阅读说明：本技术 一种气浮支撑系统 (Air supporting system ) 是由 李东明 贾颖 胡红英 高天一 吕帅 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种气浮支撑系统,支撑底座上方设有压电陶瓷环,压电陶瓷环上方设有锥形定子,锥形定子上端设有轴转子,锥形定子中间设有节流孔,外壳套装在支撑底座上,外壳内设有轴孔和定位槽,定位槽内放置贴有矩形压电片的棱柱套筒,外壳顶部设有紧固端盖,轴转子穿过轴孔、棱柱套筒和紧固端盖,高压气管穿过底座和外壳分别向锥形定子间隙和棱柱套筒径向间隙通入高压气体,形成高压气膜,根据逆压电效应,压电材料带动棱柱套筒壁和锥形定子高频振动产生超声激励作用于间隙中高压气膜,产生混合悬浮力,通过改变气压和电压参数实现转子轴向和径向可控悬浮。本发明驱动结构简单、无磨损、智能可控。适于某些高精度、无污染领域应用。(The invention discloses an air-flotation supporting system, wherein a piezoelectric ceramic ring is arranged above a supporting base, a conical stator is arranged above the piezoelectric ceramic ring, a shaft rotor is arranged at the upper end of the conical stator, a throttling hole is arranged in the middle of the conical stator, a shell is sleeved on the supporting base, a shaft hole and a positioning groove are arranged in the shell, a prismatic sleeve pasted with a rectangular piezoelectric sheet is placed in the positioning groove, a fastening end cover is arranged at the top of the shell, the shaft rotor passes through the shaft hole, the prismatic sleeve and the fastening end cover, a high-pressure air pipe passes through the base and the shell and respectively introduces high-pressure air to a gap of the conical stator and, according to the inverse piezoelectric effect, the piezoelectric material drives the prismatic sleeve wall and the conical stator to vibrate at high frequency to generate ultrasonic excitation to act on a high-pressure air film in the gap to generate mixed suspension force, and the axial and radial controllable suspension of the rotor is realized by changing air pressure and voltage parameters. The invention has simple driving structure, no abrasion and intelligent controllability. Is suitable for application in certain fields of high precision and no pollution.)

一种气浮支撑系统

技术领域

本发明涉及一种轴承结构。

背景技术

气浮支撑系统也叫气体轴承。用空气作为润滑剂的滑动轴承。正常工作时，轴和轴承表面完全由气膜所隔开，凭借气膜中压力的变化来支承轴和外力负荷。由于空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而气浮轴承可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但这种支撑系统承载能力小、刚度低、稳定性差、容易产生气锤现象等，对工作条件要求严格。

声悬浮现象最早于1866年被发现。这种现象是高强度声波的作用下形成的一种非线性效应。超声波悬浮不受材料限制，根据悬浮工作机理的不同，超声波悬浮主要分为超声波驻波悬浮和近场超声悬浮两种。超声波驻波悬浮能力较差，承载能力小，要求悬浮的物体质量较小。而以空气为介质的近场超声悬浮有独特的优势：对悬浮物体不产生任何附加效果；对悬浮物体没有电磁学性质上的特殊要求；结构简单悬浮力较大。

将气浮支撑和近场超声悬浮相结合，在气浮支撑系统中加入近声场悬浮，可以使气膜压力再分配，改善传统气浮支撑系统单独工作时的气旋和气锤振动现象，提高悬浮刚度，减小气浮装置自身存在的微小低频振动。本发明设计了一种新型气浮支撑系统，在传统气浮支撑系统里加入了压电陶瓷片驱动的近声场的超声波悬浮。通过改变电压参数，控制高压气膜挤压状态，使气浮支撑系统形成可精确控制的悬浮力，从而可以监控主轴悬浮状态。其驱动结构简单、悬浮力大、无磨损、操作灵活、应用范围广。

发明内容

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种气浮支撑系统,其特征在于：外壳内部上方设有凸台，设有轴孔的凸台将外壳内部分为上腔体与下腔体。外壳下端设有翻边；下方设有凸缘的支撑底座上自下而上分别叠装并相互固定有铜电极iii、压电陶瓷环ii、铜电极ii、压电陶瓷环i、铜电极i以及锥形定子。锥形定子上方设有轴转子。轴转子下端为锥形凹面，并与锥形定子的锥形凸面之间相互配合。支撑底座的凸缘与外壳的翻边上均设有通孔并通过螺栓相互紧固。支撑底座的中心设有底座高压气管孔，锥形定子中间设有定子节流孔。底座高压气管孔内设有底部高压气管通入定子节流孔内。上腔体内设有棱柱套筒，该棱柱套筒的外侧相互间隔120°的3个位置均设有棱柱气孔平面。棱柱气孔平面放置于棱柱套筒周向定位槽内。棱柱气孔平面设有棱柱套筒节流孔。棱柱套筒外侧相互间隔120°的3个位置均设有棱柱套筒外平面。棱柱套筒外平面贴有矩形压电陶瓷片。外壳上部外侧设有外壳气管孔，高压气管穿过外壳气管孔通入棱柱套筒节流孔内。外壳顶部设有紧固端盖。轴转子穿过轴孔、棱柱套筒轴孔和紧固端盖。轴转子与棱柱套筒、紧固端盖之间设有径向间隙。该径向间隙范围为0.03mm～0.05mm。最佳配合间隙为0.04mm。外壳上部外侧相互间隔120°均匀分布有压电陶瓷片导线孔而下部设有压电陶瓷环导线孔。棱柱套筒节流孔和定子节流孔设计表压比范围为0.35～0.60，最佳设计表压比0.45，所需要的气源压力为0.20～0.50Mpa，最佳气源压力为0.45Mpa；节流孔直径范围为0.10mm～0.30mm，最佳节流孔直径为0.20mm。外壳与紧固端盖螺纹连接。

由于采用上述技术方案，本发明提供的这种气浮支撑系统，通过一种简单的结构，可以实现对轴转子的可控制、无接触摩擦支撑。通入高压气体悬浮，压电陶瓷高频振动产生的挤压效果可以抑制高压气体的气锤和涡动等不稳定现象，气浮效应和近声场超声悬浮效应混合作用，进一步增大悬浮力，并且通过改变电压参数，控制高压气膜挤压状态和悬浮力，调控轴转子的偏心率、回转精度等悬浮状态，从而可以监控轴转子悬浮状态。其驱动结构简单、无磨损、操作灵活、应用范围广。

附图说明

图1为一种气浮支撑系统的立体图。

图2为一种气浮支撑系统的主视图。

图3为一种气浮支撑系统的俯视图。

图4为图2的A-A截面剖视图。

图5为图4的Ⅰ局部放大视图。

图6为图4的Ⅱ局部放大视图。

图7为图3的B-B截面剖视图。

图8为图3的D-D截面剖视图。

图9为图4的C-C截面剖视图。

图10为外壳结构立体图。

图11外壳结构立体半剖图。

图12为一种气浮支撑系统的内部结构立体图。

图13为棱柱套筒立体结构图。

图14为棱柱套筒正视图。

图15为图14的E-E截面剖视图。

图中：1、支撑底座；2-1、铜电极i；2-2铜电极ii；2-3铜电极iii；3、锥形定子；4、外壳；5、轴孔；6、棱柱套筒周向定位槽；7、棱柱套筒；8、矩形压电陶瓷片；9、紧固端盖；10-1、压电陶瓷环i；10-2、压电陶瓷环ii；11、压电陶瓷片导线孔；12、压电陶瓷环导线孔；13、轴转子；14、螺栓；15、高压气管；16、上腔体；17、外壳气管孔；18、棱柱套筒节流孔；19、底座高压气管孔；20、底部高压气管；21、定子节流孔；22、径向间隙；23、轴向间隙； 24、凸台；25、棱柱气孔平面；26、棱柱套筒外平面；27翻边；28、凸缘；29、下腔体；30、棱柱套筒轴孔。

具体实施方式

从附图可以看出本发明采用压电陶瓷材料制作了径向和轴向的近场超声悬浮结构，通过气浮和近场超声悬浮混合悬浮的方式实现了对转子的径向和轴向无接触稳定支撑。

一种气浮支撑系统,其特征在于：外壳4内部上方设有带轴孔5的凸台24，外壳4的内部被凸台24分为两部分，凸台24上侧为上腔体16，下侧为下腔体 29。外壳4的下端设有翻边27，翻边27下方设有带凸缘28的支撑底座1，翻边27和凸缘28上均设有通孔并通过螺栓14固定联接在一起，上腔体16的内壁设有圆周角度分割相等的棱柱套筒周向定位槽6，棱柱套筒7外侧设有3个棱柱气孔平面25，对应的套筒周向定位槽6数量也为3个，棱柱气孔平面25可以放置于棱柱套筒周向定位槽6内，对棱柱套筒7起周向定位作用。棱柱套筒7 的中间设有容纳轴转子13的棱柱套筒轴孔30，棱柱套筒7外周面上与棱柱气孔平面25交错位置设有棱柱套筒外平面26，矩形压电陶瓷片8使用粘合剂粘接固定于棱柱套筒外平面26上，棱柱套筒节流孔18从棱柱气孔平面25横向贯穿棱柱套筒7至棱柱套筒轴孔30内表面。外壳4上部外侧设有外壳气管孔17，高压气管15穿过外壳气管孔17通入棱柱套筒节流孔18内。设有中心孔的紧固端盖 9靠螺纹连接在外壳4上，棱柱套筒7的顶部和紧固端盖9接触，通过紧固端盖9的挤压将棱柱套筒7固定于凸台24的上表面，并且可以通过调节紧固端盖9 的旋进深度调整紧固力大小。铜电极iii-2-3、压电陶瓷环ii-10-2、铜电极 ii-2-2、压电陶瓷环i-10-1、铜电极i-2-1与上部带有锥形凸面的锥形定子3 自下而上在支撑底座1上使用粘合剂粘接固定。锥形定子3的上部为设有定子节流孔21的锥形凸面，轴转子13的下端设有与锥形定子3的锥形凸面形状相同的锥形凹面，未工作时轴转子13的锥形凹面与锥形定子3的锥形凸面接触在一起，正常工作时二者配合形成可动态变化的轴向间隙23，轴向间隙23范围为0.03mm～0.05mm。支撑底座1中间设有底座高压气管孔19，锥形定子3中间设有定子节流孔21，底部高压气管20穿过底座高压气管孔19通入定子节流孔21 内。空心轴转子13自上而下穿过紧固端盖9、棱柱套筒轴孔30、轴孔5，并与紧固端盖9和棱柱套筒轴孔30、轴孔5形成径向间隙22，轴转子13与棱柱套筒7、紧固端盖9之间的径向间隙22范围为0.03mm～0.05mm，最佳配合间隙大小为0.04mm。棱柱套筒节流孔和定子节流孔设计表压比范围为0.35～0.60，最佳设计表压比0.45，节流孔直径范围为0.10mm～0.30mm，最佳节流孔直径为0.20mm，高压气体所需要的气源压力为0.20～0.50Mpa，最佳气源压力为0.45Mpa。外壳4上部外侧均匀分布有压电陶瓷片导线孔11，下部均匀分布有压电陶瓷环导线孔12，方便导线连接外部控制压电陶瓷的高频交流电源。

使用时，先通入高压气体然后接通电源。由外界气泵供给的高压气体通过高压气管15穿过外壳4上的外壳气管孔17往棱柱套筒节流孔18中注入高压气体，然后高压气体以稳定的压力通过棱柱套筒节流孔18，进而进入棱柱套筒7 与轴转子13之间的径向间隙22内，作用到被悬浮的轴转子13。此时在轴转子 13与棱柱套筒7的轴孔30表面之间会形成一层高压气膜。高压气膜厚度与径向间隙大小相等，其厚度为0.03mm～0.05mm时近场超声悬浮效应强度较大。棱柱套筒7外侧三片矩形压电陶瓷片8采用相同极化方向，矩形压电陶瓷片8可根据控制需要选择输入相同电压信号或不同电压信号。根据逆压电效应,在高频交流电压作用下，矩形压电陶瓷片8发生长度方向的伸缩变形，带动棱柱套筒7 的棱柱套筒轴孔30表面高频振荡，挤压轴转子13和棱柱套筒7之间的高压气膜，气浮效应和近场超声悬浮效应相互耦合，进一步增大悬浮力，这层气膜就能提供径向上的悬浮力，使轴转子13在径向得以稳定悬浮。同理，高压气体通过底部高压气管20和定子节流孔21，进入轴转子13锥形凹面和锥形定子3上端锥形凸面两表面之间产生轴向间隙23，高压气体在轴向间隙23内形成高压气膜。根据逆压电效应，在高频交流电压作用下，极化方向相反的压电陶瓷环 i-10-1和压电陶瓷环ii-10-2沿厚度方向伸缩变形带动锥形定子3高频振动，挤压轴向间隙23内高压气膜，气浮效应和近场超声悬浮效应相互耦合提供轴向的悬浮力。气膜厚度可以随轴向间隙23动态变化，控制供气压力和电压参数使气膜厚度处于0.03mm～0.05mm范围内，此时近场超声悬浮效应强度较大，悬浮力大。

在实际工作过程中轴转子13连接的外部负载在轴转子13径向和轴向的大小可能不是恒定的。当外部负载改变时，先改变供气压力对轴转子13的轴向和径向悬浮力进行粗略的初步调整。然后分别改变棱柱套筒7外侧三片矩形压电陶瓷片8上的交流电压信号，不同电压参数直接影响棱柱套筒7的变形程度和模态振型，间接影响气膜的挤压效果，改变气浮效应和近场超声悬浮效应产生的混合悬浮力，可实现对轴转子13径向悬浮位置的精确控制，调控轴转子13 的偏心率、回转精度等悬浮状态。同理，在轴向，调整供气压力后，改变对压电陶瓷环i-10-1和压电陶瓷环ii-10-2施加的电压信号，锥形定子3产生不同的振动幅值，可改变轴向悬浮力，实现对轴转子13轴向悬浮位置的精确控制。

综上所述，本发明的气浮支撑系统，通过一种简单的结构，可实现对转子的可控、无摩擦悬浮支撑。在通入高压气体悬浮的同时压电陶瓷高频振动产生的近场超声悬浮效应抑制了高压气体的气锤和涡动等不稳定现象，气浮效应和近场超声悬浮效应共同作用产生的承载力是大于气体静压悬浮和近场超声悬浮这两种悬浮分别单独工作时的承载力相加之和的。因此本发明与传统的气浮支撑系统相比，有更高的悬浮刚度，能减小气体静压悬浮装置自身存在的微小低频振动。气浮效应和近场超声悬浮效应混合作用能够产生更大、更稳定、可控制的混合悬浮力。当轴转子所连接的外部负载发生变化时，本发明可以通过改变气压参数和各压电陶瓷的电压参数，在转子的径向和轴向控制高压气膜挤压状态和悬浮力，实现对转子的偏心率、回转精度、轴向悬浮高度等悬浮状态的精确调控，从而可以动态的监控轴转子运行状态。其驱动结构操作灵活、应用范围广。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。