CN109812504B - 能自适应调节超声悬浮力的推力轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承。前后端盖的环形端面上均开设有至少两道圆周通孔组，每道圆周通孔组是由沿同一圆周间隔均布的多个通孔构成，前后端盖上内外道圆周通孔组的各个通孔沿周向交错布置，前后端盖上的所有各道圆周通孔组所在圆周的径向尺寸均不同且从中心向外尺寸均匀递增，前端盖圆周通孔组所在圆周和后端盖圆周通孔组所在圆周从中心向外交替布置，每个通孔内装有压电换能器。本发明使得前端盖与后端盖之间形成挤压空气膜以及近场声悬浮声场，减少摩擦磨损，提高轴承使用寿命，提高推力轴承运行的稳定性。

Description

能自适应调节超声悬浮力的推力轴承

技术领域

本发明涉及一种推力轴承，尤其是一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承。

背景技术

普通推力轴承的轴端与轴底面之间通常使用油润滑，具有较好的润滑效果和承载能力。这种轴承虽然构造简单、制造方便、承载能力高、抗震性好、但是容易产生磨损，最终导致轴承失效、同时大量摩擦热也会对润滑油粘度产生影响，并且不适用于清洁场合，不适用与超高速工况。

发明内容

为了解决背景技术中磨损失效、发热量大的问题，本发明的目的在于提供一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，在轴承前后端面上加工有均匀分布的通孔，通孔内安装超声致动器，压电换能器变幅杆使用软材料。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括压电换能器、前端盖、后端盖和轴颈；前端盖和后端盖开有中心通孔，轴颈同轴位于中心通孔中，前端盖和后端盖均绕轴颈自由旋转；前端盖和后端盖的环形端面上均开设有至少两道圆周通孔组，每道圆周通孔组是由沿同一圆周间隔均布的多个通孔构成，前端盖/后端盖上内外道圆周通孔组的各个通孔沿周向交错布置，前端盖和后端盖上的所有各道圆周通孔组所在圆周的径向尺寸均不同且从中心向外尺寸均匀递增，前端盖圆周通孔组所在圆周和后端盖圆周通孔组所在圆周从中心向外交替布置，每个通孔内装有压电换能器，前端盖中所安装的压电换能器末端朝向后端盖布置，后端盖中所安装的压电换能器末端朝向前端盖布置。上述所在圆周均为圆周通孔组多个通孔间隔均布的圆周投影到垂直于轴颈轴向所在平面上的圆周。

所述的压电换能器包括变幅杆、后盖和压电陶瓷；后盖固定于前端盖/后端盖通孔朝向外侧的一端内，变幅杆尾端经压电陶瓷和后盖固接，变幅杆前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆前端作为压电换能器末端，变幅杆采用软耐磨材料制成。

所述的雪花形凹槽由三条条形通槽以等间隔旋转角度中央交叉布置而成，开设在变幅杆前端端面中心。

所述的后盖尾端设有外凸缘，后盖的外凸缘通过螺栓固定于前端盖/后端盖通孔朝向外侧的孔端面上，变幅杆尾端和压电陶瓷的一端固接，压电陶瓷的另一端和后盖前端固接。

所述的变幅杆采用软耐磨材料，所述的软耐磨材料为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料。

前端盖和后端盖中，相邻两道圆周通孔组所在圆周之间的径向尺寸相等。

每道圆周通孔组上的通孔尺寸相等、形状相同。

所述的前端盖和后端盖相靠近的两个环形端面之间的距离小于1mm。

本发明轴承结构能形成有效的近场声悬浮，具备强度足够的声场、悬浮物体与超声悬浮装置的间距足够小。形成的近场声悬浮能很好地减少径向轴承间的摩擦，提高轴承寿命，提高轴承极限转速。

在本发明的近场声悬浮压力下，通过减小轴颈与轴瓦之间的间隙，提高声波角速度，能有效增强近场声悬浮压力，提高声悬浮轴承的承载能力。

式中，p_ra—表示轴颈受到的压力，γ—比热容，空气取1.4；a₀—振幅；k—波数；h—声源与轴颈距离；ρ₀—空气密度；ω—声波角速度。

本发明的超声致动端盖采用软耐磨材料且通过简支梁与压电环能器相连接，使用软性材料结合雪花形通槽能充分传导压电片的形变，增强超声波。

本发明具有的有益效果是：

1、超声悬浮。

2、减少发热。

3、污染小。

4、提高轴承极限转速。

5、自适应控制超声悬浮力提高轴承稳定性。

本发明可用于对推力轴承承载能力较低，但对稳定性及极限转速要求较高的场合。例如、微机电系统中的推力轴承。

附图说明

图1是本发明推力轴承装配示意图。

图2是本发明推力轴承剖面结构图。

图3是压电换能器装配图。

图4是压电换能器变幅杆剖面结构图。

图中1、前端盖，2、后端盖，3、轴颈，4、压电换能器，5、后端盖，6、压电陶瓷，7、变幅杆。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明包括压电换能器4、前端盖1、后端盖2和轴颈3；前端盖1和后端盖2开有中心通孔，轴颈3同轴位于中心通孔中，前端盖1和后端盖2均绕轴颈3自由旋转，前端盖1和后端盖2相靠近的两个环形端面之间的距离小于1mm。

如图1和图2所示，具体实施中，前端盖1和后端盖2的环形端面上均开设有内外两道圆周通孔组，每道圆周通孔组是由沿同一圆周间隔均布的多个通孔构成，前端盖1两道圆周通孔组所在圆周和后端盖2两道圆周通孔组所在圆周沿径向交替布置，即前端盖1的外道圆周通孔组所在圆周位于后端盖2内外两道圆周通孔组所在圆周之间，后端盖2的内道圆周通孔组所在圆周位于前端盖1内外两道圆周通孔组所在圆周之间。

前端盖1/后端盖2上的内外道圆周通孔组的各个通孔沿周向交错布置，内圈圆周通孔组上相邻两个压电换能器轴线与端盖轴线形成的圆心夹角为36°，同时外圈圆周通孔组上的压电换能器轴线与端盖轴线形成的圆心夹角为22.5°。

前端盖1和后端盖2中，相邻两道圆周通孔组所在圆周之间的径向尺寸相等，每道圆周通孔组上的通孔尺寸相等、形状相同，前端盖1的内外两道圆周通孔组所在圆周之间的径向尺寸等于后端盖2的内外两道圆周通孔组所在圆周之间的径向尺寸。且相邻连个通孔之间的距离大于压电换能器的最大直径，后端盖上压电换能器排列而成的两道圆形轨迹的直径要分别大于其相对应的前端盖上压电换能器排列而成的两道圆形轨迹，使得前后端盖上压电换能器变幅杆发出超声波信号的反射面为平面。

如图3所示，压电换能器4包括安装在通孔中沿中央向外侧依次布置的变幅杆7、后盖5和压电陶瓷6；后盖5固定于前端盖1/后端盖2通孔朝向外侧的一端内，变幅杆7尾端经压电陶瓷6和后盖5固接，压电陶瓷6直径与变幅杆7后端外圈直径相同，前表面与变幅杆7相连接，后表面与压电换能器后端盖5前表面相连。

如图3所示，变幅杆7前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆7前端作为压电换能器4末端，变幅杆7采用软耐磨材料制成。如图4所示，雪花形凹槽由三条条形通槽以等间隔旋转角度中央交叉布置而成，呈*形，开设在变幅杆7前端端面中心。同时，变幅杆7后端与压电陶瓷相配合，后端开有与雪花形凹槽“雪花瓣”半径相同的圆形凹槽，使得变幅杆7前端形成雪花形薄片，使得变幅杆更易振动，产生更强的超声波信号；

具体实施中，后盖5尾端设有外凸缘，后盖5的外凸缘通过螺栓固定于前端盖1/后端盖2通孔朝向外侧的孔端面上，变幅杆7尾端和压电陶瓷6的一端固接，压电陶瓷6的另一端和后盖5前端固接。

前后端盖与轴颈3相接的表面上表面均覆盖有一层耐磨材料；前后端盖上通孔内表面覆盖有一层绝缘减震材料。具体实施中，变幅杆7为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料，前后端盖1、2基体的材料为铝合金等轻质材料，前后端盖1、2与轴颈表面覆盖的材料为类金刚石。

本发明的工作原理过程是：

陶瓷压电片在交流电控制下产生余弦波，这种余弦波传导到压电换能器变幅杆，使其受迫振动，由于压电换能器端盖具有较小的弹性模量并且具有较好的强度，且表面开有雪花形凹槽，更易沿径向传导震动，在超声致动端盖与轴端之间产生近场声悬浮效应。

同时超声波挤压轴瓦和轴颈之间间隙中的空气，产生动压膜，增大轴承支撑力。通过声悬浮的方式将超声致动端盖悬浮与轴端分离，减少轴端与超声致动端盖间的摩擦，提高了轴承的使用寿命。

由于悬浮物在超声波中所受的悬浮力与悬浮物与声源的距离有关，距离越小作用力越大，当推力轴承前后端盖之间的距离发生微小改变时，前后端盖受到的超声悬浮力会自适应得增大或者缩小以抵消这种改变；例如，当前后端盖受到较大推力，使得前后端盖之间的距离缩小时，前后端盖受到的超声悬浮力会随之增大，从而抵消使前后端盖之间距离缩小的作用力，以实现超声悬浮力的自适应调节。前后端盖之间的压电换能器交错布置，以减小前后端盖之间压电换能器产生的超声波之间的干涉。

由具体实施可见，本发明结构下，在前端盖与后端盖之间形成挤压空气膜以及近场声悬浮声场，减少摩擦磨损，提高轴承使用寿命；周向排列的压电换能器可以根据推力轴承端盖间的受力情况改变超声波频率能自适应保持推力轴承端间的距离，从而提高推力轴承运行的稳定性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：包括压电换能器(4)、前端盖(1)、后端盖(2)和轴颈(3)；前端盖(1)和后端盖(2)开有中心通孔，轴颈(3)同轴位于中心通孔中，前端盖(1)和后端盖(2)均绕轴颈(3)自由旋转；前端盖(1)和后端盖(2)的环形端面上均开设有至少两道圆周通孔组，每道圆周通孔组是由沿同一圆周间隔均布的多个通孔构成，前端盖(1)和后端盖(2)上内外道圆周通孔组的各个通孔沿周向交错布置，前端盖(1)和后端盖(2)上的所有各道圆周通孔组所在圆周的径向尺寸均不同且从中心向外尺寸均匀递增，前端盖(1)圆周通孔组所在圆周和后端盖(2)圆周通孔组所在圆周从中心向外交替布置，每个通孔内装有压电换能器(4)，前端盖(1)中所安装的压电换能器(4)末端朝向后端盖(2)布置，后端盖(2)中所安装的压电换能器(4)末端朝向前端盖(1)布置。

2.根据权利要求1所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：所述的压电换能器(4)包括变幅杆(7)、后盖(5)和压电陶瓷(6)；后盖(5)固定于前端盖(1)或后端盖(2)通孔朝向外侧的一端内，变幅杆(7)尾端经压电陶瓷(6)和后盖(5)固接，变幅杆(7)前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆(7)前端作为压电换能器(4)末端，变幅杆(7)采用软耐磨材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：所述的雪花形凹槽由三条条形通槽以等间隔旋转角度中央交叉布置而成，开设在变幅杆(7)前端端面中心。

4.根据权利要求2所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：所述的后盖(5)尾端设有外凸缘，后盖(5)的外凸缘通过螺栓固定于前端盖(1)或后端盖(2)通孔朝向外侧的孔端面上，变幅杆(7)尾端和压电陶瓷(6)的一端固接，压电陶瓷(6)的另一端和后盖(5)前端固接。

5.根据权利要求2所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：所述的变幅杆(7)采用软耐磨材料，所述的软耐磨材料为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料。

6.根据权利要求1所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：前端盖(1)和后端盖(2)中，相邻两道圆周通孔组所在圆周之间的径向尺寸相等。

7.根据权利要求1所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：每道圆周通孔组上的通孔尺寸相等、形状相同。

8.根据权利要求1所述的一种能自适应调节超声悬浮力的推力轴承，其特征在于：所述的前端盖(1)和后端盖(2)相靠近的两个环形端面之间的距离小于1mm。