田丰君[1]2004年在《超声波推力轴承理论及实验的初步研究》文中研究说明研究证实，超声振动可以减小接触表面间的摩擦，不仅如此，超声波振动表面所具有的声悬浮与动压润滑能力，也已被研究证实并获得了实际应用。近年来，超声波技术的发展及其与压电技术的相结合不断地开辟出新的应用领域。以超声振动利用为特征的压电超声技术得到快速发展，超声波的生成与转换变得容易且结构简单，正是在这一基础之上，本研究课题旨在利用超声波振动来构造一种新型的轴承——超声波悬浮轴承，这也是对超声振动具有悬浮能力在应用领域中新的探索。本文对利用超声振动构造悬浮轴承的可行性进行了分析论证，以螺栓紧固型压电换能器（又称作郎之万振子）作为产生超声振动的轴承部分，设计制做了超声波悬浮推力轴承的基本结构。并且对所制做的超声波推力轴承进行了较为系统的实验研究。全文共分五章，内容如下：一、绪论超声波技术随着压电材料的出现与发展逐渐受到人们的关注，并因而迅速发展成为一门新的学科——超声学。超声波的振动频率一般高于20千赫，少数频率低于20千赫的声波的应用也包括在超声学的研究范围之内。该部分重点阐述了在超声振动下的减摩与悬浮技术，并对以螺栓紧固型压电换能器为基体，利用超声振动来构造轴承作了可行性的分析，最后概述了本文所研究的主要内容。二、压电振子基础理论问题分析本章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
常颖[2]2005年在《超声波轴承悬浮与减摩作用机理及基础实验研究》文中提出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。
田丰君[3]2010年在《基于夹心式压电换能器的超声波近场声悬浮支撑技术研究》文中研究说明高速与超高速旋转机械的开发应用对轴承的性能提出了越来越高的要求。为最大限度地减小摩擦阻力矩,轴承系统的润滑方式也逐步由固体、半固体润滑向具有良好减摩性的液体和气体润滑方向发展。高精度、非接触、低摩擦等新型轴承的开发与利用成为轴承研究领域所面临的新课题。在功率超声范畴内,当声源以超声频率振动时,声源表面会形成较强的声场和辐射压力,这种声辐射压可以平衡物体的重力,具有承载特性,从而使声源表面与物体之间被空气膜隔开,形成超声波悬浮,超声波轴承便是在此基础上开展研究的。超声波悬浮轴承的提出,开创了轴承研究领域一个新的方向,也使得压电驱动技术的发展与应用得以丰富。超声波轴承与传统的磁悬浮以及气体静、动压悬浮轴承相比,在悬浮支撑的实现方式上是完全不同的,目前,对这一新型非接触悬浮轴承的开发仍处于基础研究阶段,对其悬浮支撑技术的研究十分必要。结合国家自然科学基金“飞轮储能系统高速轴系的超声波悬浮支撑技术研究”,以夹心式压电换能器为基础,本文对超声波振动下的声悬浮技术进行了比较全面、系统的研究。夹心式压电换能器是构造超声波轴承系统的关键部件,也是悬浮支撑技术研究的重点。夹心式压电换能器在功率超声领域里技术成熟、应用广泛,这为声悬浮技术的研究奠定了良好的基础。在本文的研究过程中,理论探讨与实验分析相结合,对构造超声波悬浮轴承用的夹心式压电换能器进行了较为深入的研究。本文对基于夹心式压电换能器的超声波近场声悬浮的相关理论问题进行了分析探讨；设计开发了振动输出端分别为平面型、圆锥面型以及凹柱面型等结构形式的夹心式压电换能器；分析了夹心式压电换能器的振动模态、谐振频率、端面振幅以及阻抗匹配等,获得了换能器的基本性能参数并优化了换能器的结构;创建了换能器的数学模型,分析了这些具有特殊结构的换能器的声悬浮特性；在此基础上,完成了包括推力轴承、凹柱面径向支撑轴承以及双向角支撑轴承等多种结构形式的超声波悬浮支撑系统的设计与制作；实验研究了超声波悬浮支撑系统的承载能力、动摩擦力矩、极限转速、悬浮支撑状态以及影响悬浮轴承工作性能的因素等。论文通过大量的实验研究验证了换能器和悬浮支撑系统结构的合理性及其可行性。本文的研究表明,振动输出端为平面、圆锥面以及凹柱面等结构形式的夹心式压电换能器处于纵向超声振动状态时,均可形成对外载荷的悬浮支撑,其支撑能力决定于换能器的振动模态、振动频率以及输入功率等；基于这叁种夹心式压电换能器所构造的超声波悬浮支撑系统能够实现轴系的正常运转,并且具有较高的转速和良好的减摩性能,悬浮支撑的超声波轴承系统具有可应用性。超声波悬浮支撑技术的研究拓展了压电超声学在机械领域中的应用,研究工作具有创新性,也具有一定的探索性。本文的研究工作是超声波轴承研究的一个必经阶段和重要组成部分,这些工作的开展与进行,旨在为今后对这一技术的深入研究奠定良好的基础并提供有价值的参考。
滑宇翔[4]2017年在《超声悬浮轴承径向承载特性分析及实验研究》文中研究指明非接触式悬浮支撑是高转速精密传动系统中重要的减摩途径。基于压电驱动的超声悬浮技术是一种能够有效降低摩擦并且易于控制的新型悬浮支撑技术。由于超声悬浮技术衍生出的超声悬浮轴承克服了传统非接触式悬浮支撑的局限,在高转速精密传动系统的非接触悬浮支撑领域优势显着。本文以高转速、低摩擦为目标,通过对悬浮承载特性进行理论建模和实验测试,对新型超声悬浮轴承的径向承载特性开展深入研究。开展非均匀气膜径向承载特性研究,分析不同悬浮位置处的非均匀挤压气膜的结构。基于非线性声学理论,从振动形式、平均能量和运动受力叁个角度解释悬浮机理。基于流体动力学理论中的理想流体雷诺方程,采用数值分析的方法对二阶非线性抛物线型偏微分方程进行差分求解,计算非均匀气膜气压分布。分析压电换能器驱动特性参数、流场介质物流属性及辐射面轮廓结构对悬浮承载特性的影响,选取合适的压电换能器结构参数及超声悬浮轴承工况条件。从流体微元的平衡方程和运动方程出发,推导沿运动方向上的惯性项并对理想流体雷诺方程进行修正,考虑惯性效应对边界气膜处压力进行分析。建立服从正态分布规律的表面粗糙度随机分布函数,对非均匀气膜结构进行修正,基于平均流量模型重新推导同时考虑流体微元惯性、表面形貌及稀薄效应因素的悬浮力模型,分析修正后的压力流量因子随表面纹向系数和粗糙度标准差的变化规律及表面形貌对悬浮承载特性的影响。对高速回转工况下的气膜悬浮力模型和动态摩擦力矩进行修正,揭示回转转速对气膜悬浮承载特性影响。基于超声悬浮轴承的工作原理及对非均匀气膜悬浮承载特性的分析,研制超声悬浮轴承原理样机。结合梅森等效电路,建立了纵弯复合型压电换能器的声电等效网络模型。借助有限元法对压电换能器进行模态分析和谐响应分析。采用阻抗分析仪验证压电换能器声电等效网络模型的正确性,并依据阻抗模和相位角的测试结果对压电换能器进行阻抗匹配。搭建单换能器式和组合换能器式超声悬浮轴承测试系统,对超声悬浮轴承开展静态悬浮承载特性及回转工况下动态承载特性的测试实验,验证悬浮力理论模型的正确性和揭示回转转速对转子轴心轨迹及摩擦力矩的影响规律。
王宝金[5]2004年在《热磨机磨盘实际间隙精确测量与主轴运行状态监测的研究》文中研究表明磨盘实际间隙是指动磨片和定磨片在研磨区内齿表面之间的距离。磨盘间隙对纤维分离质量影响很大，热磨过程中应选择合适的磨盘间隙并保持恒定，以保证纤维浆料的质量和产量。通常磨盘间隙控制在0.2～0.5mm之间，要求控制精度达到0.01mm．但初始调整的磨盘间隙会随着磨片的磨损而加大，在运行过程中磨盘实际间隙的精确测量与显示，迄今仍是一个世界级的难题。 热磨机主轴运行状态既影响热磨机的正常运行又影响到纤维分离的质量。 本文采用理论和实验研究相结合的方法，对磨盘实际间隙的精确测量和主轴运行状态的监测方法进行了探索研究，填补了国内这方面的研究空白。 论文提出了磨盘间隙接触式测量法和非接触式测量法的概念。接触式测量法不能实时反映磨片磨损对磨盘间隙的影响。在热磨机的实际结构和运行条件下，要实时对磨盘间隙进行精确测量，只能采用非接触式测量法。 首次提出了采用电容式位移传感器和电涡流式位移传感器两种测量磨盘实际间隙的方案，用于测量动磨片的轴向位移和磨片磨损后的磨盘实际间隙。 初步设计了用于测量磨盘实际间隙的电容式位移传感器，它具有能随定磨片一起同步磨损、传感器获取的信号直接反映磨盘间隙、结构简单、所需的量程小等优点。 电涡流式位移传感器测量磨盘实际间隙的方案，由一只电涡流式位移传感器和一只超声波测厚仪组合而成，利用电涡流传感器测量动磨片的轴向位移和磨损后的齿面位置，超声波传感器测量定磨片磨损后的厚度，然后将两只传感器的测量数据结合传感器的安装尺寸，通过数学运算得到磨盘实际间隙。对电涡流传感器的探头需要采取保护措施。由于电涡流传感器和超声波测厚仪都可以购买到定型产品，方案实施相对容易。 论文对电涡流式位移传感器测量磨盘实际间隙方案进行了进一步的静态和动态试验研究。静态试验研究表明：木材的含水率能引起电涡流传感器的输出电压下降，但下降的幅度甚微；不同品种的植物纤维原料对传感器输出电压的影响很小；介质温度的上升也能引起传感器输出电压下降，因此应选用高温型的传感器加以解决；介质中含有铁屑时，传感器输出电压值升高，且随铁屑含量的增加而增大，但热磨机研磨的纤维中金属磨屑含量非常小，对电涡流传感器的输出电压几乎没有影响；随着被测金属板对传感器探头覆盖面积的变化会引起输出电压的变化，覆盖面积增大，传感器输出电压逐渐减小。动态试验研究表明：电涡流传感器、位移变送器、数据采集卡和计算机组成的测量采集系统，采集信号波形区分明显，能够实现高速动态的测试。因此，电涡流传感器能用于测量动磨片的轴向位移和磨损后的齿面位置。采用电涡流式位移传感器和超声波测厚仪组合测量磨盘实际间隙的方案是可行的。但对电涡流传感器保护罩的材料选择需要进一步的试验研究。 通过自行设计和制造的热磨机主轴系统试验装置，首次进行了主轴运行状态监测方法的模型实验研究。在轴承组的轴承套和轴承套座上多个不同位置进行布点测试。实验研究表明:将传感器直接安装在轴承套上，所获取的轴承的振动信号强度较大;而将传感器安装在轴承套座上，由于信号传递途径的中间界面多，所获取的轴承的振动信号强度较弱;在水平方向信号衰减较小，信号的加速度有效值比轴承套上的测点下降了约20%。而垂直方向信号衰减比较大，原因是垂直方向的间隙较大。尽管在水平方向信号强度有所下降，但振动信号的主振频率没有改变，依然能够反映出轴承振动的状况。 对热磨机进行主轴运行状态监测时，可以将传感器安装在轴承套座上径向的水平位置，并且在轴向应尽量靠近研磨时轴承所在的位置。关键词:热磨机磨盘实际间隙非接触测量主轴运行状态监测
王琴[6]2005年在《超声振动在对轴支承中的悬浮与减摩作用研究》文中研究说明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叁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,对叁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。
徐雪荣[7]2018年在《超声波电动舵机的高过载特性研究》文中进行了进一步梳理针对炮射制导兵器在发射过程中受到的巨大加速度冲击载荷环境,为保证弹体结构在飞行过程中的正常工作,研究设计了抗高过载超声波电动舵机。本文研究了弹体在膛内的复杂受力情况,对各受力情况进行了比较分析,得到了对弹体结构影响最大的冲击载荷-轴向加速度载荷。并基于轴向冲击的力学环境,研究设计了超声波电动舵机,研究分析了高过载对该舵机机构及性能的影响机理和规律。首先,结合超声波电动舵机的结构组成和工作方式,建立了高过载下该舵机的有限元模型,利用有限元分析方法模拟其在强冲击环境中的暂态过程,分析电动舵机的定、转子及压电陶瓷等结构件的力学响应特性,并进一步分析评估了的耐过载特性;其次,设计了高过载实验工装,进行了评估验证超声波舵机结构的耐过载能力的冲击实验,实验结果与模拟仿真分析结果相符合;最后综合理论和实验结果,评定了高过载环境下超声波舵机结构的耐过载特性与易损薄弱环节。理论与实验结果表明,本课题所设计的抗高过载超声波舵机能够较好地适应高过载环境,在承受1.5万个g的冲击过载后输出特性依然稳定,抗高过载设计行之有效。本文研究成果为高过载超声波舵机结构的研究和应用提供了理论和数据依据,为进一步开展该领域的研究工作提供了一定的借鉴意义。
邓焕[8]2013年在《推力球轴承极端条件下“卡滞”机理的研究》文中认为本文针对球轴承在微重力、高低温、高真空等极端条件共同作用下存在的“卡滞”现象展开研究。以推力球轴承为研究对象，综合考虑其极端工况条件，对其“卡滞”机理进行理论研究，依据理论研究结果，建立推力球轴承多体动力学接触有限元仿真的边界条件，运用有限元软件模拟其启动运转过程。理论研究以失重为线索，分析了轴承各个零件在有、无重力条件下的运动与受力状态，确立了滚动体、保持架的运动与受力状态在有、无重力条件下存在着本质差异，并确立其为研究对象；运用动力学及摩擦学基础理论对轴承在极端条件下的“卡滞”机理进行了理论研究，得出了“卡滞”机理：由于滚动体处于滚道空间内特殊区域和特殊综合条件下，在温度变化造成滚道空间变小，再次启动时转矩明显增大，从而产生“卡滞”现象，这种条件的出现是一种小概率事件；利用有限元软件建立了推力球轴承多体动力学接触有限元仿真模型，模拟了其在极端条件下的启动运转过程，在大量算例中，有1例出现了符合上述条件的情况，验证了理论分析的结果。为开展微重力条件下的轴承试验研究，本文提出了利用磁悬浮平衡重力的方法建立微重力条件的试验装置与标定装置，并对磁场中钢球及保持架受力分布等进行了仿真研究。本文提出了利用磁悬浮平衡重力的原理方案；通过有限元软件对滚动体、保持架在磁场中的受力进行仿真计算，得到了电磁铁对钢球及保持架的引力分布规律，探索了建立重力平衡的条件，验证了方案的可行性，同时为设计电磁场提供了理论依据。根据上述研究结果，初步设计了电磁铁结构、轴承试验机；为了纠正磁场力理论计算值的偏差，设计了标定装置，以期标定结果为试验装置参数调整提供实际依据。
王亚星[9]2014年在《固体内声悬浮微粒操控系统研究与设计》文中研究说明对比静电悬浮和电磁悬浮，声悬浮对于悬浮的物体既无导磁导电的要求，也无固态液态的限制，这使得超声悬浮技术能够广泛地应用于各种材料悬浮操控。而今，声悬浮技术得以长足发展，已经解决声悬浮能力小和稳定性差的问题，可以用于非透明固体材料内的声悬浮操控，成为固体内声悬浮微粒操控加工的工具。为在非透明固体材料内实施内部直接加工提供技术支持与硬件支撑，实现固体内通道制造的应用，课题组旨在建立基于超声悬浮的内部直接加工技术，本论文主要研究和设计固体内声悬浮微粒操控系统，为基于声悬浮的内加工系统提供平台。这种加工技术通过超声波发生器产生的超声波由换能器传导到加工材料中，在内通道中形成腔内超声驻波场，悬浮并操控微粒对材料进行内部直接加工。本论文将超声驻波场对微粒的操控作用，创新地运用到非透明固体材料的加工中，为在非透明固体材料内部直接加工的新方法的探寻提出了新的思路和研究方向。本论文利用的声悬浮技术是通过超声驻波场实现悬浮的，文中推导声悬浮力的理论方程，设计一套声悬浮操控系统，包括超声装置，运动装置和数控装置，优化设计并构建固体内声悬浮微粒操控系统，完成微粒悬浮操控试验，研究固体内声悬浮微粒的可悬浮性、稳定性和可操控性。本论文的研究内容和研究成果如下：（1）根据声学理论方程，推导在超声波垂直入射的条件下的声悬浮力理论方程，反射系数和透射系数，研究材料的超声传导特性，加工材料和微粒材料的选择依据，固体内通道腔内驻波场的原理，并根据理论推导微粒稳定悬浮的位置，建立声悬浮操控系统的理论公式；（2）根据建立的理论公式，设计选型超声装置，运动装置和数控装置，材料选择及加工，设计构建一维、二维和叁维声悬浮平台，研究单轴、双轴以及叁轴声悬浮装置的悬浮性能，优化设计及构建了固体内声悬浮微粒操控系统；（3）根据构建的声悬浮操控平台，对一维、二维和叁维的情况下展开微粒可操控性试验研究，对比各种情况下声悬浮的试验效果，并初步分析研究固体内声悬浮微粒的可悬浮性、稳定性和可操控性，设计声悬浮操控的关键技术参数，得到操控悬浮微粒的重要结论。
马中秋[10]2014年在《可更换刀具超声波切割主轴的研制》文中进行了进一步梳理NOMEX蜂窝材料作为一种优异的复合材料，在航天航空、汽车以及建筑等领域的应用越来越广泛。传统的高速铣削加工效率低，工件表面质量差，加工粉尘多，环境和人生安全都得不到保障。如何提高蜂窝材料的加工效率，改善加工环境；如何满足零件的复杂化和巨型化发展趋势的加工要求，一直困扰着各大制造商。针对以上问题，将超声波切割技术引入到NOMEX蜂窝材料加工领域，研制出适用于加工NOMEX蜂窝材料所使用的超声波切割主轴，主要内容分为以下七个部分：第一章，介绍了NOMEX蜂窝材料的结构特点和性能，国内外的研究现状以及超声波切割技术等叁方面的内容。第二章，从分析现有的超声波切割主轴结构特点出发，结合超声切割的基本原理，研制了一套新型的可自动更换刀具的超声波切割主轴，并在此基础上设计了两套适用于不同场合的刀具自动更换装置。第叁章，分析数控机床五轴联动技术的工作原理和特性，将超声波切割主轴与A/C轴双摆角铣刀头组合起来，实现超声波切割主轴的多轴摆动，满足零件复杂化发展趋势的要求。第四章，根据超声加工的基本原理和超声波切割技术的特点，对新型的超声波切割主轴的核心部件超声波声学系统进行了设计：运用夹芯式压电换能器的频率方程，分析计算出了工作频率20kHz的夹芯式压电换能器的结构尺寸；结合解析法和四端网络法分析计算出了工作频率20kHz的圆锥过渡段阶梯形复合变幅杆的外形尺寸；结合NOMEX蜂窝材料结构特性，设计了两款适用于不同工况的切割刀具。第五章，借助于有限元分析软件ANSYS Workbench，分析了两套不同的超声波声学系统的变形和模态性能，为超声波切割主轴的理论研究以及产品开发提供理论依据。第六章，利用激光位移传感器对刀具振幅进行了测量，实验结果表明，刀具在超声振动作用下最大振幅为0.035mm，且分布在刀具最外沿；利用红外线温度测量仪对超声波切割主轴在工作过程中的温度进行了测量，实验结果表明，超声波切割主轴工作过程中温度变化稳定，没有明显升温趋势；利用超声波切割主轴进行了大量的切割实验，取切屑进行分析，结果表明，切屑表面光滑，没有毛刺，形体连续完整，满足加工要求。第七章，总结论文的主要研究内容，对NOMEX蜂窝材料的超声波切割主轴的进一步研究工作进行了探讨和展望。
参考文献：
[1]. 超声波推力轴承理论及实验的初步研究[D]. 田丰君. 吉林大学. 2004
[2]. 超声波轴承悬浮与减摩作用机理及基础实验研究[D]. 常颖. 吉林大学. 2005
[3]. 基于夹心式压电换能器的超声波近场声悬浮支撑技术研究[D]. 田丰君. 吉林大学. 2010
[4]. 超声悬浮轴承径向承载特性分析及实验研究[D]. 滑宇翔. 哈尔滨工业大学. 2017
[5]. 热磨机磨盘实际间隙精确测量与主轴运行状态监测的研究[D]. 王宝金. 南京林业大学. 2004
[6]. 超声振动在对轴支承中的悬浮与减摩作用研究[D]. 王琴. 吉林大学. 2005
[7]. 超声波电动舵机的高过载特性研究[D]. 徐雪荣. 中北大学. 2018
[8]. 推力球轴承极端条件下“卡滞”机理的研究[D]. 邓焕. 燕山大学. 2013
[9]. 固体内声悬浮微粒操控系统研究与设计[D]. 王亚星. 杭州电子科技大学. 2014
[10]. 可更换刀具超声波切割主轴的研制[D]. 马中秋. 杭州电子科技大学. 2014
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