王勝光，馬希直

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

氣體擠壓膜潤滑是通過壓電陶瓷或者其他機(jī)械方法使得兩潤滑表面產(chǎn)生法線方向的振動(dòng)在兩表面之間產(chǎn)生高于外界大氣壓的氣膜壓力以起到潤滑效果，相比于氣體靜壓潤滑和動(dòng)壓潤滑，具有不需要外部氣源和不依賴軸轉(zhuǎn)速的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。黃明軍等研究了超聲振動(dòng)對(duì)于兩接觸表面的摩擦力的影響［1］;常穎等對(duì)超聲波軸承的作用機(jī)理做了研究，并對(duì)其設(shè)計(jì)的壓電陶瓷振子進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究［2］;魏彬則考慮了激振盤振型對(duì)氣體擠壓膜承載能力的影響，并研究了激振圓盤的聲壓輻射，從聲學(xué)角度對(duì)氣膜的承載能力進(jìn)行了分析［3-5］;Shigeka.Yashimoto和 T.A.Stolarski從 20 世紀(jì)90年代初開始研究擠壓膜直線導(dǎo)軌，其設(shè)計(jì)的擠壓膜導(dǎo)軌能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自懸?。?］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的壓電換能器，能夠使得激振盤產(chǎn)生較大的振幅從而實(shí)現(xiàn)較大的承載能力，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證和分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖1為本文的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，在壓電陶瓷上施加高頻交變電壓，使壓電陶瓷產(chǎn)生高頻激振，經(jīng)超聲變幅桿放大以后傳遞到激振盤，對(duì)激勵(lì)盤和懸浮盤中氣體進(jìn)行周期性的擠壓使得氣膜內(nèi)壓力升高，從而懸浮起一定質(zhì)量的物體。如果把懸浮物體固定于一定的高度，則可以測得在氣膜厚度一定的情況下氣體擠壓膜能夠產(chǎn)生的承載力。實(shí)驗(yàn)中所使用的壓電陶瓷為圓環(huán)型，外徑和內(nèi)徑分別為34 mm和24 mm，厚度為12 mm。變幅桿的設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)手冊(cè)［7］，在這里錐形端長度為 77 mm，圓柱體長度為49.6 mm，直徑為8.5 mm，材料為45鋼。激振盤的直徑為50 mm，厚度為3 mm，材料為鋁合金。

氣體擠壓膜懸浮能力的實(shí)驗(yàn)包括承載力的測量和懸浮物體高度的測量兩個(gè)方面。懸浮物體高度通過Keyence公司的LK－G5000型位移傳感器測量，該傳感器具有高精度、高響應(yīng)頻率的優(yōu)點(diǎn)。氣膜承載力的測量裝置如圖2（a）所示，懸浮盤安裝在裝置中心并將懸浮盤固定在距離激振盤一定高度處（一般為幾十微米）。當(dāng)激振盤產(chǎn)生高頻激振時(shí)，對(duì)兩圓盤中間的氣體產(chǎn)生擠壓，相當(dāng)于對(duì)圓盤施加了一個(gè)向上的力，從而使中心三根橫梁發(fā)生形變?nèi)鐖D2（b），由Ansys分析可知在根部的應(yīng)變最大;將電阻應(yīng)變片粘貼在橫梁根部上下兩表面，并選擇其中兩根橫梁上的應(yīng)變片組成全橋電路作為一電阻應(yīng)變式傳感器。對(duì)其標(biāo)定后即可對(duì)氣體擠壓膜產(chǎn)生的承載力進(jìn)行測量。

圖2 氣膜力傳感器

最終設(shè)計(jì)完成的氣體擠壓膜實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。

圖3 氣體擠壓膜實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過位移傳感器測量激勵(lì)盤振幅，將壓電堆兩端接入正弦激勵(lì)信號(hào)，調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)的頻率使得電流為最大，此時(shí)壓電陶瓷達(dá)到諧振狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的超聲換能器諧振頻率約為20.50 kHz。分別在激勵(lì)電壓為100 V，200 V以及300 V的情況下測量圓盤中心的振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行頻譜分析，得到在3種電壓條件下激振盤振幅分別為0.3 μm，1.3 μm 和 1.8 μm。

首先測量在固定懸浮體模型下的氣膜承載能力。調(diào)節(jié)兩個(gè)圓盤之間的初始?xì)饽らg隙為20 μm，在不同的激勵(lì)電壓條件下測量懸浮盤受到的力，結(jié)果如表1所示。

表1 氣膜承載力測量結(jié)果

然后進(jìn)行氣體擠壓膜懸浮物體的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于較輕薄的物體來說，氣體擠壓膜懸浮物體高度可以用肉眼清楚的觀察到。如圖4所示為氣體擠壓膜懸浮的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，懸浮物體為一塑料薄片。

圖4 氣體擠壓膜懸浮物體的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

測量自由懸浮狀態(tài)下圓盤的懸浮高度，實(shí)驗(yàn)中所用圓盤參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)中用到的懸浮盤的參數(shù)

激振盤起振過程中自由懸浮盤2隨懸浮高度的運(yùn)動(dòng)曲線如圖5所示。

圖5 懸浮盤在激振盤起振過程中的瞬態(tài)位移曲線

懸浮盤的在激振盤起振后迅速上升到一定的高度，經(jīng)歷一個(gè)振蕩過程后達(dá)到比較穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。這與理論計(jì)算的結(jié)果基本吻合。

懸浮圓盤在不同的激勵(lì)電壓下的懸浮高度如表3所示。

表3 懸浮盤懸浮高度

從表3中可以看出，懸浮盤懸浮高度隨激勵(lì)電壓的增大而增大。對(duì)比盤1和盤2的懸浮高度可得懸浮高度與圓盤質(zhì)量有關(guān)，相同表面積的情況下質(zhì)量小的圓盤懸浮高度較高;對(duì)比盤2和盤3可得懸浮高度與圓盤表面積有關(guān)，相同質(zhì)量情況下，表面積大的圓盤懸浮高度更高。

3 結(jié)論

1）壓電換能器在交變電壓的激勵(lì)下會(huì)帶動(dòng)激振盤產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，當(dāng)激勵(lì)頻率為壓電陶瓷諧振頻率時(shí)，激振振幅達(dá)到最大;增大激勵(lì)電壓幅值能夠增大激振振幅。

2）氣體擠壓膜能夠產(chǎn)生一定的承載力，承載力的大小與氣膜厚度以及激振振幅有關(guān)。氣膜厚度越小，激振振幅越大則氣體擠壓膜產(chǎn)生的承載力越大。

3）氣體擠壓膜懸浮物體的高度與物體質(zhì)量、物體與擠壓氣膜接觸的表面積以及激振振幅有關(guān)。懸浮物體在起振過程中經(jīng)歷一個(gè)振蕩的過程并最終達(dá)到穩(wěn)定的懸浮。

［1］黃明軍，周鐵英，巫慶華.超聲振動(dòng)對(duì)摩擦力的影響［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào) ，2000 ，25（2）:115-119.

［2］常穎，吳博達(dá)，楊志剛，等.超聲波懸浮推力軸承承載能力及減摩性能［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（2）:222-225.

［3］魏彬，馬希直.考慮激振模態(tài)的擠壓膜懸浮導(dǎo)軌特性分析［J］.潤滑與密封，2010，（2）:211-216.

［4］魏彬，馬希直.擠壓膜懸浮導(dǎo)軌機(jī)理研究［J］.潤滑與密封，2010，（3）:37-40.

［5］魏彬，馬希直，唐偉坤.壓電陶瓷激勵(lì)下的超聲懸浮的特性分析［J］.壓電與聲光，2011，（1）:81-84.

［6］Yoshiki Hashimoto.Near field acoustic levitation of planar specimens using flexural vibration.J.Acoust.Soc，1996，100（4）:2057-2061.

［7］林書玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［8］陶寶祺，王妮.電阻應(yīng)變式傳感器［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1993.