展，其结构大体分为球型、方型和带弹性铰链的圆柱型等，然而，大部分超声波气体轴承的结构都由压电振子的规格和尺寸限制，并没有很好的结构可以减小轴承的尺寸和兼顾传统气体轴承的结构优点。当轴承正常工作时，现有的超声波气体轴承的压电振子继续产生振动，消耗能源，而且会降低轴承的寿命。因此如何改善超声波气体轴承的结构，减小轴承尺寸；以及利用气体动压轴承的结构优点，以提高气体轴承的寿命，降低能源损耗成为十分重要的问题。

发明内容

本发明正是为了至少部分地解决上述现有技术的不足而提出的，具体而言，其提供了一种超声波气体动压轴承，以在一定程度上提高现有气体轴承的寿命、转子精度和缓和冲击振动的能力。

为了达到上述目的，本发明的提供了一种超声波气体动压轴承，主要包括轴承体、压电振子和柔性可倾瓦结构，所述轴承体均匀设置有凹槽，所述柔性可倾瓦结构主要由轴瓦和柔性支承结构组成，所述轴瓦设置于轴承体内侧,所述轴瓦与柔性支承结构相连接，所述柔性支承结构另一端与凹槽相连接，所述压电振子设置于凹槽内的柔性支承结构上，所述轴瓦内表面形成轴承与转轴的配合面。

进一步，所述柔性可倾瓦结构和轴承体采用整体式结构。

进一步，所述轴瓦与转轴接触的表面设置有镀层。

进一步，所述轴瓦在圆周方向上均匀分布。

进一步，所述轴瓦可进行小角度的转动。

进一步，所述压电振子焊接在凹槽内的柔性支承结构上。

进一步，所述柔性支承结构上设置有弹性铰链孔。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：

本发明提出的方案通过结合超声波轴承和气体动压轴承结构，同时在气体动压轴承结构的基础上增加柔性可倾轴瓦结构来改善轴承的特性。本发明通过改进超声波气体轴承的结构，压电振子直接与轴瓦连接，而且焊接在轴承体的凹槽内，这样结构紧凑，减小体积；采用柔性可倾轴瓦结构，使轴承在正常工作时如同气体动压轴承，而且这种结构提高了支承结构的阻尼和刚度，减小振动造成的冲击，提高了轴承的寿命和运行稳定性。轴承正常工作时，会在每个轴瓦和转子的配合面形成楔形气膜，大大提高了轴承的运行稳定性。同时，轴承体上的轴瓦会在气膜压力的作用下发生转动和径向移动，柔性可倾轴瓦结构会产生变形，为轴承提供弹性支承。如果转子的位置偏移过大，通过控制压电振子的振动，进而控制压力气体薄膜产生的悬浮力，从而使转子回复到稳定位置，达到精确控制转子位置。

与现有的超声波气体轴承相比，本发明通过结合超声波轴承和气体动压轴承结构的优点，降低了能源消耗、提高了轴承的寿命和精度；采用的柔性可倾轴瓦结构改善了轴承阻尼和刚度特性，显著提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，提高了轴承的寿命和稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的轴承体局部结构示意图；

图3为本发明的带接线的压电振子的结构示意图；

图4为本发明第二实施方式中提供的轴承体的局部结构示意图；

图中：1.轴承体，2.压电振子，3.轴瓦，4.柔性支承结构，5.凹槽，6.弹性铰链孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。然而可以理解的是，下述具体实施方式仅仅是本发明的优选技术方案，而不应该理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1、图2所示，一种超声波气体动压轴承，主要包括轴承体1、压电振子2和柔性可倾瓦结构，所述柔性可倾瓦结构和轴承体1采用整体式结构，所述轴承体1为轴承的主体结构，起安装、保护和支承的作用，所述压电振子2起产生超声波频率振动的作用，所述轴承体1周围均匀设置有n个凹槽5，所述压电振子2焊接在凹槽5内的柔性支承结构4上，每个凹槽5上、下各安装一个压电振子2，所述柔性可倾瓦结构主要由轴瓦3和柔性支承结构4组成，所述轴瓦3设置于轴承体1内侧,并在圆周方向上均匀设置有n个，所述轴瓦3根据轴的转动而调整位置和角度可进行小角度的转动，提高轴承的运行稳定性，所述轴瓦3与柔性支承结构4相连接，所述柔性支承结构4另一端与凹槽5相连接，所述压电振子2设置于凹槽5内的柔性支承结构4上，所述轴瓦3内表面形成轴承与转轴的配合面，所述配合面设置有镀层。

所述n个轴瓦在圆周方向上均匀分布，每两个相邻的轴瓦中心所对应的圆心角为θ，则θ＝360°/n，柔性支承结构4与轴瓦3连接处所对应的径向线与水平方向所对应的角度为β。该角度可以根据轴瓦受力情况的不同而改变，由于所述轴瓦3上楔形气膜压力的不对称分布，该连接处往往会偏离轴瓦的中心位置。柔性可倾瓦结构和轴承体采用了整体结构设计，这样不仅简化了气体轴承的结构还避免了装配误差的积累对轴承的影响，提高了轴承加工后的精度。柔性支承结构还降低了对加工精度的要求，消除了传统可倾瓦轴承中轴瓦与轴承连接部位转动时出现磨损的问题，且避免了传统可倾瓦轴承因轴热膨胀而导致轴瓦和转轴之间的磨损，提高了轴承的稳定性和可靠性。每个轴瓦都通过柔性支承结构与轴承体相连，当轴瓦受到径向力时，轴瓦会压迫支承梁，从而使轴瓦径向移动。

轴承工作时，在启动与停止阶段，转子的转速小，通过压电振子2产生振动使轴瓦3表面和转子表面产生压力气体薄膜，达到转子的低摩擦转动。轴承正常工作时，会在每个轴瓦3和转子的配合面形成楔形气膜，大大提高了轴承的寿命，以及降低了能源消耗。同时，轴承体1上的轴瓦3会在气膜压力的作用下发生转动和径向移动，柔性可倾轴瓦结构会产生变形，为轴承提供弹性支承。如果转子的位置偏移过大，通过控制压电振子2的振动，从而使转子回复到稳定位置，达到精确控制转子位置。

实施例二

如图4所示，本实施例中轴承的工作原理大体与实施例一相同，不同之处在于:实施例一中的柔性可倾轴瓦结构中的柔性支承结构刚度较大，由于压电振子2以超过声波的频率振动，这种结构容易减小超声波的振幅。实施例二中，柔性可倾轴瓦结构中设置有弹性铰链孔6，这种结构挠度较实施例一有所增大，在压电振子2高频率的振动下使振幅减少较低，提高了轴承的悬浮力。

所述轴承体1结构在保留超声波气体动压轴承结构的同时，解决了柔性可倾轴瓦结构中柔性支承结构4在压电振子2高频率振动时容易出现振幅变小的问题，提高了轴承的悬浮力，进一步提高了轴承的稳定性。

除了以上提出的实例，轴承体和压电振子可以有不同的安装和固定方法，轴瓦的具体形状参数可根据不同情况进行设计，轴瓦的个数及分布情况也可根据不同情况设计，压电振子的工作频率、振幅、具体参数形状及分布情况可根据不同情况设计。以上所举实例仅为本发明的优选实例，大凡依本发明权利要求及发明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明专利覆盖的范围。

Claims (8)

1.一种超声波气体动压轴承，其特征在于：主要包括轴承体(1)、压电振子(2)和柔性可倾瓦结构，所述轴承体(1)均匀设置有凹槽(5)，所述柔性可倾瓦结构主要由轴瓦(3)和柔性支承结构(4)组成，所述轴瓦(3)设置于轴承体(1)内侧,所述轴瓦(3)与柔性支承结构(4)相连接，所述柔性支承结构(4)另一端与凹槽(5)相连接，所述压电振子(2)设置于凹槽(5)内的柔性支承结构(4)上，所述轴瓦(3)内表面形成轴承与转轴的配合面。

2.根据权利要求1所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：所述柔性可倾瓦结构和轴承体(1)采用整体式结构。

3.根据权利要求1所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：所述轴瓦(3)与转轴接触的表面设置有镀层。

4.根据权利要求1所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：所述轴瓦(3)在圆周方向上均匀分布。

5.根据权利要求1所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：所述轴瓦(3)可进行小角度的转动。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：所述压电振子(2)焊接在凹槽(5)内的柔性支承结构(4)上。

7.根据权利要求1所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：柔性支承结构(4)上设置有弹性铰链孔(6)。

8.根据权利要求6所述的超声波气体动压轴承，其特征在于：柔性支承结构(4)上设置有弹性铰链孔(6)。