【《压电陶瓷主动控制的气体静压轴承的设计计算过程案例》2900字】

1.41压电陶瓷主动控制的气体静压轴承的设计计算过程案例1.1气体静压轴承的特点气体轴承用气体作为润滑剂，由气膜将轴与轴瓦分开。使轴在轴承中无接触地旋转或呈悬浮状态。[20]与液体润滑相比，由于气体具有黏度低，黏度随温度变化小，化学性质稳定等特点，所以气体轴承具有摩擦小，适应较高转速，运行精度高，温度变化小，使用寿命长，适应能力强，耐高低温以及对环境污染程度低等优点，是一种具有广大发展空间的新型滑动轴承。但是，由于气体密度较低，承载能力较差，所以气压轴承存在轴承承载能力低，刚度低，稳定性差等缺点，同时因为气压元件对气体介质清洁程度的要求较高，所用气体介质中需要有稳压过滤气源，而且在气压轴承中采用一般材料容易发生卡滞和锈蚀，需要采用特殊材料。这一系列因素导致气压轴承对于工作条件要求严格，使用维护成本较高，因此气压轴承的应用受到了很大的限制。1.2多孔质轴瓦材料的介绍本设计是一种使用多孔质材料作为轴瓦气体节流装置的气体静压轴承。多孔质材料是指一些在物体内部存在大量空隙的固体材料，多孔质材料具有两个主要特征：一是多孔质材料内部的孔隙尺寸十分微小但是却广泛均匀的分配在固体材料中，而且空隙的总面积比固体的表面积总和大几个数量级；二是内部的微小空隙之间可能是彼此相通的，也有可能是彼此独立不相通的，这就使得多孔质材料具有一定的通透性。这两个主要特征对应着多孔质材料最重要的两个特性参数，即孔隙率和渗透率：多孔质材料的孔隙率是指多孔质材料内部孔隙含量。在多孔质材料中，其内部的孔隙空间通常是由若干个相互连通的和互不连通的孔隙组成，相对来说较为狭小，所有的孔隙空间整合在一起称为多孔质材料的总孔隙空间。孔隙空间应有一部分或大部分是相互连通的,且流体可在其中流动,这部分孔隙空间称为有效孔隙空间。而不连通的孔隙空间或虽然连通但属死端孔隙的这部分空间.是无效孔隙空间。[21]多孔质材料的孔隙率是指总孔隙空间的体积占多孔介质材料总体积的比率。有效孔隙率是由相互连通的孔隙空间占.总体积的分数[22]。有效孔隙率可以反映多孔质材料渗透率的情况，但不能用来度量渗透率的大小[23]。多孔质材料的渗透率是反应多孔质材料的流体传导性的物理量，在外部压力和内部阻力作用下,能够体现流体通过多孔介质的难易程度[24]。多孔质材料的渗透率越高，材料本身的有效孔隙率就越大，气体通过多孔质材料的阻力就越小，在相同的供气压力条件下，通过材料的气体流量就越大。本设计使用的多孔质材料是一种新型的等静压石墨材料。该材料是以石墨碳为基础，但是与普通的石墨材料相比，除了具有多孔质材料的特性外，还具有内部组织细密均匀，渗透率高，热膨胀系数比较低，化学稳定性强，抗腐蚀能力强，导热性能好等优点，同时具有良好的机械加工性能，可以有效的将其加工成所需要的零部件。1.3由压电陶瓷控制的气体静压轴承控制方法介绍轴承结构示意图如下：轴承径向剖视图轴承本体半剖视图气腔轴瓦多气孔材料轴承的结构设计介绍：轴承本体1中沿圆周方向均匀的开有六组由圆柱腔12，轴瓦槽11和径向螺纹孔13组成的轴瓦内腔。将三个带有两组柔性铰链结构的气腔轴瓦2放置在轴瓦槽内，将推力半球4和压电陶瓷5按照如图所示的方式放置在圆柱腔内，然后将螺栓6按照螺纹配合与径向螺纹孔进行配合，将压电陶瓷装配在轴承内部，同时可以通过拆卸螺栓来实现对压电陶瓷的更换。对于气腔轴瓦2，可以通过四个定位键22将其固定在轴瓦槽中，通过两个定位平台21与推力半球对接，使压电陶瓷驱动器的形变能通过推力半球作用在轴瓦上，并通过柔性铰链23的柔性变形控制轴瓦在轴承内部的径向移动，两个柔性铰链24与气腔轴瓦的轴瓦主体25直接相连，在受到作用力时可以通过柔性变形控制轴瓦主体的摆动。在轴瓦主体25中设有气腔26，并且开有进气孔29。同时如上图所示的设计有粘结面27和多气孔材料槽28，可以通过黏性材料将多气孔轴瓦材料片3粘连在轴瓦主体的多气孔材料槽中。这样，气腔内的气体就可以通过多气孔材料进入轴承间隙中形成气膜，支撑轴颈悬浮在轴承内部。压电陶瓷主动控制气压可倾瓦轴承的机理：当外部气泵对可倾瓦轴承供气后，高压气体通过进气孔进入轴瓦主体的气腔中，最终通过多孔质材料进入轴瓦与轴颈之间的间隙，在轴颈与轴瓦之间形成具有一定压力的高压气膜。在气体压力达到一定程度后，高压气体所产生的静压力可以将轴颈托起，使轴颈与轴瓦无接触的悬浮在轴承中心，可以有效的消除轴瓦与轴颈之间的摩擦。在轴承运行时，由于轴颈转动所产生的动压力和由于内部高压气体产生静压力一起对气膜层产生作用力，当轴颈发生偏心时，气膜所受到的作用力也会发生变化，从而带动轴瓦所受到的压力产生变化而产生摆动。当压电陶瓷驱动器感受到轴瓦压力的变化就会产生对应的伸长和缩短，作用于推力半球，带动轴瓦的径向运动，从而有效的改变气膜层的厚度，进而控制轴颈转动过程中所受气体压力的大小。通过多个柔性铰链轴瓦的协同配合，可以实现对轴颈所受压力分布、刚度、阻尼的控制，用于保持可倾瓦轴承的最佳工作状态、提高轴颈回转精度、抑制轴颈振动和主动控制轴心轨迹等应用场合。1.4静压轴承的参数计算本设计的轴承属于气体静压径向轴承的一种，以下是参考机械设计手册对齐轴承特性进行的一些计算：轴承的已知参数：宽度B：40mm外径D：170mm供气轴瓦宽度b=24mm供气轴瓦内径：d=72mm轴颈直径：d1=71mm理想气膜间隙：h0=0.5mm供气压力PS=30N/cm2环境压力Pa=10N/cm2轴承转速n=960r/min偏心率=0.1本设计使用的润滑气体为普通空气，通过查阅气体参数表可得空气的气体常数R=287.24N·m/（kg·K），气体黏度=17.5×10-6Pa·s首先确定压力比：(4-1)其中Pa是指轴承的环境压力，取值为10N/cm2，PS是指外部气源的供气压力，取值为30N/cm2，P0为轴承处于静止悬浮的中心位置时，多孔质材料出口的压力，我们可以通过使用合适的等静压石墨材料来获取一个稳定的压力比。通过查阅机械设计手册可知：当=0.4时，轴承可以取得最大承载能力当=0.8时，轴承可以取得最大刚度为了让多孔质材料不发生堵塞，压力比应满足：(4-2)其中k为空气的压缩系数，本设计使用空气作为润滑剂时，k=1.401此时:根据上式，如果取＞0.528，则为任何值时都不会发生堵塞。所以结合上述条件，我们选取压力比=0.55通过公式(4-1)可推出：P0=(Ps－Pa)+Pa(4-3)将=0.55，Ps=30N/cm2，Pa=10N/cm2带入可求得：P0=21N/cm2应选用合适的新型等静压石墨材料使得轴承在设计状态（）时，外部输入的高压气体能在轴瓦片出气口位置形成21N/cm2的气体压力。对轴承的静态性能进行计算：=1\*GB3①承载能力：查阅机械设计手册,轴承的基本额定动载荷计算公式如下[25]:（4-4）其中为载荷系数，通常可以由=Kx求出，通常可以由下图6-6求出多孔窄轴承（只考虑轴向流）的理论值，kx为考虑周向流影响的修正系数[26]，可以由下图6-7求得：已知压力比=0.55，偏心率约为0.1，所以结合图6-6可得=0.12已知≈0.3，=0.6，所以结合图6-7可得Kx=1.2则=Kx=0.12×1.2=0.144将以上数据代入（4-4）可得：=（30-10）×4×17×0.144=195.84N轴承的承载能力约为195.84N。=2\*GB3②刚度：对于多数气体静压轴承来说，当偏心率＜0.5时，其刚度可认为是常量，可以由下式进行计算：G==2（Ps－Pa）BD（）（4-5）将已知参数供气压力PS=30N/cm2，环境压力Pa=10N/cm2,，宽度B=40mm，外径D=170mm，载荷系数=0.144，间隙h0=0.5mm代0入公式（4-5）可得：刚度G=2（30－10）×4×17×0.144÷0.05=78333.6N/cm=3\*GB3③流量：通过查阅机械设计手册可得轴承的流量