CN111059149B

CN111059149B - 一种基于声波悬浮的能量收集装置及其能量回收方法

Info

Publication number: CN111059149B
Application number: CN201911336877.7A
Authority: CN
Inventors: 龙威; 任璞; 王继尧; 魏先杰; 吴蜜蜜; 宋子璇; 任焘; 刘云; 吴张永; 张晓龙; 魏镜弢; 王庭有; 蔡晓明
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: CN111059149A

Abstract

本发明涉及一种基于声波悬浮的能量收集装置及其能量回收方法，属于超精密制造领域。本发明包括：主体装置、供气系统、传感系统、辅助支承系统，经过供气系统净化过滤的气体供入主体部分的气浮轴承内，实现主体部分的悬浮；水平支架限制悬浮系统的水平方向的位移；检测系统中的传感器粘接在气浮轴承上表面，通过LMS检测系统与计算机相联接。本发明集气浮支承与声波悬浮于一体，通过变幅杆收集并放大气浮轴承工作时的高频振动，为声波悬浮提供悬浮时所需的高频振动能量，不仅不会破坏气浮轴承的工作，而且回收并重新利用气浮轴承工作时不可避免浪费掉的振动能量，达到能量回收的目的。

Description

一种基于声波悬浮的能量收集装置及其能量回收方法

技术领域

本发明涉及一种基于声波悬浮的能量收集装置及其能量回收方法，属于精密制造领域。

背景技术

声波的本质也是一种振动。声波悬浮是一种利用高频振动产生辐射压力，在辐射端面与悬浮物之间形成挤压气膜来实现悬浮的一项技术。声波悬浮的特点是悬浮物与辐射端面依靠气膜承载无接触，所以无磨损，也无需供气系统和润滑。此外声波悬浮的气膜厚度达到微米级，轴承精度高。声波悬浮的悬浮力与气膜厚度可以通过调节压电振子的振动频率、振幅来调控；还可以通过改变变幅杆的参数来调节振幅放大倍数进而调节悬浮力的大小。

普通的声波悬浮装置是利用压电振子的压电效应将电能转换成高频振动，在辐射端面与悬浮物之间形成挤压气膜提供悬浮支承。气浮轴承的振动也是一种能量，在单纯的气浮支承中，振动的能量只会白白消耗。而声波悬浮也需要借助压电振子来产生振动，需要激励振源。

本发明由以下两个基金资助：①国家自然科学基金项目《空气静压轴承非线性微振动形成机理和耦合特性研究》（51766006）； ②清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金重点资助项目《稀微尺度下平板间润滑微摩擦特性的测试》（SKLTKF16B02）。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于声波悬浮的能量收集装置及其能量回收方法，来实现回收再利用气浮轴承工作时不可避免产生的高频振动，用来提供声波悬浮所需的高频振动，解决气浮轴承的能量浪费问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于声波悬浮的能量回收装置，包括主体装置、供气系统、传感系统、辅助支承系统；主体装置包括声波悬浮物9，变幅杆10，气浮轴承11，大理石平台12；供气系统包括气源1，截止阀2，过滤器3，除油器4，分水过滤器5，气罐6，溢流阀7，减压阀8；传感系统包括PCB加速传感器13、计算机15，LMS动态监测系统16；辅助支承系统包括水平支架14；大理石平台12放置在桌面上；

所述的声波悬浮物9悬浮在变幅杆10上，变幅杆10连接紧固在气浮轴承11上，气浮轴承11悬浮在大理石平台12上；气源1的气体依次经过截止阀2、过滤器3、除油器4、分水过滤器5进入气罐6，气罐6出气口流出的气体经过减压阀8供入气浮轴承11中，气罐6出气口处同时并联溢流阀7，PCB加速传感器13通过数据线与LMS动态监测系统16连接，LMS动态监测系统16通过数据线与计算机15连接，两水平支架14固定在桌面上且位于大理石平台12的两侧，四个水平支架14分别通过弹簧与变幅杆10的四端连接。

优选地，所述的水平支架14通过螺纹连接与桌面进行固定。

优选地，所述的变幅杆10通过螺纹连接紧固在气浮轴承11上。

优选地，所述的PCB加速传感器13粘接在气浮轴承11上表面边缘。

一种所述的基于声波悬浮的能量收集装置的能量回收方法：包括如下步骤：

Step1：未供气时，气浮轴承11静止在大理石平台12的上表面；

Step2：供气时，气源1的气体依次经过截止阀2、过滤器3、除油器4和分水分离器5后进入气罐6之中，气罐6流出的气体经过减压阀8减小压力之后供入气浮轴承11中；

Step3：气体供入气浮轴承11后，在气浮轴承11底面与大理石平台12上表面产生一层气膜，气膜具有刚度，实现气浮轴承11的悬浮；气浮轴承11工作时产生高频振动，变幅杆10传递气浮轴承11工作过程中产生的高频振动，同时放大振动的振幅，在变幅杆上部的辐射端面通过高频振动产生辐射压力，在辐射端面与声波悬浮物9之间形成具有刚度的挤压气膜，实现声波悬浮物9的悬浮；水平支架14通过弹簧与变幅杆10连接，通过限制变幅杆10的水平运动来限制气浮轴承的水平运动；

Step4：PCB加速传感器13通过数据传输线将检测到的气浮轴承11的振动信号传送至LMS动态监测系统16，LMS动态监测系统16再通过数据传输线接通至计算机15中，计算机15处理来自LMS动态监测系统16的信号信息，并将信息数据可视化，实现对气浮轴承11工作时振动频率的监测，当振动频率较低时，通过调节减压阀8增大供气系统的供气压，增加气浮轴承11的振动频率。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以充分回收气浮轴承工作过程中的高频振动，用来提供声波悬浮工作所需的高频振动，达到能量回收再利用的优势。

2、本发明创造性的利用气浮轴承的振动提供声波悬浮的能量来源，不需要附加压电振子来提供高频振动，简化结构，节约成本。

3、本发明不仅可以利用变幅杆来扩大气浮轴承的振幅来提升悬浮力，还可以通过控制减压阀，在合理范围内适当提升供气系统供气压来增加气浮轴承的振动频率，进一步提升声波悬浮的悬浮能力。

4、本发明本发明完全回收利用气浮轴承本身的振动，并没有附加外加激励，也不会破坏气浮轴承本身的工作状态。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明悬浮系统和辅助支承系统俯视图；

图3是本发明变幅杆结构图。

图中各标号为：气源-1，截止阀-2，过滤器-3，除油器-4，分水过滤器-5，气罐-6，溢流阀-7，减压阀-8，声波悬浮物-9，变幅杆-10，气浮轴承-11，大理石平台-12，PCB加速传感器-13，水平支架-14，计算机-15，LMS动态监测系统-16。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-3所示，一种基于声波悬浮的能量收集装置，包括主体装置、供气系统、传感系统、辅助支承系统；主体装置包括声波悬浮物9，变幅杆10，气浮轴承11，大理石平台12；供气系统包括气源1，截止阀2，过滤器3，除油器4，分水过滤器5，气罐6，溢流阀7，减压阀8；传感系统包括PCB加速传感器13、计算机15，LMS动态监测系统16；辅助支承系统包括水平支架14；大理石平台12放置在桌面上；

所述的声波悬浮物9悬浮在变幅杆10上，变幅杆10连接紧固在气浮轴承11上，气浮轴承11悬浮在大理石平台12上；气源1的气体依次经过截止阀2、过滤器3、除油器4、分水过滤器5进入气罐6，气罐6出气口流出的气体经过减压阀8供入气浮轴承11中，气罐6出气口处同时并联溢流阀7，PCB加速传感器13通过数据线与LMS动态监测系统16连接，LMS动态监测系统16通过数据线与计算机15连接，两水平支架14固定在桌面上且位于大理石平台12的两侧，两水平支架14分别通过弹簧与变幅杆10的两端连接。

进一步地，所述的水平支架14通过螺纹连接与桌面进行固定，所述的变幅杆10通过螺纹连接紧固在气浮轴承11上，结构简单，安装方便。

进一步地，所述的PCB加速传感器13粘接在气浮轴承11上表面边缘。

Step1：未供气时，气浮轴承11静止在大理石平台12的上表面；

Step2：供气时，气源1的气体依次经过截止阀2、过滤器3、除油器4和分水分离器5分别除去气体中的杂质，油污和水，之后进入气罐6之中，气罐6存储气体并且起到缓冲的作用，气罐6中的压力较高，气罐6流出的气体经过减压阀8减小压力之后供入气浮轴承11中；减压阀8还可以使气路中的压力保持恒定，同时，在气罐6的出口减压阀8处并联一个溢流阀7来实现稳压、调压、限压的作用；

Step3：气体供入气浮轴承11后，在气浮轴承11底面与大理石平台12上表面产生一层气膜，气膜具有一定的刚度，可以实现气浮轴承11的悬浮；但是气浮轴11工作时会因为自身的工作特性（气旋和系统自身供气回路发生的振动）产生高频振动，变幅10通过螺纹连接固定在气浮轴承11上表面，不仅可以传递气浮轴承11工作过程中产生的高频振动，还可以放大振动的振幅，在变幅杆10上部的辐射端面通过高频振动产生辐射压力，在辐射端面与声波悬浮物9之间形成具有一定刚度的挤压气膜，实现声波悬浮物9的悬浮；此外，还可以通过调节减压阀8在合理范围内适当提升供气系统进入气浮轴承11的供气压力来增加气浮轴承11的振动频率，进一步提升声波悬浮的承载力。水平支架14通过弹簧与变幅杆10连接，通过限制变幅杆10的水平运动来限制气浮轴承的水平运动，保证整个悬浮系统在水平方向的稳定性；

Step4：PCB加速传感器13通过数据传输线将检测到的气浮轴承11的振动信号传送至LMS动态监测系统16，LMS动态监测系统16再通过数据传输线接通至计算机15中，计算机15可以处理来自LMS动态监测系统16的信号信息，并将信息数据可视化，进而实现对气浮轴承11工作时振动频率的监测，当振动频率较低时，可以在不破坏气浮轴承11正常工作的情况下，通过调节减压阀8增大供气系统的供气压，增加气浮轴承11的振动频率。

本发明不同与传统的声波悬浮，本发明集气浮支承与声波悬浮于一体，通过变幅杆收集并放大气浮轴承工作时的高频振动，为声波悬浮提供悬浮时所需的高频振动能量。声波悬浮在振动频率在7000HZ--10000HZ时可以产生较大的悬浮能力，通常气浮轴承的振动频率在10000HZ左右，气浮轴承的振动频率完全满足声悬浮所需的振动频率，此外还可以通过变幅杆放大振幅进一步提升声波悬浮的悬浮能力。声波悬浮不仅不会破坏气浮轴承的正常工作状态，而且回收并重新利用气浮轴承工作时不可避免浪费掉的振动能量，达到能量回收的目的。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种基于声波悬浮的能量收集装置，其特征在于：包括主体装置、供气系统、传感系统、辅助支承系统；主体装置包括声波悬浮物（9），变幅杆（10），气浮轴承（11），大理石平台（12）；供气系统包括气源（1），截止阀（2），过滤器（3），除油器（4），分水过滤器（5），气罐（6），溢流阀（7），减压阀（8）；传感系统包括PCB加速传感器（13）、计算机（15），LMS动态监测系统（16）；辅助支承系统包括水平支架（14）；大理石平台（12）放置在桌面上；

所述的声波悬浮物（9）悬浮在变幅杆（10）上，变幅杆（10）通过螺纹连接紧固在气浮轴承（11）上，气浮轴承（11）悬浮在大理石平台（12）上；气源（1）的气体依次经过截止阀（2）、过滤器（3）、除油器（4）、分水过滤器（5）进入气罐（6），气罐（6）出气口流出的气体经过减压阀（8）供入气浮轴承（11）中，气罐（6）出气口处同时并联溢流阀（7），PCB加速传感器（13）通过数据线与LMS动态监测系统（16）连接，LMS动态监测系统（16）通过数据线与计算机（15）连接，两水平支架（14）固定在桌面上且位于大理石平台（12）的四侧，两水平支架（14）分别通过弹簧与变幅杆（10）的四周连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声波悬浮的能量收集装置，其特征在于：所述的水平支架（14）通过螺纹连接与桌面进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于声波悬浮的能量收集装置，其特征在于：所述的变幅杆（10）通过螺纹连接紧固在气浮轴承（11）上。

4.根据权利要求1所述的一种基于声波悬浮的能量收集装置，其特征在于：所述的PCB加速传感器（13）粘接在气浮轴承11上表面边缘。

5.一种权利要求1-4任一项所述的基于声波悬浮的能量收集装置的能量回收方法：其特征在于：包括如下步骤：

Step1：未供气时，气浮轴承（11）静止在大理石平台（12）的上表面；

Step2：供气时，气源（1）的气体依次经过截止阀（2）、过滤器（3）、除油器（4）和分水过滤器（5）后进入气罐（6）之中，气罐（6）流出的气体经过减压阀（8）减小压力之后供入气浮轴承（11）中；

Step3：气体供入气浮轴承（11）后，在气浮轴承（11）底面与大理石平台（12）上表面产生一层气膜，气膜具有一定刚度，实现气浮轴承（11）的悬浮；气浮轴承（11）工作时产生高频振动，变幅杆（10）传递气浮轴承（11）工作过程中产生的高频振动，同时放大振动的振幅，在变幅杆（10）上部的辐射端面通过高频振动产生辐射压力，在辐射端面与声波悬浮物（9）之间形成具有刚度的挤压气膜，实现声波悬浮物（9）的悬浮；水平支架（14）通过弹簧与变幅杆（10）连接，通过限制变幅杆（10）的水平运动来限制气浮轴承的水平运动；

Step4：PCB加速传感器（13）通过数据传输线将检测到的气浮轴承（11）的振动信号传送至LMS动态监测系统（16），LMS动态监测系统（16）再通过数据传输线接通至计算机（15）中，计算机（15）处理来自LMS动态监测系统（16）的信号信息，并将信息数据可视化，实现对气浮轴承工作时振动频率的监测，当振动频率较低时，通过调节减压阀（8）增大供气系统的供气压，增加气浮轴承（11）的振动频率。