CN107269697B - 一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承 - Google Patents
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Abstract
一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，它涉及一种超声悬浮轴承。现有的超声悬浮轴承无法实现多方向的载荷，灵活性差且旋转精度差。本发明中的转子设置在轴承座的内部，多个压电换能器均匀布置在轴承座的周围，每个压电换能器的变幅杆的一端与后盖板间隙设置且二者之间通过预紧螺栓可拆卸连接，绝缘套管设在变幅杆和后盖板之间的间隙内且其套装在预紧螺栓上，多个压电陶瓷片和多个铜电极片依次交替套装在绝缘套管上，辐射头设在轴承座的内部，变幅杆的另一端穿过轴承座与辐射头的一端固接制为一体，辐射头的另一端与转子间隙配合。本发明用于高速高精密机床、航空航天发动机、微型燃气轮机等先进动力机械设备以及超小量程测量系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声悬浮轴承，属于机械加工技术领域。
背景技术
高速高精密机床、航空航天发动机、微型燃气轮机等先进动力机械设备以及超小量程测量系统的研发对轴承性能提出了更高的要求，比如高速性能、精度、可靠性、寿命、低摩擦、低噪声、低维护成本等，传统轴承系统已很难满足要求。探索和开发高精度、低摩擦的新型非接触式轴承成为轴承研究的一个重要课题。基于超声波近场悬浮的非接触式轴承利用声学非线性效应产生的声辐射力实现对载荷的支承。相比传统轴承，超声悬浮轴承无磨损，无需供气装置和润滑，控制系统简单，启动和低速阶段具有相同承载能力，对中性和稳定性好。超声悬浮轴承以粘度低的空气作为介质，无污染，高低速运转时摩擦力极小，可极大提高轴承系统的极限转速。超声悬浮轴承的气膜厚度小，可达微米级，轴承精度高。同时轴承气膜厚度可通过改变声辐射面的振动进行调节，具有一定的灵活性。作为非接触轴承的一种有力补充，超声悬浮空气轴承的研究可扩宽轴承的应用领域，为轴承使用者提供更多的选择。
2017年4月，北京航空航天大学学报，第43卷第4期，第769-774页，由李贺、全齐全、滑宇翔、邓宗全发表的“一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承”。其所公开的超声悬浮轴承利用了辐射端沟槽结构将压电换能器产生的单向纵振转换为径向和轴向的双向振动。振动产生的气体挤压膜可实现对轴颈的径向和轴向支承。相比其他超声悬浮轴承结构，该超声轴承仅需一个压电换能器驱动即可实现对径向和轴向载荷的支承，结构更为简单紧凑。但是经过后续的大量实验和有限元分析，认为该轴承如果仅使用一个压电换能器驱动对径向和轴向载荷的支承时，由于径向悬浮承载力与轴承间隙大小的负相关关系，在轴承径向方向上，由于转子的轴心易偏离轴承中心，从而影响了轴承旋转精度。
综上所述，现有的超声悬浮轴承在轴承径向方向上，由于转子的轴心易偏离轴承中心，从而影响轴承旋转精度的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，以解决现有的超声悬浮轴承在轴承径向方向上，由于转子的轴心易偏离轴承中心，从而影响轴承旋转精度的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，它包括轴承座、转子和多个压电换能器，转子设置在轴承座的内部，多个压电换能器均匀布置在轴承座的周围；
每个压电换能器包括辐射头、变幅杆、后盖板、预紧螺栓、绝缘套管、多个压电陶瓷片和多个铜电极片，变幅杆的一端与后盖板间隙设置且二者之间通过预紧螺栓可拆卸连接，绝缘套管设置在变幅杆和后盖板之间的间隙内且其套装在预紧螺栓上，多个压电陶瓷片和多个铜电极片依次交替套装在绝缘套管上，辐射头设置在轴承座的内部，变幅杆的另一端穿过轴承座与辐射头的一端固定连接制为一体，辐射头的另一端与转子间隙配合。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明结构设计科学合理，由压电换能器作为唯一的动力来源，充分利用辐射头内部截面尺寸的变化，改变辐射体内声波传递路径。压电换能器产生的纵波会在辐射头内被分解为两个方向的振动，继而产生两个方向的悬浮力，从而有效增强本发明的灵活性，能够承受多方向的载荷，具有轴承径向方向的自动调心能力，控制过程简单且灵活。本发明的工作介质为空气，使用过程安全可靠，无污染，适于普遍推广使用。
2、本发明通过样品的多次试验可知，本发明在轴承工作在超声频范围，噪音小，声音强度低于20分贝。
3、本发明通过样品多次试验可知，本发明在高速运行状态下的旋转精度能够达微米级。
4、本发明通过样品多次试验可知，本发明的摩擦力小，本发明的转速为20000r/min内的最大摩擦转矩仅为100μNm左右。
附图说明
图1是本发明的第一主视结构示意图；
图2是本发明的第二主视结构示意图；
图3是本发明的立体结构示意图；
图4是压电换能器2的立体结构示意图；
图5是压电换能器2的主视结构示意图；
图6是图5中A-A处的主视结构示意图；
图7是当本发明中设置有三个压电换能器2时，每个压电换能器2的辐射头2-1的立体结构示意图；
图8是辐射头2-1的受振动时其C端面、B1和B2面振动位移的第一极限位置的主视结构示意图，图中箭头方向表示辐射头2-1振动面变形位移方向；
图9是辐射头2-1的受振动时其C端面、B1和B2面振动位移的第二极限位置的主视结构示意图，图中箭头方向表示辐射头2-1振动面变形位移方向；
图10是多个压电陶瓷片2-4以叠堆激励方式的布置状态示意图，箭头方向分别表示压电陶瓷片2-4的极化方向；
图11是铜电极片2-5的主视结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式包括轴承座1、转子5和多个压电换能器2，转子5设置在轴承座1的内部，多个压电换能器2均匀布置在轴承座1的周围；
每个压电换能器2包括辐射头2-1、变幅杆2-2、后盖板2-6、预紧螺栓2-7、绝缘套管2-8、多个压电陶瓷片2-4和多个铜电极片2-5，变幅杆2-2的一端与后盖板2-6间隙设置且二者之间通过预紧螺栓2-7可拆卸连接，绝缘套管2-8设置在变幅杆2-2和后盖板2-6之间的间隙内且其套装在预紧螺栓2-7上，多个压电陶瓷片2-4和多个铜电极片2-5依次交替套装在绝缘套管2-8上，辐射头2-1设置在轴承座1的内部，变幅杆2-2的另一端穿过轴承座1与辐射头2-1的一端固定连接制为一体，辐射头2-1的另一端与转子5间隙配合。
本发明中变幅杆2-2、后盖板2-6和预紧螺栓2-7之间相互配合设置能够给多个压电陶瓷片2-4提供一个处于受压下的稳定夹紧环境，使多个压电陶瓷片2-4能够得到有效保护且不易损坏。有效增强其使用寿命和正常的使用性能。
本发明中阶梯型变幅杆2-2、圆环形压电陶瓷片、铜电极片2-5和后盖板2-6经预紧螺栓2-7连接。每个压电换能器2中的压电陶瓷片2-4个数和铜电极片2-5的个数均为四个，四个圆环形压电陶瓷片2-4与四个铜电极片2-5交替叠堆在一起。
本发明中压电陶瓷片2-4的极化方向设置为：相邻两片压电陶瓷片2-4的极化方向相反；多个压电陶瓷片2-4中与变幅杆2-2相贴紧的压电陶瓷片2-4的负极朝上，该压电陶瓷片2-4与变幅杆2-2的下端面接通；多个压电陶瓷片2-4中与后盖板2-6相贴紧的压电陶瓷片2-4的负极朝下，该压电陶瓷片2-4与后盖板2-6上端面接通。当对该压电陶瓷片2-4通电时，压电陶瓷片2-4的正极接交流电正极，压电陶瓷片2-4的负极接交流电负极。
本发明中所述压电换能器2的辐射头2-1的径向承载面为C端面，C端面是在多个压电换能器2与轴承座1装配完成后以镗孔的方式加工。当压电换能器2的个数为三个时，每个压电换能器2的辐射头2-1的轴向承载面分别为B1面和B2面，在辐射头2-1装配完成后需进行抛光处理，以保证三个面的平面度。当本发明中设置三个以上的压电换能器2，激励源的数量相应增加，会增加系统复杂性和控制难度；若设置两个压电换能器2，则其辐射头2-1的包络角将增大，导致C端面法向振幅的一致性变差。超声波在固体弹性介质中传播时，弹性介质中各质点之间存在着相互作用的弹性力。这种弹性力表现为质点之间的相互“牵拉”和“推移”。当固体弹性介质中产生纵波时，介质发生压缩或拉伸，即发生体变。介质的高频体变表现为固体表面的高频机械振动。由于辐射体2-1内部截面尺寸的变化，辐射体2-1内声波传递路径发生改变。压电换能器2产生的纵波会在辐射体2-1内被分解为两个方向的振动，分别为辐射体2-1前端面C的纵振及两侧面B1和B2的弯振。
具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式中变幅杆2-2为阶梯型变幅杆。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2、图3、图4、图5、图6和图10说明本实施方式，本实施方式中压电陶瓷片2-4为PZT-8圆环形压电陶瓷片。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2、图3、图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式中辐射头2-1为矩形块体，辐射头2-1沿其厚度方向分别加工有两个特性孔3，两个特性孔3的结构相同且并列设置，每个特性孔3包括圆孔3-1、水平长孔3-2和竖直长孔3-3，圆孔3-1与水平长孔3-2的一端相连通，水平长孔3-2的另一端与竖直长孔3-3的中部相连通，一个所述特性孔3的竖直长孔3-3靠近另一个所述特性孔3的竖直长孔3-3设置。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图4和图7说明本实施方式，本实施方式中辐射头2-1朝向转子5的一端面为与转子5外形相配合的圆弧端面。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式中变幅杆2-2通过节面法兰2-3与轴承座1可拆卸连接。
本发明中每个压电换能器2中节面法兰2-3与轴承座1用螺栓紧固。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或五相同。
具体实施方式七：结合图1、图2、图3和图10说明本实施方式，本实施方式中压电换能器2的个数为三个。
本发明中当多个压电换能器2的个数为三个时，三个压电换能器2的结构尺寸和装配工艺相同，具有同等输出特性。三个压电换能器2具有相同的工作频率和输出振幅。压电换能器2的工作原理为：当压电换能器2的压电陶瓷片2-4受高频交流电压激励时，可由一个三通道的信号发生器，发出三路高频电压信号，电压信号经由一个三通道的驱动放大器进行振幅放大后，分别输出给三个压电换能器2。压电换能器2接受超声频率的电压信号激励后，在辐射头2-1的辐射面产生声辐射力，从而实现对被承载物体进行悬浮支承。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式六相同。
工作过程：
当压电换能器2的个数为三个时，每个压电换能器2的压电陶瓷片2-4在高频交流电压激励下，工作在d33模式下的压电陶瓷片2-4会产生厚度方向的超声频振动。由于压电陶瓷片2-4形成的叠堆与变幅杆2-2和后盖板2-6通过预紧螺栓2-7压紧为一体，陶瓷产生的振动能量在固体中传播形成驻波。由于变幅杆2-2的聚能作用，变幅杆2-2截面变化处产生振幅放大效果。当弹性振动波传递到辐射头2-1时，由于沟槽结构造成的截面变化，振动能量被分解为径向纵振能量和轴向弯振能量。径向纵振能量产生径向承载力，轴向弯振能量产生轴向承载力。为实现径向辐射面对转子5的整圆周包络，采用周向均布的三个完全相同的压电换能器2对转子5进行悬浮支承。每个压电换能器的包络角接近120度。由于径向悬浮承载力与轴承间隙大小的负相关关系，转子5高速运转时，若转子5轴心偏离轴承中心，偏向一侧的轴承径向承载力变大，而偏离一侧的轴承径向承载力变小。轴承内圈产生的合力使转子5被拉回轴承中心。因此，本发明在径向承载过程中具有自调心功能。轴承轴向承载面由三个压电换能器2的侧面组成，轴承轴向承载力为三个压电换能器2的辐射头2-1单侧轴向承载力的叠加。
Claims (6)
1.一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，它包括轴承座（1）和转子（5），转子（5）设置在轴承座（1）的内部，其特征在于：它还包括三个压电换能器（2），三个压电换能器（2）均匀布置在轴承座（1）的周围；
每个压电换能器（2）包括辐射头（2-1）、变幅杆（2-2）、后盖板（2-6）、预紧螺栓（2-7）、绝缘套管（2-8）、多个压电陶瓷片（2-4）和多个铜电极片（2-5），变幅杆（2-2）的一端与后盖板（2-6）间隙设置且二者之间通过预紧螺栓（2-7）可拆卸连接，绝缘套管（2-8）设置在变幅杆（2-2）和后盖板（2-6）之间的间隙内且其套装在预紧螺栓（2-7）上，多个压电陶瓷片（2-4）和多个铜电极片（2-5）依次交替套装在绝缘套管（2-8）上，辐射头（2-1）设置在轴承座（1）的内部，变幅杆（2-2）的另一端穿过轴承座（1）与辐射头（2-1）的一端固定连接制为一体，辐射头（2-1）的另一端与转子（5）间隙配合，压电换能器（2）的个数为三个。
2.根据权利要求1所述的一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，其特征在于：变幅杆（2-2）为阶梯型变幅杆。
3.根据权利要求2所述的一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，其特征在于：压电陶瓷片（2-4）为PZT-8圆环形压电陶瓷片。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，其特征在于：辐射头（2-1）为矩形块体，辐射头（2-1）沿其厚度方向分别加工有两个特性孔（3），两个特性孔（3）的结构相同且并列设置，每个特性孔（3）包括圆孔（3-1）、水平长孔（3-2）和竖直长孔（3-3），圆孔（3-1）与水平长孔（3-2）的一端相连通，水平长孔（3-2）的另一端与竖直长孔（3-3）的中部相连通，一个所述特性孔（3）的竖直长孔（3-3）靠近另一个所述特性孔（3）的竖直长孔（3-3）设置。
5.根据权利要求4所述的一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，其特征在于：辐射头（2-1）朝向转子（5）的一端面为与转子（5）外形相配合的圆弧端面。
6.根据权利要求1或5所述的一种能够同时承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承，其特征在于：变幅杆（2-2）通过节面法兰（2-3）与轴承座（1）可拆卸连接。
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