CN104675859B - 一种超声波曲线槽推力空气轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波刻槽推力空气轴承，包括转子、换能器、压电陶瓷片、推力盘、转动盘、电源、PID控制系统和位移传感器，所述压电陶瓷片设置有压电陶瓷片正极和压电陶瓷片负极，所述压电陶瓷片正极与电源正极相连接，所述压电陶瓷片负极与电源负极相连接，所述电源与PID控制系统相连接，所述PID控制系统与位移传感器相连接，所述压电陶瓷片粘贴在换能器的下端面中部，所述推力盘与换能器通过螺栓紧固连接。本发明结合气体动压轴承和超声波轴承结构的优点，在一定程度实现了挤压效应与动压效应的结合，实时调节的超声波轴承挤压效应，显著改善了气膜的弹性力与阻尼力，提高轴承的承载能力和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及空气轴承的悬浮，润滑技术及PID反馈调节领域，具体涉及一种超声波曲线槽推力空气轴承。
背景技术
动压空气轴承的原理是具有一定粘度的空气被高速旋转的轴颈带入到收敛空间,在其与轴颈的工作表面间形成了动压气膜,使得两工作面相互分离。动压空气轴承具有摩擦功耗低,承载力大,运转平稳和可靠性高等优点。动压推力轴承是动压气体轴承的一种,为了进一步提高动压效果,通常会沿滑动速度方向,在其工作表面上加工出一些收敛的不等高槽或台阶结构,利用这些结构产生更强的动压效应。在高速运转条件下,与其它类型推力轴承相比,螺旋槽气体推力轴承具有泄漏量少、摩擦力小和可靠性高等优点。
超声波轴承是利用超声波悬浮技术使得转子与轴承之间形成压力空气薄膜，使得在完全静止的状态下，也能建立起承载气膜，保证在启动阶段摩擦副两表面也没有直接接触。超声波悬浮的原理是利用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。
当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，即PID控制。
空气轴承经过几十年的发展，其类型多样且性能也有了很大的改善，但是大多数轴承还未将挤压效应与动压效应很好的结合。因此，如何改善轴承结构，很好的运用PID技术实现动挤压优点的结合以提高轴承性能就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技术问题，而提供一种实现挤压效应与动压效应很好的结合，显著改善气膜的弹性力与阻尼力，提高轴承的承载能力和稳定性的超声波刻槽推力空气轴承。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超声波曲线槽推力空气轴承，包括转子、换能器、压电陶瓷片、推力盘、转动盘、电源、PID控制系统和位移传感器，所述压电陶瓷片设置有压电陶瓷片正极和压电陶瓷片负极，所述压电陶瓷片正极与电源正极相连接，所述压电陶瓷片负极与电源负极相连接，所述电源与PID控制系统相连接，所述PID控制系统与位移传感器相连接，所述压电陶瓷片粘贴在换能器的下端面中部，所述推力盘与换能器通过螺栓紧固连接。
所述转动盘前后两表面均设置有曲线槽，所述曲线槽为螺旋槽或人字槽，所述转动盘上的曲线槽具有提高承载能力的作用，可实现更强的动压效应。
所述推力盘设置有曲线槽，所述曲线槽为螺旋槽或人字槽，所述推力盘具有安装，保护和支撑的作用。
所述压电陶瓷片产生振动激振，是挤压薄膜产生的原因，所述压电陶瓷片通过正弦交流电压激励产生一定频率的简谐振动，带动推力轴承表面产生同样的振动。
所述PID控制系统具有实时调节挤压特性的作用，可实现更好的挤压效应。
本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：
本发明提出的方案结合了PID的超声波轴承和气体动压轴承结构，同时在气体动压轴承基础之上增加了曲线槽结构。本发明通过改进空气推力轴承的结构，将压电陶瓷片与推力盘连接，这样结构紧凑并且在不需要外部气泵系统的情况下启停时避免因直接接触而产生轴承磨损；采用PID技术，当推力盘与转动盘间的挤压气膜厚度不符合使用者要求时，PID控制系统会将补偿信号传递给电源，通过改变电源的输出功率来进一步调节气膜厚度；采用推力盘曲线槽形式，这样提高了轴承的动压特性进而提高其承载能力。轴承正常工作时，会在推力盘和转子配合面形成气膜，大大提高了轴承的运行稳定性。
与现有的空气推力轴承相比，本发明结合气体动压轴承和超声波轴承结构的优点，在一定程度实现了挤压效应与动压效应的结合。采用PID技术，实时调节的超声波轴承挤压效应。采用刻有曲线槽的结构加强了动压特性，显著改善了气膜的弹性力与阻尼力，提高轴承的承载能力和稳定性。
附图说明
图1为本发明的整体结构正视图；
图2为本发明轴承结构示意图；
图3为本发明轴承结构剖视图；
图4为本发明螺旋槽结构示意图；
图5为本发明人字槽结构示意图；
图6为本发明PID控制系统流线图。
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。
如图1所示，一种超声波曲线槽推力空气轴承，包括转子1、换能器2、压电陶瓷片、推力盘5、转动盘6、电源7、PID控制系统8和位移传感器9，所述压电陶瓷片设置有压电陶瓷片正极3和压电陶瓷片负极4，所述压电陶瓷片正极3与电源7正极相连接，所述压电陶瓷片负极4与电源7负极相连接，所述电源7与PID控制系统8相连接，所述PID控制系统8与位移传感器9相连接，所述压电陶瓷片粘贴在换能器2的下端面中部，所述推力盘5与换能器2通过螺栓紧固连接，所述转动盘6前后两表面均设置有曲线槽，所述曲线槽为螺旋槽或人字槽。
所述推力盘5设置有曲线槽，所述曲线槽为螺旋槽或人字槽。
本发明在实用过程中，推力盘5便会沿着换能器2运动方向产生纵向振动。当转子1未起转时，先给压电陶瓷片通正弦交流电，推力盘5与转盘6两板间隙内的气体在压电陶瓷片简谐运动作用下收到反复挤压，于是压电陶瓷片的机械能便转化为膜内气体的挤压能，并传递给了转动盘6，对其产生支撑外载荷能力。其中换能器2下端面充当作了通过挤压效应而引起板间气体压强梯度的激振源。这一过程相当于静压轴承的工作原理，优点在于不需要外接的一整套气泵系统就可以保证转子在启停及速度近似为零的情况下不会与安装表面产生干摩擦损坏轴承。
空气轴承的转动盘6具有前后两个表面，两个表面都在推力盘5相对面上刻有若干曲线槽，曲线槽的具体形状包括螺旋槽或人字槽，如图4、图5所示。为了获得较好的动压效果，在工作面上加工一些具有特殊形状的槽，相邻螺旋形区域之间具有一定间隙，该间隙能够保证在旋转过程中将周围环境的气体吸入到轴承空间，在这一过程中产生阻抗力。当动压气膜合力与外界作用力相互平衡时，轴承处于稳定状态，在其轴颈的作用表面内就形成了动压气膜，使得两个工作面相互分离。在高速运转条件下，推力空气轴承相比于其他类型的推力轴承，具有更高的承载能力和较小的摩擦力。
如图6所示，当推力盘5与转动盘6间距变小甚至达不到悬浮效果时，位移传感器9检测到的位移信号会转换为PID控制系统8可接收的信号，通过测量被控变量的实际值，与期望值相比较，产生补偿信号并传输给驱动信号即电源7，电源7再通过改变功率增大压电陶瓷片的伸缩程度来拉大转动盘6与推力盘5的间距，整个过程通过PID控制系统8的反馈使得挤压效应得到很好的改善。
优选地，换能器2采用螺栓紧固型压电换能器，这种结构具有承载能力大，频率高，位移量大以及能够产生强超声波辐射的特点。
优选地，在推力轴承转动盘6的表面均依次以一定间隔均匀地开螺旋槽。由于螺旋槽式推力轴承的转动盘双面都能起作用，因此可以承受沿轴向双向的轴推力。
本发明通过改进推力轴承结构使得在高速旋转状态下承载能力提高，并在此基础上耦合超声波轴承的悬浮技术及PID控制系统用来实时改动挤压气膜厚度以达到轴承支撑的最好效果并使得转子在启停及速度近似为零的情况下不会与安装表面产生干摩擦损坏轴承。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种超声波曲线槽推力空气轴承，其特征在于:包括转子(1)、换能器(2)、压电陶瓷片、推力盘(5)、转动盘(6)、电源(7)、PID控制系统(8)和位移传感器(9)，所述压电陶瓷片设置有压电陶瓷片正极(3)和压电陶瓷片负极(4)，所述压电陶瓷片正极(3)与电源(7)正极相连接，所述压电陶瓷片负极(4)与电源(7)负极相连接，所述电源(7)与PID控制系统(8)相连接，所述PID控制系统(8)与位移传感器(9)相连接，所述压电陶瓷片粘贴在换能器(2)的下端面中部，所述推力盘(5)与换能器(2)通过螺栓紧固连接。
2.根据权利要求1所述的超声波曲线槽推力空气轴承，其特征在于:所述转动盘(6)前后两表面均设置有曲线槽。
3.根据权利要求2所述的超声波曲线槽推力空气轴承，其特征在于:所述曲线槽为螺旋槽或人字槽。
4.根据权利要求2所述的超声波曲线槽推力空气轴承，其特征在于:所述推力盘(5)设置有曲线槽。
5.根据权利要求4所述的超声波曲线槽推力空气轴承，其特征在于:所述曲线槽为螺旋槽或人字槽。
6.根据权利要求1所述的超声波曲线槽推力空气轴承，其特征在于:所述换能器(2)采用螺栓紧固型压电换能器。
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