锥形超声波悬浮轴承悬浮机理研究

提出了锥形超声波悬浮电动机转子轴承结构,建立了振动平行板气体挤压膜模型,通过有限元分析,确定周期内压力平均值大于零。利用相同理论,对超声波悬浮轴承承载气膜进行分析,通过试验测试不同质量轴承帽的悬浮间隙,并与分析结果进行对比。结果表明:利用超声振动形成承载气膜在压力周期内能够实现对电动机转子的悬浮,悬浮间隙越小,承载刚度越好,转子越稳定。     

压电驱动的超声悬浮精密轴承静动态承载特性

为研究超声悬浮轴承的静、动态承载特性,设计了一种压电陶瓷驱动的全包围结构超声悬浮轴承。分析了气体挤压膜润滑承载机理,在等温隔热条件下,根据牛顿流体的气体动力学理论,建立了描述轴承启动阶段及支撑回转体稳定旋转阶段气膜压力的静、动态雷诺方程。采用有限差分法并利用MATLAB自定义函数的功能,对超声悬浮轴承的静态及动态承载力进行了数值计算。为验证理论计算的正确性,通过轴承样机自悬浮实验验证轴承悬浮特性的理论计算结果,得出在其谐振频率下,相同结构尺寸及悬浮参数的轴承静态承载力理论计算值与测量值之间的误差为8.33%;在挤压数为100,2～5μm合理初始间隙下,动态悬浮力理论计算值与实验测量值相吻合。考虑样机结构特性引起的能量转换误差及实验环境因素影响,误差在合理允许范围之内,验证了理论分析及计算的正确性,对超声悬浮轴承的理论研究及设计具有一定的指导意义。     

基于压电陶瓷的气体挤压膜轴承控制器设计

通过对气体挤压膜轴承的理论分析,获取影响气膜承载能力的参数。基于理论分析设计了挤压膜轴承的控制器,使挤压膜轴承实现稳定悬浮。由位移传感器反馈悬浮高度信号,通过调整激振振幅,实现对悬浮高度的控制,并使其能够稳定地悬浮。实验结果表明所设计增量式PID控制器起浮响应时间短,能够实现对轴承悬浮高度的控制,承载能力增强。     

近场超声悬浮承载能力及影响因素的理论及实验研究

应用流体动力润滑理论分别建立固定悬浮体以及自由悬浮体的超声气体挤压膜气膜压力模型,并对模型进行数值求解,获得超声频振荡气体挤压膜的压力分布及承载能力,在此基础上利用Christensen平均模型讨论了表面粗糙度对承载能力的影响。结果表明：气体挤压膜具有较大的承载能力,且承载能力大小主要取决于挤压运动的振幅和频率,其中,振幅对气体挤压膜承载力影响最为显著,而频率影响次之。低频范围内,频率对承载力的影响较大,而随着频率的升高其影响逐渐趋于平稳。构造适当的表面纹理可以在一定程度上提高气体挤压膜的承载力。研究结果可以为超声悬浮器件或涉及挤压膜问题的微纳器件设计提供参考。     

近场超声悬浮精度理论分析及试验研究

应用流体润滑理论建立自由悬浮体气膜压力分布模型以及悬浮体非线性运动方程,应用非线性数值求解方法对模型进行求解,获得高频激励下气体挤压膜压力分布、承载能力以及悬浮体悬浮状态参数的瞬态响应。以此为基础分析不同状态下悬浮体的悬浮精度,并讨论其影响因素及规律,发现超声挤压膜支承可以达到很高的支承精度,其影响因素主要为激励频率、激励幅值以及悬浮质量等。在此基础上在悬浮试验台上对悬浮精度进行试验研究,发现数值计算结果和试验数据有较大差异,分析认为造成这一差异的主要原因是测试过程中悬浮盘约束困难,激励信号频率不单一、环境干扰、计算模型不够完善等因素,结论可为超声悬浮轴承或微纳米器件悬浮精度设计提供参考。     

基于DSP的气体挤压膜轴承控制器

为了实现对气体挤压膜轴承悬浮高度的控制并提高其悬浮稳定性,通过对气体挤压膜理论的分析,设计出了一种基于数字信号处理器(DSP)的气体挤压膜轴承控制器。利用位移传感器反馈回的位置信号调整激振振幅的大小,实现位置控制,并通过加入锁相环电路实现了频率的自动跟踪,使换能器始终工作在谐振状态。结果表明,气体挤压膜轴承控制器可以实现高精度的悬浮高度的控制,使轴承的工作更加稳定。     

气体挤压膜边界影响分析

气体挤压膜轴承是一种新型的非接触式气体支承方式,该支承方式的支承性能主要由间隙内的气膜压力分布决定,而气膜压力的分布需要通过求解气体雷诺方程得到。边界条件对气体挤压膜的压力分布的求解有着显著影响,因此,确定一个与实际条件接近的边界条件非常必要。通过流体动力分析方法分析两种不同边界区域边界压力的变化,给出了新边界条件下间隙内的压力和速度分布,结果表明新边界条件作用时,间隙内气体与外界环境气体交换时压力与速度的变化是连续的。     

考虑速度滑移的多孔质静压气体轴承静特性

对于多孔质材料内的气体流动,基于Darcy定律建立其理论模型,并建立气膜间隙流场的雷诺方程,考虑速度滑移修正方程;将上述2个区域的压力分布方程进行耦合,通过有限元方法对耦合后的压力分布方程进行离散化,用超松弛迭代求解出气膜内各节点的压力分布,分析速度滑移对多孔质静压气体轴承静特性的影响。结果表明,考虑速度滑移所计算的气膜压力分布变化平稳过渡,没有较大的突变。计算轴承的承载力及刚度,结果显示在气密间隙小于15μm时,随着气膜厚度的增大偏心导致的压差增大使承载力不断增大;且当速度滑移系数小于0.1时,速度滑移对轴承承载力及刚度有较大的影响。     

波箔型径向气体轴承静态特性分析

建立考虑气体可压缩性和箔片变形的波箔型轴承气膜厚度模型,采用有限差分和松驰迭代法耦合求解Reyn olds方程和气膜厚度方程,得到波箔型轴承气膜厚度和气膜压力分布,并分析波箔型动压径向气体轴承结构参数和运行参数对其静态性能的影响.结果表明:波箔型轴承数值分析结果与相关文献试验数据相符度较好,证明该模型的科学性与精确性;对比箔片轴承和传统刚性表面轴承气膜压力和气膜厚度的分布特点,表明箔片轴承具有更高的承载能力;随着偏心率、转速的增大,箔片轴承承载能力增大,偏位角减小;随着转速增大,气膜压力提高,箔片变形增大,最小气膜厚度增大.     

气体挤压膜承载能力的实验研究

设计实验对气体挤压膜的承载能力进行验证与分析,包括激振装置的设计以及对气体挤压膜产生的承载力和悬浮物体高度的测量.通过电阻应变测量方法设计了一种传感器对气膜承载力进行测量,气膜悬浮物体的高度则通过高精度位移传感器进行测量.实验结果表明气体挤压膜具有较大的承载能力,承载能力取决于激振振幅、悬浮盘表面积等.调节激振频率使得压电陶瓷处于谐振状态,并且尽可能的增大激励电压可以提升激振盘的振幅从而最大化气体挤压膜的承载能力.     

环形节流孔径向静压气体轴承的数值仿真

以环形节流孔径向静压气体轴承为研究对象,介绍了静压气体轴承的结构形式和工作原理,对气体润滑理论基础Reynolds方程进行了分析,利用计算流体动力学软件FLUENT对气体轴承的流场进行仿真分析,求解出了轴承气膜的压力分布.在轴承几何参数不变的情况下,分析了承载力与空气质量流量随不同供气压力和偏心率变化关系,并研究了静压气体轴承在高速工作下,动压效应对承载力的影响.     

气体挤压膜轴承的性能分析及其控制器的研究

为了有效克服传统气体轴承的缺点,基于超声激励的气体挤压膜机理,研制了一种新型的气体挤压膜轴承。为了获得关键结构尺寸及相关的控制参数,采用有限元法对压电换能器进行了模态分析和谐响应分析;应用数值解法从理论上证明了轴承的悬浮能力;通过压电换能器的模态实验,确定了其工作频率;同时采用有限元法对所设计的轴承产生的超声波声压进行了分析。在此基础上,设计制作了基于STC单片机的数字控制器硬件电路,编写了不完全微分PID控制程序并在实验台上进行了验证。研究结果表明,该类轴承在超声激励下能够实现悬浮支承。     

波箔片气体动压径向轴承气膜压力分布特点

考虑气体可压缩性及箔片变形等因素建立气膜厚度数学模型,采用Newton-Raphson法和有限差分法耦合求解压力控制Reynolds方程和气膜厚度方程.刚性表面轴承气膜厚度和压力分布的数值计算结果与相关文献基本吻合.在此基础上,对比了刚性表面轴承和波箔片气体动压轴承的主要区别,讨论研究了不同偏心和不同转速下气膜压力的分布特点.该数值分析方法的计算速度快、收敛性好.     

钻削电主轴空气静压径向轴承润滑参数优化

采用有限元方法对钻削电主轴的空气静压径向轴承静特性进行数值仿真分析。首先对电主轴径向支承模型分析,并结合静压气体润滑理论分析,运用有限元方法对雷诺方程进行离散求解。基于此,借助于MATLAB工具平台,编写了气体静压径向轴承静特性数值分析程序,实现了静压气体径向轴承润滑参数的优化设计。通过该软件的计算仿真,以最大刚度为优化目标,最终得到了笔者正在开发的PCB钻削电主轴静压气体轴颈轴承的最优气膜间隙、节流孔直径及供气压力。     

半球面气体轴承稳态承载力分析

以半球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立供气切向角可变的半球面动静压气体轴承润滑分析数学模型。在广义坐标系下对模型进行保角变换和斜坐标变换,结合导数积分法和有限差分法建立气膜稳态压力控制方程的差分表达式后进行求解域网格划分,并编程数值计算稳态气膜厚度和压力分布;利用Simpson公式对气膜周向与径向压力进行积分,得到气体轴承的稳态承载力;在不同偏心率和转速下研究了不同轴承参数(节流孔数和分布、供气压力、供气切向角)对轴承稳态承载力的影响规律。     

非接触式球形转子压电作动器驱动器技术

为了解决非接触式超声电机的近声场驱动问题,提出利用有限差分法求解转子转速的方法.首先,设计出一种新型的非接触式球形转子压电作动器,根据其结构建立数学模型,对定转子之间的挤压膜中气体的控制方程进行简化;然后,利用有限差分法对挤压膜和转子的耦合控制方程进行离散并求解出转子随时间的转速变化曲线和稳定后的压力振型;最后,加工出作动器样机并建立实验系统,得出的实验数据与理论计算数据一致.本研究工作对在非接触式超声电机中如何提高转子转速提供了理论分析的方法和途径.     

球面螺旋槽动静压气体轴承稳态承载力分析

建立半球螺旋槽气体动静压轴承润滑分析数学模型;通过建立广义坐标系并进行保角变换简化数学模型,利用广义斜坐标变换划分求解域球面网格,提高数值计算精度;采用有限差分法对控制方程离散,建立控制方程的差分表达式,并采用VC++6.0编程计算三维微气膜稳态气膜厚度和压力分布;通过对微气膜周向和径向压力积分,求得轴承稳态的承载能力;研究动压和静压的耦合效应,分析螺旋槽结构参数、节流孔的数量对轴承承载力的影响规律。结果表明:随着小孔个数的增加,静压效应显著增加,轴承的承载力明显增加;随着螺旋角、槽深比、槽宽比的增大,轴承的承载力均先增大后减小,表明通过轴承优化设计参数可改善气体的润滑特性,提高承载力。     

带有锥形气腔的平面气浮轴承的流场计算分析

该文采用纯黏性润滑方程和层流N-S方程,对带有锥腔的静压气体润滑轴承内的压力分布作了理论上的研究.通过通流面积和马赫数的计算深入分析了随着气膜厚度的变化,轴承流场内压力的变化及变化机理.通过实验证明,在轴承间隙很小时两种方程求得的压力值与实验结果是一致的.但随着气膜厚度的增加,采用纯黏性润滑方程计算的偏差很大,而采用N-S方程计算的结果与实验结果基本一致.并通过与环面节流的平面轴承的压力对比,表明增大气膜入口处的节流面积, 可以增加轴承的质量流量,提高轴承内的压力,避免较大供气压力和较大膜厚时气膜入口附近压力急剧下降,从而提高轴承承载能力.     

球面螺旋槽动静压气体轴承动态特性分析

以半球螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立球面动静压混合气体轴承的非线性动态润滑计算分析数学模型,采用偏导数法推导出扰动压力控制方程;在广义坐标系下,采用有限差分法对扰动压力控制方程离散化,推导出扰动压力的差分表达式;推导出半球螺旋槽动静压气体轴承刚度和阻尼系数与扰动压力之间的关系表达式;采用VC++6.0编制程序,数值计算出三维微气膜的瞬态扰动压力分布、非线性气膜力及动态刚度系数和动态阻尼系数。研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律,结果表明:随着转速、偏心率及供气压力的增大,气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化。     

基于分形几何理论的微气体轴承承载特性研究

为了研究微机电系统(MEMS)中气体轴承的流动特性,通过综合考虑分形粗糙表面与稀薄气体的耦合效应,推导出引入速度滑移边界的超薄气膜润滑雷诺方程,并使用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了粗糙表面情况下不同参数对气膜压力分布、承载能力的影响,并与光滑表面的数值结果进行对比。结果表明:微尺度条件下,表面粗糙度与气体稀薄的耦合作用对压力的影响不可忽略,同时压力分布呈现一定的随机性;气膜厚度越小,表面粗糙度效应越显著,压力波动也愈强烈;台阶深度对光滑表面气膜压力几乎无影响;轴承间隙越小,转速越大,其承载力的相对变化幅度越显著。