一種雙向支撐超聲波軸承的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究＊

蘇 江 童 杰 沈燕虎

（①?gòu)V東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090；②吉林大學(xué)機(jī)械與航天航空學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

自從Kundt 在1886 年發(fā)現(xiàn)聲懸浮現(xiàn)象以來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者開始了超聲波懸浮減摩方面的研究。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)超聲懸浮技術(shù)己應(yīng)用到了超聲波馬達(dá)、超聲波輸送和超聲波離合器等諸多領(lǐng)域。文獻(xiàn)[1] 利用超聲波的聲懸浮研制了聚焦式聲懸浮系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了大密度固液顆粒的懸浮，可用于材料的無(wú)容器凝固、液體物理性質(zhì)的非接觸測(cè)量以及自由液滴的動(dòng)力學(xué)研究。文獻(xiàn)[2]通過實(shí)驗(yàn)證明，超聲波的懸浮作用可使物體間的摩擦阻力降低到原有的1/10 至1/30；文獻(xiàn)[3-4]進(jìn)行了超聲波輸送方面的研究，研究結(jié)果表明以頻率為40 kHz、振幅為2 μm 振動(dòng)的平板，其表面動(dòng)壓力可達(dá)0.75 MPa。

隨著超聲波懸浮技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員開始將此技術(shù)應(yīng)用于新型超聲波軸承研發(fā)。超聲波軸承是利用壓電陶瓷產(chǎn)生高頻振動(dòng)，利用聲輻射力產(chǎn)生近場(chǎng)懸浮，從而實(shí)現(xiàn)減摩特性的非接觸式軸承，這種軸承適用于高轉(zhuǎn)速、高精度場(chǎng)合，而且控制簡(jiǎn)單、啟停平穩(wěn)。最早的超聲波懸浮軸承最早可以追溯到1997 年，文獻(xiàn)[5]利用嵌入柔性鉸鏈之間的壓電疊堆垂直振動(dòng)產(chǎn)生氣體擠壓膜，從而使振動(dòng)體懸浮起來(lái)。文獻(xiàn)[6]將壓電換能器的超聲振動(dòng)用于軸頸的懸浮支承與動(dòng)壓潤(rùn)滑，從而構(gòu)造一種滑動(dòng)軸承，測(cè)試結(jié)果表明此種軸承具有良好的減摩特性。文獻(xiàn)[7]提出了一種錐形超聲波懸浮軸承，對(duì)懸浮間隙與載荷的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該軸承可使電機(jī)轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)。

基于上述超聲懸浮技術(shù)和超聲波軸承研發(fā)現(xiàn)狀的分析，提出一種軸徑雙向支撐超聲波軸承結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了懸浮特性分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)普通球軸承對(duì)旋轉(zhuǎn)軸系的支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖1 所示的雙向支撐超聲波懸浮軸承結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由底座、換能器支架、徑向支撐凹柱面換能器、軸向支撐平端面換能器、軸及超聲波信號(hào)發(fā)生器等組成。懸浮軸的驅(qū)動(dòng)由直流電機(jī)通過皮帶來(lái)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)裝置相對(duì)于水平面傾斜一定的角度，在重力的作用下軸會(huì)沿傾斜的方向下滑，而軸端部的換能器產(chǎn)生的懸浮力正好與軸的下滑力相平衡，這樣可以保證徑向支撐換能器的徑向懸浮作用使軸處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。

圖1 雙向支撐超聲波軸承結(jié)構(gòu)

2 懸浮特性分析

由于軸向支撐換能器的主要作用是軸向定位，所以下面只對(duì)徑向支撐凹柱面換能器的懸浮作用進(jìn)行分析。凹柱面壓電換能器通電后產(chǎn)生高頻振動(dòng)，此時(shí)軸處于懸浮狀態(tài)，懸浮軸與凹柱面壓電換能器位置關(guān)系如圖2 所示。凹柱端面為自由振動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]及聲學(xué)相關(guān)知識(shí)可知凹柱面各點(diǎn)軸向振幅相等，由于懸浮軸徑與凹柱面半徑均為R，且軸的懸浮間隙相對(duì)于聲波在空氣中的波長(zhǎng)可以忽略不計(jì)，所以凹柱面內(nèi)的軸頸圓周上各點(diǎn)的聲壓大小是相等的。

圖2 凹柱面壓電換能器對(duì)軸的懸浮作用

設(shè)軸懸浮高度為h，在凹柱面內(nèi)選取微元面積ds，定義豎直向上的方向?yàn)?+z方向，該微元面積的位置為z=0，在該微元面積上方的空隙內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)位移為

其中：v0=ωu0為聲源表面的振動(dòng)速度。

利用歐拉方程將質(zhì)點(diǎn)速度分解成為入射的上行行波和的反射的下行行波成分。

設(shè)軸對(duì)幅射到其表面的聲波完全反射，即Er=Ei，Et=0（Ei、Er、Et分別為入射聲能密度，反射聲能密度和透射聲能密度），根據(jù)計(jì)算聲學(xué)相關(guān)知識(shí)[6]，超聲波對(duì)平面的物體的法向作用力和切向作用力分別為

式中：θi、θr、θt分別為聲波入射角、反射角、透射角。對(duì)于圖1 中微小面積ds正上方的軸表面N可視為平面，該平面受力如圖3 所示。

圖3 軸表面微小面積的受力分析

則該平面所受的法向力與切向力分別為

從式（12）可以看出，凹柱面的超聲振動(dòng)可以產(chǎn)生懸浮作用力，使物體懸浮。軸的懸浮高度與軸的質(zhì)量、凹柱面表面振幅、凹柱面半徑、凹柱面長(zhǎng)度與凹柱面包角有關(guān)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置組成及過程

最大轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖4 所示，由隔振臺(tái)、超聲波信號(hào)發(fā)生器、直流電機(jī)、反光標(biāo)簽、光電傳感器和萬(wàn)用表等組成。

圖4 最大轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試時(shí)，由超聲波信號(hào)發(fā)生器向軸向和徑向換能器通電，使換能器產(chǎn)生高頻諧振。通過萬(wàn)用表蜂鳴檔測(cè)試軸和換能器之間是否產(chǎn)生間隙，從而判斷軸是否處于懸浮狀態(tài)。啟動(dòng)電機(jī)用皮帶驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，并從小到大調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)軸出現(xiàn)明顯失穩(wěn)或聽到軸與換能器接觸有摩擦聲時(shí)記錄下光電傳感器讀數(shù)。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）軸向和徑向換能器通電前，萬(wàn)用表發(fā)出蜂鳴聲，換能器通電產(chǎn)生高頻諧振后，萬(wàn)用表蜂鳴聲停止，這說明軸與徑向支撐壓電換能器之間存在間隙，證明了軸此時(shí)處于懸浮狀態(tài)。

（2）5 次最高轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果如表1 所示，最高轉(zhuǎn)速平均值為9 364 r/min。當(dāng)懸浮軸在到一定轉(zhuǎn)速之后將會(huì)出現(xiàn)明顯失穩(wěn)，從失穩(wěn)形式來(lái)看表現(xiàn)為抖動(dòng)，原因在于軸的精度不夠高，質(zhì)量分布不均，隨轉(zhuǎn)速的增加而出現(xiàn)較大的離心力，當(dāng)離心力的大小與軸自身重力相當(dāng)時(shí)，原有的平衡就會(huì)被打破出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。

表1 最高轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果

3.2 與普通球軸承的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.2.1 復(fù)合軸系結(jié)構(gòu)

為了便于與普通軸承進(jìn)行性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，制作如圖5 所示的復(fù)合式軸結(jié)構(gòu)。中間為一銅質(zhì)圓軸，直徑為17 mm，軸的中部安裝有一普通深溝球軸承。厚度為2 mm 的鋁制圓筒與球軸承的外圈以過盈配合實(shí)現(xiàn)連接，該鋁筒的外圓周面與換能器的凹柱面相配合構(gòu)成超聲波軸承支撐。軸上裝有帶輪，以便于直流電機(jī)帶動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)。在軸的兩端分別安裝有重200 g 的鋁質(zhì)圓柱體。

圖5 復(fù)合軸系結(jié)構(gòu)

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置組成及過程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6 所示，實(shí)驗(yàn)裝置由壓電換能器、復(fù)合軸系、光電傳感器、直流電機(jī)、超聲波信號(hào)發(fā)生器、隔振實(shí)驗(yàn)臺(tái)和支架等組成。

圖6 超聲波軸承與普通球軸承的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

測(cè)試時(shí)，由超聲波信號(hào)發(fā)生器向軸向和徑向換能器通電，使換能器產(chǎn)生高頻諧振。然后接通直流電機(jī)，通過皮帶驅(qū)動(dòng)復(fù)合軸系旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min，電機(jī)斷電，記錄轉(zhuǎn)速每降低200 r/min所需時(shí)間。斷開超聲波信號(hào)發(fā)生器，再次記錄這一過程所需時(shí)間。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

軸向和徑向換能器通電時(shí)，普通球軸承外面的鋁銅隨電機(jī)所帶動(dòng)的銅質(zhì)心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；軸向和徑向換能器斷電時(shí)，普通軸承內(nèi)圈與心軸一起相對(duì)外圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁筒不再轉(zhuǎn)動(dòng)。相同條件下，軸系轉(zhuǎn)速由2 000 r/min 減至200 r/min 的這一過程所需時(shí)間如圖7 所示。普通球軸承支撐經(jīng)歷時(shí)間為90 s，而超聲波懸浮支撐則可持續(xù)280 s。由此可知，這種超聲波軸承的最大靜摩擦力小于普通球軸承的最大摩擦力，具有很好的減摩性能。

圖7 超聲波軸承與普通滾子球軸承的減速特性曲線

4 結(jié)語(yǔ)

基于超聲懸浮技術(shù)和超聲波軸承研發(fā)現(xiàn)狀的分析，提出了一種軸徑雙向支撐超聲波軸承，并對(duì)其進(jìn)行了懸浮特性分析與實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙向支撐超聲波軸承具有良好的減摩性能，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到9 364 r/min；軸系轉(zhuǎn)速由2 000 r/min 減至200 r/min 時(shí)，普通球軸承支撐所需時(shí)間為90 s，而雙向支撐超聲波軸承所需時(shí)間為280 s。