1緒論16壓電陶瓷主動控制液體動壓軸承的設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u165211.1單壓電陶瓷控制的液體動壓軸承控制方法介紹 169001.2單壓電陶瓷控制的液體動壓軸承的設計計算 3133571.2.1軸承幾何關系 3108881.2.2液體動壓潤滑軸承基本公式的選用 438571.1.3液體動壓軸承靜特性的計算 586031.4壓電陶瓷的參數計算 61.1單壓電陶瓷控制的液體動壓軸承控制方法介紹軸承徑向剖視圖軸瓦蓋板本體頂部視圖軸承的結構設計介紹：在軸承的本體1中按照圓周等間距的開有五組由軸瓦槽16，圓柱腔17，導線管18和徑向螺紋孔19組成的軸瓦內腔。按照軸瓦徑向剖視圖所示，將柔性鉸鏈軸瓦2通過兩端的固定鍵22安裝在軸瓦槽中。將推力半球3放置在圓柱腔內，其中推力半球的圓球副與柔性鉸鏈軸瓦的定位平臺21配合，另一端平面副與放入圓柱腔內的壓電陶瓷4配合，可以通過導線管接入導線將壓電陶瓷連入外部電路來實現對壓電陶瓷的控制，按照軸瓦整體剖視圖放置完畢后，將螺栓5按照螺紋配合的方式與徑向螺紋孔19配合，實現軸瓦，壓電陶瓷和推力半球在軸瓦腔內的裝配和固定，同時可以通過拆卸螺栓來實現壓電陶瓷的更換和檢修。在柔性鉸鏈軸瓦2中，包括了與推力半球3接觸的定位平臺21和柔性鉸鏈22,23。其中柔性鉸鏈22主要控制軸瓦的徑向移動，當壓電陶瓷發(fā)生伸縮之后會通過推力半球帶動軸瓦的徑向移動；柔性鉸鏈23為軸瓦的擺動提供了結構條件，當柔性鉸鏈軸瓦的軸瓦25受到軸頸擺動帶來的動壓力時，會通過柔性結構發(fā)生自由擺動以適應油液壓力的變化。在軸承本體中進行供油管道的設計：潤滑油液通過進油孔13進入軸承本體內，之后一部分油液流入徑向導油管12，通過出油凸體11進入油膜間隙中，而另一部分油液通過軸向導油管14進入軸承本體頂部的環(huán)形槽110中，環(huán)形槽上有均勻分布的五個軸向導油管，進入環(huán)形槽的油液可以經各個軸向導油管進入對應的徑向導油管，從而通過出油凸體進入油膜間隙。與進油孔13相對應，在軸承另一側有出油孔15與軸向導油孔和徑向導油孔相通，可以使外部壓力油液經過進油孔進入軸承內部并通過內部油道布滿軸承內部，再由出油孔流出，保證軸承內部油液壓力的穩(wěn)定。軸承本體的上下表面有軸向螺紋孔111，與蓋板6上面的螺紋孔61通過螺紋配合，實現對軸承的密封。壓電陶瓷主動控制機理：當軸承在運行過程中，軸頸發(fā)生偏心時，會引起軸承內部油液壓力的變化：在油膜間隙減小的位置，油膜動壓力增大，對軸頸的局部支撐力增大；在油膜間隙增大的位置，油膜動壓力減小，對軸頸的局部支撐力減小。軸頸對軸瓦的反作用力導致壓電陶瓷受到的外部機械力發(fā)出變化從而產生壓電效應，并通過電信號將偏心情況反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收信號之后，可以通過調節(jié)壓電陶瓷驅動器兩側的電壓使其發(fā)生對應伸長和縮短，作用于推力半球，使其推動柔性鉸鏈軸瓦的定位平臺帶動軸瓦整體沿徑向移動，從而可以有效的控制軸承中油膜間隙的大小，進而控制軸頸轉動過程中油膜壓力的大小，將偏心的軸頸推回正確位置。多個柔性鉸鏈軸瓦的協(xié)同配合，可以實現對軸頸所受壓力分布、剛度、阻尼的控制，用于保持可傾瓦軸承的最佳工作狀態(tài)、提高軸頸回轉精度、抑制軸頸振動和主動控制軸心軌跡等應用場合。此外，在本設計中設有柔性鉸鏈，利用柔性鉸鏈的無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高的特點[18]，可以進一步提高主動控制軸瓦徑向位置的靈敏度。1.2單壓電陶瓷控制的液體動壓軸承的設計計算1.2.1軸承幾何關系軸承寬度B=40mm軸承外徑D=170mm軸承內徑d=100mm軸頸半徑r=40mm軸瓦內徑R=43mm半徑間隙c=R-r=43-40=3mm間隙比=c/r=3/40=0.075偏心距e取值范圍為（0.015~0.06）B，在此處取e=0.03B=0.03×40=1.2mm偏心率=e/c=1.2/3=0.4油膜厚度h=c(1+cos)軸瓦厚度5mm軸瓦內徑86mm軸瓦角度為50度軸頸轉速n=960r/min=16r/s1.2.2液體動壓潤滑軸承基本公式的選用參考機械設計手冊可得液體動壓軸承的基本方程：軸承流體動力潤滑微分方程為：(3-1)在本方程中，為潤滑流體動力黏度,在本設計中取=4.128×10-3N·s/m2；為流體的密度在本設計中取=0.86×103kg/m3；h為油膜的厚度通常在液體潤滑情況下可以假設流體的密度不變，在軸承穩(wěn)定工作的情況下，當軸瓦固定而軸運動速度為V時，可以按照不同寬徑比將上述公式簡化為:當寬徑比(B/D)>2時，可以將軸承視為無限寬軸承，該公式可以簡化為：(3-2)當寬徑比(B/D)<0.4時，可以將軸承視為無限窄軸承，該公式可以簡化為：(3-3)在本設計中軸頸比為：B/D=40/170≈0.235<0.4(3-4)所以本設計選用視軸承無限窄的簡化公式(3-3)作為基本方程來計算軸承參數的基本公式：通過求解基本方程可以得到流體壓力分布P：任意點的壓強為： (3-5)為方便計算在這里取平均壓強Pm：(3-6)帶入數據可得：經過計算，得出軸承在工作時產生的動壓強為1.8135N/cm21.1.3液體動壓軸承靜特性的計算承載能力的計算：徑向軸承每一個點的承載能力主要包括x,y兩個方向上的分量，兩個方向上的分量表示為：(3-7)(3-8)相應的軸承的總承載力：(3-9)軸承的承載能力常采用無量綱軸承特性數Cp(又稱索氏數)來表示[19]在徑向軸承中：(3-10)其中為軸承的間隙比，即=c/r=3/40=0.075為軸頸的轉速，即=32πPm為軸承的平均壓強：Pm=1.8135N/cm2其中F為軸承的承載力：F=PmBD=1.8135×4×17≈260N帶入公式中可求得：≈1.087經過計算，求出軸承的載荷為260N軸承的軸承承載能力系數Cp為1.0871.4壓電陶瓷的參數計算當軸頸位于定心位置平穩(wěn)運行時此時軸瓦的受力分析如下圖：由于柔性鉸鏈的特性，固定端的支撐力變化為方便計算可忽略不計在軸承平穩(wěn)運行時，因為此時偏心距為0，所以軸承產生的動壓力也為0，瓦塊主要受到由有油一側油泵提供的油壓所產生的壓力（上圖灰色線所表示）和由推力半球產生的支持力（上圖紅色箭頭表示），二者受力平衡。由油泵產生的油壓力F油大小為有效面積S1與油泵壓力P油之積，即：F油=S1P油(3-11)其中S1=BL1帶入數據可得：S1=4×2.5=10cm2油泵壓力P油已知為：P油=13N/cm2結合以上數據可得:F油=S1P油=10×13=130N由于受力平衡可得：F1=F油=130N此時F1反作用在壓電陶瓷上的F2與F1大小相同，反作用在壓電陶瓷上的壓強為：P1=F2/S(3-12)壓電陶瓷的底面積為：S=πD2/4=10×10×π÷4=78.5mm2帶入可得處于定心運行時，壓電陶瓷提供的壓強為：P1=130÷78.5=1.66N/mm2此時對應的壓電陶瓷長度為13mm。當軸承發(fā)生偏心時，軸承產生的壓力表示如下圖：由于本設計軸承的寬徑比小于0.4，近似于無限窄動壓徑向軸承，所以通過查閱機械設計手冊可得任意一點的壓強為：(3-13)其中表示軸頸在運動中相對于極限偏心位置的角度。通過幾何關系和數學積分可得：當=0或z=0.5B時，由于軸頸的偏心運行產生的動壓力壓強最小，此時：pmin=0當=26°且z=0時，由于軸頸的偏心運行產生的動壓力壓強最大。此時：pmax=7.16N/cm2因為動壓軸承在運行過程中內部油壓變化復雜，計算過程繁瑣復雜，故使用簡單模型對其進行分析計算，簡化后的受力分析如下圖所示：油液產生的最大壓力為：F動=Pmax×S瓦(3-14)對軸瓦有效面積進行計算：S瓦=BL=4×1.6=14.4cm2帶入數據可得F油的最大值為：F動=Pmax×S瓦=7.16×14.4=101.104≈103N此時軸瓦受力總和為：F=F油+F動=130+103=233N結合以上公式可得壓電陶瓷受到的最大壓強為：P2=F/S=233÷78.5=2.96N/mm2此時壓電陶瓷會發(fā)生最大限度的伸長來平衡由于偏心產生的壓強，由于這一過程屬于一個動態(tài)過程（壓電陶瓷會在開始產生偏心的時候就進行調節(jié)在這里只考慮極限情況）此時壓電陶瓷的形變量約為：此時壓電陶瓷的長度最大，為11.169mm但是在實際運行中，由于壓電陶瓷會在軸頸剛開始偏離中心位置時就對齊進行反作用，通過自身的微動來實現對油膜間隙的調節(jié)，可以有效的降低軸承的偏心率，以實現壓電陶瓷對于可傾瓦軸承的主動控制。1.5雙壓電陶瓷主動控制的液體動壓軸承1.5.1雙壓電陶瓷控制的液體動壓軸承控制方法介紹軸承結構示意圖如下：軸承徑向剖視圖軸承本體半剖視圖柔性鉸鏈軸瓦柔性鉸鏈推力球副蓋板軸承的結構設計介紹：如圖所示，在軸承本體1中沿圓周方向開有六組的圓柱腔16，軸瓦槽15和徑向的螺紋孔17，統(tǒng)稱為軸瓦內腔，其中每一組軸承內腔與相鄰組的相離的圓周角度為50°和70°；將3個柔性鉸鏈偏角軸瓦2按照上圖所示，通過定位鍵22進行定位放置在軸瓦槽中，軸瓦部分25偏大的一側偏向距離較近的兩組軸瓦內腔；將三個柔性鉸鏈推力球副3通過定位鍵32進行定位分別放置在剩余的軸瓦槽中；將六個推力半球4按上圖放置于圓柱腔內，其中圓球面與軸瓦的定位平臺21和推力球副的定位平臺31配合，將三個壓電陶瓷5A放置在與軸瓦對應的圓柱腔內，三個壓電陶瓷5B放置在與推力球副對應的圓柱腔內，將六個螺栓6通過螺紋配合與徑向螺紋孔17配合，通過這種方式實現壓電陶瓷在可傾瓦軸承中的裝配，同時可以通過拆卸鉸鏈實現壓電陶瓷的更換與維護。在柔性鉸鏈偏心軸瓦2中，包含了三處柔性鉸鏈22,22,23。其中柔性鉸鏈22可以配合定位平臺控制軸瓦整體的徑向移動，從而帶動軸瓦整體的徑向移動，柔性鉸鏈23與軸瓦的軸瓦部分連接，為軸瓦的擺動提供結構條件。在柔性鉸鏈推力球副3中，包含了兩處柔性鉸鏈33和接觸球副34，其中柔性鉸鏈33可以配合定位平臺控制推力球副的徑向移動，接觸球副與偏心軸瓦的大偏角軸瓦部分形成線接觸，從而可以推動軸瓦進行擺動，有效的控制軸瓦的擺動。在軸承本體1中沿圓周方向均勻開有三個油孔，壓力油液從一個油孔進入，通過油道11進入軸承內部的軸承間隙中，再從另外兩個油路凹臺10通過油道從油孔離開軸承。同時兩個出油孔所連接的油管通過一個T型油管連接件與油泵連接，以此保證軸承內部油液壓力的穩(wěn)定。壓電陶瓷主動控制油膜間隙機理：通過壓電陶瓷驅動器A的伸長和縮短，作用于推力半球，推動柔性鉸鏈軸瓦的移動平臺徑向移動，進一步帶動軸瓦整體的徑向運動，實現對油膜間隙大小的主動控制，從而控制軸頸轉動過程中油膜動壓力的大小。在油膜間隙減小的位置，油膜動壓力增大，對軸頸的局部支撐力增大；在油膜間隙增大的位置，油膜動壓力減小，對軸頸的局部支撐力減小。同時，每個柔性鉸鏈軸瓦中軸瓦角度偏大的一側設置了一個由壓電陶瓷驅動器B控制的柔性鉸鏈推力球副，用于控制軸瓦角度較大一側進行軸瓦的擺動，同時提高軸瓦的穩(wěn)定性和結構剛度。由于控制兩者的壓電陶瓷型號不同，對軸頸偏心所產生的伸縮狀況不同，壓電陶瓷A與柔性鉸鏈軸瓦移動平臺接觸，可以有效的控制油膜間隙的大小，而壓電陶瓷B通過對推力球副進行控制且作用點位于軸瓦較大的一側，可以輔助進行油膜間隙大小的控制，因為壓電陶瓷B比壓電陶瓷A彈性模量小，對壓力的變化反應更敏感，形變更大，可以通過推力半球控制軸瓦的擺動，從而使軸瓦半徑較大的一側可以通過自身的擺動調節(jié)油膜壓力，將軸頸推回定心位置。通過多個由壓電陶瓷主動控制的柔性鉸鏈軸瓦和推力球副的協(xié)同配合，可以實現對軸頸所受壓力分布、剛度、阻尼的控制，用于保持可傾瓦軸承的最佳工作狀態(tài)、提高軸頸回轉精度、抑制軸頸振動和主動控制軸心軌跡等應用場合。1.6雙壓電陶瓷控制與單壓電陶瓷控制的區(qū)別單壓電陶瓷控制的可傾瓦軸承特點：使用單壓電陶瓷對可傾瓦軸承進行控制時，因為每個軸瓦只使用一種型號的壓電陶瓷進行控制，對軸瓦角度的要求較小，軸瓦可以做成角度較小且關于柔性鉸鏈對稱的結構，這樣就可以在一個圓周內放置置多個軸瓦從多個方向對軸頸的位置進行調整。因為軸瓦角度較小，受力面積較小，軸瓦不會發(fā)生較大范圍的擺動，相對而言穩(wěn)定性較好。由于多個軸瓦可以存在多個軸瓦間隙來安置出油凹臺，使得油液可以均勻的流入軸承內部，從而保證軸承內部油壓的穩(wěn)定性。雙壓電陶瓷控制的可傾瓦軸承特點：雙壓電陶瓷控制的原理是，使用兩種不同型號的壓電陶瓷（為方便描述分別命名為壓電陶瓷A和壓電陶瓷B），壓電陶瓷A控制柔性鉸鏈軸瓦，壓電陶瓷B控制柔性鉸鏈推力球副，其中壓電陶瓷B的彈性模量更小，在相同情況下變化更加明顯。因為使用雙壓電陶瓷對可傾瓦軸承進行控制，除了要對軸瓦本身需要一個壓電陶瓷A控制油膜間隙，還需要再加一個由壓電陶瓷B控制軸瓦的支撐和擺動，所以需要軸瓦有一個較大的角度。同時為了能讓兩個柔性支點分別在軸瓦的兩側進行固定，還需要軸瓦相對于連接的鉸鏈有較大的偏心，這就導致了軸瓦相對于鉸鏈有很大的不對稱性，使得軸瓦在軸承運行過程中容易發(fā)生過載現象產生失效現象，為此在軸瓦的