超声悬浮轴承系统振幅衰减自抗扰控制

为提高超声悬浮轴承系统轴系转速的稳定性,设计了自抗扰控制器,即在保证系统的核心器件压电换能器工作在谐振状态的前提下,通过对换能器输出振幅的控制,实现超声悬浮轴承系统稳定运行的控制目标。根据压电换能器的机电等效模型以及实验参数,利用Matlab 7.0软件仿真环境,搭建了Simulink仿真系统,测试了系统的阶跃响应、抗扰动性能。仿真实验结果表明,与PID(Proportion Integration Differentiation)控制器相比,该自抗扰控制器具有较好的响应速度,而且当工况发生变化时,能很好地控制振幅的衰减,抗干扰能力良好。

径向包容式超声悬浮轴承结构优化

为了提高超声悬浮轴承性能,提出了一种径向包容式超声悬浮轴承结构优化设计方法。基于扁壳理论和弹性力学建立了轴承壳体结构固有频率和径向挠度的数学模型,以壳体结构的长、半径、壁厚3个参数为设计变量,以壳体结构的固有频率和径向挠度作为优化目标函数,采用多目标遗传算法进行求解,从求解得到的Pareto解集中选择一组最符合设计要求的解,即长40 mm,半径10 mm,壁厚2 mm作为优化结果。为了验证本文优化方法的有效性,制作了3组轴承进行对比实验。实验结果表明:优化得到的轴承结构兼顾了超声悬浮轴承对固有频率和径向挠度的性能要求,可以产生较大的径向悬浮力,本文的研究方法和结果对设计和制造新型超声悬浮轴承具有重要的指导意义。

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。

超声波轴承用挤压式压电换能器的共振频率

设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器,用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理,建立压电换能器机电等效电路图,理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程;然后,应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析,计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率,数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后,设计了一台样机,从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示:换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%,仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性,为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。

轴系超声波悬浮支撑技术研究

利用设计的实验装置,对轴系超声波悬浮支撑间隙进行了测试。测试结果表明,当悬浮间隙大于两接触表面粗糙度总和时,轴被悬浮起来;对比测试了两种不同材料转轴的悬浮间隙,在压电换能器驱动信号频率为21.34 kHz,驱动电压由100 V增加到220 V时,铝合金轴的平均悬浮间隙从12.49μm增加到52.97μm,铁轴的平均悬浮间隙从10.21μm增加到43.86μm。

基于超声波悬浮支撑的高速电机的设计

设计了利用单项支撑转子超声波悬浮的高速电机,采用压电换能器、永磁同步电机主轴,换能器辐射端面与主轴悬浮支撑帽均采用锥度相同的圆锥形结构,以保证主轴高速旋转时高度自动定心。测试结果表明:当超声波电源输出功率在500 W时,主轴转速达到20 000 r/min以上,悬浮间隙超过100 nm,大于两接触面粗糙度总和,主轴运转平稳,无接触摩擦噪声,不存在电磁耦合所导致的转矩波动和径向振动问题。

挤压膜轴承静态承载特性研究

为研究超声悬浮轴承的静态承载特性,设计了一种径向包容式超声悬浮气体挤压膜轴承。在分析挤压气膜润滑悬浮机理的基础上,利用曲线拟合方法求解挤压气膜模型曲线和厚度方程,根据黏性气体动力学理论建立了描述挤压气膜压力分布的Reynolds方程。采用有限差分法对挤压气膜的压力方程进行离散与差商替换,利用MATLAB自定义函数的功能对离散后的挤压膜方程进行数值计算,对气体挤压膜轴承的悬浮力进行了仿真并通过试验验证了理论分析的正确性。