气体挤压膜承载能力的实验研究

2013-10-14王胜光马希直

机械制造与自动化 2013年1期

王胜光，马希直

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

0 引言

气体挤压膜润滑是通过压电陶瓷或者其他机械方法使得两润滑表面产生法线方向的振动在两表面之间产生高于外界大气压的气膜压力以起到润滑效果，相比于气体静压润滑和动压润滑，具有不需要外部气源和不依赖轴转速的优点，近年来得到了国内外学者的广泛关注。黄明军等研究了超声振动对于两接触表面的摩擦力的影响［1］;常颖等对超声波轴承的作用机理做了研究，并对其设计的压电陶瓷振子进行了理论和实验上的研究［2］;魏彬则考虑了激振盘振型对气体挤压膜承载能力的影响，并研究了激振圆盘的声压辐射，从声学角度对气膜的承载能力进行了分析［3-5］;Shigeka.Yashimoto和 T.A.Stolarski从 20 世纪90年代初开始研究挤压膜直线导轨，其设计的挤压膜导轨能够实现稳定的自悬浮［6］。本文在前人研究的基础上，设计了一种新型的压电换能器，能够使得激振盘产生较大的振幅从而实现较大的承载能力，并进行了实验上的验证和分析。

1 实验设计

图1 实验装置示意图

图1为本文的设计实验装置示意图，在压电陶瓷上施加高频交变电压，使压电陶瓷产生高频激振，经超声变幅杆放大以后传递到激振盘，对激励盘和悬浮盘中气体进行周期性的挤压使得气膜内压力升高，从而悬浮起一定质量的物体。如果把悬浮物体固定于一定的高度，则可以测得在气膜厚度一定的情况下气体挤压膜能够产生的承载力。实验中所使用的压电陶瓷为圆环型，外径和内径分别为34 mm和24 mm，厚度为12 mm。变幅杆的设计参考设计手册［7］，在这里锥形端长度为 77 mm，圆柱体长度为49.6 mm，直径为8.5 mm，材料为45钢。激振盘的直径为50 mm，厚度为3 mm，材料为铝合金。

气体挤压膜悬浮能力的实验包括承载力的测量和悬浮物体高度的测量两个方面。悬浮物体高度通过Keyence公司的LK－G5000型位移传感器测量，该传感器具有高精度、高响应频率的优点。气膜承载力的测量装置如图2（a）所示，悬浮盘安装在装置中心并将悬浮盘固定在距离激振盘一定高度处（一般为几十微米）。当激振盘产生高频激振时，对两圆盘中间的气体产生挤压，相当于对圆盘施加了一个向上的力，从而使中心三根横梁发生形变如图2（b），由Ansys分析可知在根部的应变最大;将电阻应变片粘贴在横梁根部上下两表面，并选择其中两根横梁上的应变片组成全桥电路作为一电阻应变式传感器。对其标定后即可对气体挤压膜产生的承载力进行测量。

图2 气膜力传感器

最终设计完成的气体挤压膜实验台如图3所示。

图3 气体挤压膜实验台

2 实验结果与分析

通过位移传感器测量激励盘振幅，将压电堆两端接入正弦激励信号，调节激励信号的频率使得电流为最大，此时压电陶瓷达到谐振状态。本实验中所设计的超声换能器谐振频率约为20.50 kHz。分别在激励电压为100 V，200 V以及300 V的情况下测量圆盘中心的振动信号并进行频谱分析，得到在3种电压条件下激振盘振幅分别为0.3 μm，1.3 μm 和 1.8 μm。

首先测量在固定悬浮体模型下的气膜承载能力。调节两个圆盘之间的初始气膜间隙为20 μm，在不同的激励电压条件下测量悬浮盘受到的力，结果如表1所示。