关键词： 超声振动   轴承   气体润滑   磨损  

摘要： 设计了一种超声波径向支承轴承结构。用Helmholtz方程和Neumann边界条件计算了轴承与轴颈接触面的声压,为减少启动阶段轴承与轴颈之间的磨损提供了理论依据。用动态Reynolds方程分析了轴承工作状态下挤压效应和动压润滑所产生气膜的压力,从理论上验证了轴承工作状态下存在气膜润滑。实验测定了超声波轴承的摩擦因数,摩擦因数为深沟球轴承的10%,证实了理论分析的合理性。

关键词： 压电换能器   气体静压润滑   声波辐射   挤压膜效应   气体动压润滑   接触面积   轴承  

摘要： 对轴进行支承的零部件就是轴承,其功用是支承轴及轴上零件使之传递运动或动力。轴承对轴支承过程中的摩擦造成能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移,直接影响着整个轴系的旋转精度及整部机器的性能。 本文对利用压电换能器振子设计了径向超声波轴承结构,从实验数据上说明超声波轴承摩擦系数小于普通球轴承;同时,设计了超声波轴承与球轴承的复合式结构,从视觉上很直观地可以看出,超声波轴承摩擦系数小于普通球轴承。从理论上分析了超声波轴承中的四种减摩因素。具体研究内容如下: 1.超声波的辐射对超声波轴承摩擦系数的影响从最基本的超声波概念入手,系统地阐述关于声强,超声波辐射功率,超声波辐射压等相关知识。当声能密度不大时,可以用线性声学的理论来研究。声压是伴随着介质的压缩与稀疏依次交替,故声压有时是正的,有时是负的。但当声能密度较大时,必须用非线性声学来分析。这时,声场中各点的声压,媒质密度的变化量及质点速度均是非线性的。此时会产生声辐射压力。声辐射压力恒定指向波的传播方向。从亥姆霍兹—基尔霍夫积分定理出发,推导了凹形辐射面换能器所产生的辐射压的表达式,为定量计算辐射压提供了基础。在超声波轴承接触面有一层高于外部气压的气膜,类似于气体轴承的高压气膜。辐射压的存在减少了超声波轴承的摩擦力。将所设计的超声波轴承与气体轴承进行了比较,超声波轴承具有结构简单,性能稳定,便于维护的优点。 2.接触面积及接触时间对摩擦系数的影响从粘着摩擦理论出发,揭示摩擦系数与物体表面间的接触点数目及接触点尺寸,接触时间的关系。用ANSYS分析了所设计的郎之万振子的低频模态,从郎之万振子的振动模态来看,郎之万振子与轴之间的接触在微观上是断续的,即摩擦力时大时小,宏观上的摩擦力大小是微观摩擦力的平均值。在郎之万振子共振时,郎之万振子的振幅最大,轴的腾空时间最长,接触点数目最少。此时,超声波轴承减摩效果最好。 3.挤压膜效应润滑及动压润滑对超声波轴承摩擦系数的影响挤压效应和动压润滑都是由于轴承接触面间的相对运动而产生的润滑。轴与郎之万振子

关键词： 超声波马达(超声电机)   压电驱动器   超声减摩  

摘要： 一个机械系统低速运行时,影响性能的一个重要问题就是摩擦振动的存在。学者们在不断的探寻高效的润滑技术来减小摩擦,实现机械系统的低速平滑运动。超声波马达是上世纪80年代开始发展起来的一种新型驱动器,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激励出定子表面质点的椭圆轨迹振动,依靠摩擦耦合来实现驱动。本文研究新型超声波马达,利用其产生于摩擦界面的椭圆轨迹超声振动引起的润滑效应和摩擦接触行为的改变来减小摩擦力的大小,完成对摩擦力的主动控制,实现机械系统的低速平滑运动。 首先利用赫兹接触理论建立了夹心式换能器和刚性平面的超声动态接触模型。通过对模型进行分析、求解表明,在纵向超声频率动态接触作用下,换能器节面位置产生了上浮,换能器端面与刚性平面的动态真实接触面积比静态时减少了。对该模型的分析很好地解释了纵向超声振动所引起的摩擦系数降低的现象,为提出利用椭圆轨迹超声振动来实现减摩奠定了理论基础。用微位移测试仪实际测试夹心式换能器节面沿纵向上浮的实验证实了该模型的分析结论。 为提高驻波直线超声波马达的输出功率以满足减摩的要求,本文在其基础上提出了一种新型的直线超声波马达。该马达振子由夹心式换能器和加工有齿的金属薄板连接而成。夹心式换能器激励金属薄板产生弯曲模态的振动,从而通过作斜线轨迹振动的齿产生驱动力。文中研究了马达振子的声阻抗匹配问题以实现能量的高效传输,提出了复杂形状夹心式换能器的有限元设计方法。由于采用了机电转换能力较高的夹心式换能器替代压电陶瓷薄片来实现电声能量转换,相比传统驻波直线超声波马达,该马达能实现更高的驱动速度和更大的驱动力。 基于纵向超声动态接触作用产生换能器节面上浮的理论分析,提出了可以实现双向驱动的换能器直线超声波马达。该马达振子由两个互成90o夹角的夹心式换能器构成,依靠倾斜的夹心式换能器驱动头的斜线轨迹振动产生驱动力。利用夹心式换能器振动时产生的上浮效应,该马达可以方便的实现双向驱动。利用有限元软件ANSYS建立了马达的有限元模型,对模型的分析计算表明,畸变的椭圆轨迹振动是马达产生驱动力的根本原因,同时计算结果也证实了超声动态接触作用会使马达产生上浮。在230Vrms电压下,该马达样机的最大测试速度达到947mm/s,最大推力为35N,最大输出功率12W。

关键词： 压电换能器   超声振动   超声减摩   超声悬浮   超声波轴承  

摘要： 轴承是机械设备中的重要零部件,其功用是支撑轴及轴上零件并传递运动和动力。轴承性能优劣直接影响着整个轴系的旋转精度及整部机器的性能。随着现代制造技术的飞速发展,对轴承的性能要求也越来越高。 本文在深入研究压电学、超声学、摩擦学及机械设计学理论并对现有各种轴承性能进行分析基础上,首次提出超声波轴承的概念,此项新技术已经申请国家新技术发明专利。 本文从超声振动悬浮与减摩的基础理论出发,阐述了超声振动悬浮及减摩的机理和以超声振动构造轴承的悬浮支撑的可行性。对形成超声振动悬浮与减摩的关键部件——压电换能器的性能进行了大量的理论分析和实验研究。对换能器的基本振动参数如换能器阻抗,谐振频率等进行测试;通过有限元法分析了换能器的振动模态,选择适合超声振动悬浮与减摩的换能器及振动模态并对换能器进行阻抗匹配计算和试验,最大限度发挥超声换能器的超声功率。自行研制了超声波轴承用压电换能器。测试了超声振动状态下换能器辐射端面与被悬浮零件之间悬浮间隙、悬浮间隙与载荷之间的关系以及与其他构件形成摩擦副时的摩擦系数;总结了影响超声振动悬浮与减摩的因素。在此基础上设计制作了超声波推力轴承,并对所设计超声波推力轴承基本性能进行了实验研究;提出了超声波径向轴承的基本设想。结果表明,超声波轴承有良好的减摩性能和悬浮性能,在工况相同的条件下,其减摩性能优于非液体摩擦滑动轴承和滚动轴承。可见,超声波轴承有着很好的应用前景。

关键词： 轴承   压电换能器   减摩   有限元   悬浮间隙   动摩擦力矩  

摘要： 对轴进行支承的零部件就是轴承,其功用是支撑轴及轴上零件使之传递运动或动力。轴承对轴支承过程中的摩擦造成能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移,直接影响着整个轴系的旋转精度及整部机器的性能。利用超声振动来减小对轴支承中的摩擦是一种全新的设想。本文对利用压电换能器振子进行超声振动悬浮与减摩的机理作了分析,论证了依靠螺栓紧固型压电换能器构造悬浮轴承的可行性。设计制造出超声振动对轴支承结构,并对其进行了相关的实验测试与分析。 具体研究内容如下: 1.超声波悬浮的物理基础从最基本的压电理论入手,系统地阐述关于压电效应、压电陶瓷、压电方程的建立以及压电振子等相关知识。 2.压电换能器的设计制作及性能分析对形成超声振动与减摩的关键部件——压电换能器的性能进行了大量理论分析和实验研究。建立压电换能器的振动方程,根据相应的边界条件确定超声振动对轴支承用压电换能器的尺寸;设计、制作了超声振动对轴支承用压电换能器并对换能器的基本振动参数如换能器阻抗、谐振频率等进行测试;通过实验分析了预应力的大小对振子性能的影响;对超声换能器进行阻抗匹配实验研究。 3.利用有限元软件对压电换能器进行模态分析和谐响应分析用有限元法对三种结构的换能器的振动模态进行分析,确定形成最佳超声振动减摩与悬浮的效果的压电换能器的振动参数;利用有限元分析振子前盖板的长度对振动频率的影响;在模态分析的基础上,对三种结构的振子进行谐响应分析。 4.超声振动对轴支承的结构设计及测试分析设计制造超声振动对轴径向支承机构并对其的基本悬浮与减摩性能进行试验分析,测试了超声振动状态下换能器辐射端面与其他构件形成摩擦副时的悬浮间隙;超声振动对轴径向支承结构支撑端面的动摩擦力矩的测量。

关键词： 超声振动   压电振子   减摩   摩擦系数  

摘要： 以超声减摩的核心构件压电振子为研究对象 ,在测量压电振子参数的基础上通过改变压电振子的工作电压 ,测量压电振子振动时辐射端面与特定的工作表面间的摩擦系数的变化规律 ,通过有限元法计算压电振子的振动模态 ,分析超声振动的减摩机理 ,以便进行适当的结构设计 ,利用超声振动的减摩性能制造出超声波悬浮轴承。研究证明 ,超声振动具有良好的减摩性能 。

关键词： 超声振动   压电振子   悬浮   减摩   超声波推力轴承  

摘要： 在对超声悬浮及减摩理论进行分析和研究的基础上,提出了一种新型的轴承———超声波悬浮轴承,将超声振动用于轴颈的悬浮支承与动压润滑以构造滑动轴承。本文对压电换能器辐射端面与其上被悬浮物体之间的悬浮间隙的测量以及超声波轴承的减摩性能进行了研究,并与普通的滑动轴承和滚动轴承进行了对比。结果表明,超声振动具有悬浮能力,转速一定的条件下幅射端振动幅越大,悬浮间隙越大。超声波轴承减摩性能优于其他轴承。

关键词： 声悬浮效应   超声减摩   摩擦付间   接触时间   预压力   声辐射压力   声辐射压力-悬浮力   超声电机  

摘要： 考虑了大气中的声悬浮效应,建立起摩擦付的动力学模型。用该模型计算了声悬浮对超声振动减摩的影响。并用已有的实验装置,分别在真空和大气条件下检测了声悬浮对摩擦付间相对接触时间的影响。理论和实验均证明当摩擦付间的预压力较小时,声悬浮的影响是不可忽视的。

关键词： 压电换能器   阻抗匹配   阻抗  

摘要： 对超声减摩特性已进行了一些研究,实验结果表明,当超声振动的振幅越大超声振动的减摩性越好。因此,要使减摩效果达到最好,应使压电振子在谐振点附近工作,使其振幅达到最大。该文讨论了压电换能器的各种匹配电路及其匹配关系并进行了相关实验;结果表明,选择合适的匹配方法,能有效提高压电换能器的性能。

关键词： 超声波   轴承   换能器   摩擦系数   超声波悬浮  

摘要： 该文在前人研究的基础上,对超声波悬浮和减摩能力进行深入研究,并探索它们在机械领域中的应用. 该文主要研究内容如下: 1.超声波悬浮和减摩的物理基础从超声波的基本效应和振动分析出发,分析纵向超声振动所具有的悬浮和减摩能力,以及超声波悬浮和减摩形成的条件. 2.超声波悬浮和减摩用压电振子的设计要获得比较理想的悬浮和减摩效果,关键在于压电振子的设计;该文针对振子结构选择、参数确定、模态分析等方面作了详细分析. 3.换能器的阻抗匹配 选择合适的匹配方法和电路,使压电换能器和超声波信号发生器相匹配. 4.超声波悬浮和减摩能力的试验研究该文对换能器的性能进行了详细测试,并对超声波悬浮和减摩能力进行了试验,分析了悬浮和减摩能力的影响因素,并对超声波悬浮和减摩在机械领域中的应用进行了研究.