氣體擠壓膜承載能力的實驗研究

王勝光，馬希直

（南京航空航天大學機電學院，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械方法使得兩潤滑表面產生法線方向的振動在兩表面之間產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壓潤滑，具有不需要外部氣源和不依賴軸轉速的優點，近年來得到了國內外學者的廣泛關注。黃明軍等研究了超聲振動對于兩接觸表面的摩擦力的影響［1］;常穎等對超聲波軸承的作用機理做了研究，并對其設計的壓電陶瓷振子進行了理論和實驗上的研究［2］;魏彬則考慮了激振盤振型對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，從聲學角度對氣膜的承載能力進行了分析［3-5］;Shigeka.Yashimoto和 T.A.Stolarski從 20 世紀90年代初開始研究擠壓膜直線導軌，其設計的擠壓膜導軌能夠實現穩定的自懸浮［6］。本文在前人研究的基礎上，設計了一種新型的壓電換能器，能夠使得激振盤產生較大的振幅從而實現較大的承載能力，并進行了實驗上的驗證和分析。

1 實驗設計

圖1 實驗裝置示意圖

圖1為本文的設計實驗裝置示意圖，在壓電陶瓷上施加高頻交變電壓，使壓電陶瓷產生高頻激振，經超聲變幅桿放大以后傳遞到激振盤，對激勵盤和懸浮盤中氣體進行周期性的擠壓使得氣膜內壓力升高，從而懸浮起一定質量的物體。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生的承載力。實驗中所使用的壓電陶瓷為圓環型，外徑和內徑分別為34 mm和24 mm，厚度為12 mm。變幅桿的設計參考設計手冊［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驗包括承載力的測量和懸浮物體高度的測量兩個方面。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、高響應頻率的優點。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）。當激振盤產生高頻激振時，對兩圓盤中間的氣體產生擠壓，相當于對圓盤施加了一個向上的力，從而使中心三根橫梁發生形變如圖2（b），由Ansys分析可知在根部的應變最大;將電阻應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變片組成全橋電路作為一電阻應變式傳感器。對其標定后即可對氣體擠壓膜產生的承載力進行測量。

圖2 氣膜力傳感器

最終設計完成的氣體擠壓膜實驗臺如圖3所示。

圖3 氣體擠壓膜實驗臺

2 實驗結果與分析

通過位移傳感器測量激勵盤振幅，將壓電堆兩端接入正弦激勵信號，調節激勵信號的頻率使得電流為最大，此時壓電陶瓷達到諧振狀態。本實驗中所設計的超聲換能器諧振頻率約為20.50 kHz。分別在激勵電壓為100 V，200 V以及300 V的情況下測量圓盤中心的振動信號并進行頻譜分析，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。調節兩個圓盤之間的初始氣膜間隙為20 μm，在不同的激勵電壓條件下測量懸浮盤受到的力，結果如表1所示。

表1 氣膜承載力測量結果

然后進行氣體擠壓膜懸浮物體的實驗。對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證實驗，懸浮物體為一塑料薄片。

圖4 氣體擠壓膜懸浮物體的驗證實驗

測量自由懸浮狀態下圓盤的懸浮高度，實驗中所用圓盤參數如表2所示。

表2 實驗中用到的懸浮盤的參數

激振盤起振過程中自由懸浮盤2隨懸浮高度的運動曲線如圖5所示。

圖5 懸浮盤在激振盤起振過程中的瞬態位移曲線

懸浮盤的在激振盤起振后迅速上升到一定的高度，經歷一個振蕩過程后達到比較穩定的懸浮狀態。這與理論計算的結果基本吻合。

懸浮圓盤在不同的激勵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電壓的增大而增大。對比盤1和盤2的懸浮高度可得懸浮高度與圓盤質量有關，相同表面積的情況下質量小的圓盤懸浮高度較高;對比盤2和盤3可得懸浮高度與圓盤表面積有關，相同質量情況下，表面積大的圓盤懸浮高度更高。

3 結論

1）壓電換能器在交變電壓的激勵下會帶動激振盤產生彎曲振動，當激勵頻率為壓電陶瓷諧振頻率時，激振振幅達到最大;增大激勵電壓幅值能夠增大激振振幅。

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

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

［1］黃明軍，周鐵英，巫慶華.超聲振動對摩擦力的影響［J］.聲學學報 ，2000 ，25（2）:115-119.

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

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

［4］魏彬，馬希直.擠壓膜懸浮導軌機理研究［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計［M］.北京:科學出版社，2004.

［8］陶寶祺，王妮.電阻應變式傳感器［M］.北京:國防工業出版社，1993.