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作品名称：多阵子聚焦式超声波悬浮轴承设计
学校名称：山东理工大学
参赛队伍：Lakers
参赛学生：李德龙邹昕澎
指导老师：宋汝君

详细说明

原理概述：超声悬浮轴承本质上是属于空气轴承中的一种，以空气作为介质产生挤压膜效应。本文多阵子聚焦式超声波悬浮轴承的设计是基于压电陶瓷智能材料的逆压电效应、流体动力学技术、非线性声学技术、气体热力学技术以及超声波近场悬浮技术的日益成熟与发展，其中最主要的为压电陶瓷逆压电效应和超声波近场悬浮技术。
解决问题：为在实现超声波悬浮轴承轴向悬浮力和径向悬浮力复合承载的基础上，提高轴承的轴向承载力，对轴承的结构进行设计和材料选取。对所设计的超声悬浮轴承所选取的高功率郎之万换能器进行分析，在确定结构的基础上始终以提高轴向承载力为核心，不断地进行结构优化并确定机械结构的尺寸。与此同时，为实现对所设计轴承郎之万换能器的控制，利用压电陶瓷等智能材料的逆压电效应对换能器的驱动电路进行构思与设计。

工作机理：该超声波悬浮轴承图直接利用三个大功率超声换能器的辐射表面来支撑主轴，而无需机械的直接接触。其中大功率超声换能器采用的是郎之万超声换能器，其主要材料是压电陶瓷智能材料，采用基于变幅杆轴承结构的夹心式陶瓷结构设计，用螺栓预紧夹心式陶瓷其所产生的预紧力可以最大程度上保证陶瓷叠堆在受压状态下能够维持稳定的工作状态，避免了对陶瓷的破坏，提高陶瓷的耐电压能力。而使用变幅杆轴承结构的优点是可以通过改变振动输出端的形状，从而实现对转子的悬浮。改变辐射体内部截面尺寸为“ㅓㅏ”，使声波传递的路径分为横波和纵波，实现径向悬浮和轴向悬浮的悬浮复合，与此同时，在悬浮的转子上加上轴向定位轴套筒，轴套与被支撑轴的固定方式为过盈配合，在给予超声换能器一定的激励电压后，压电陶瓷所产生的逆压电效应将电能转化为振动能，在快速振动下，辐射体与轴套之间的气体无法与外界气体及时的进行交换，从而产生一层纳米级微米级的挤压膜，从而实现对轴套的悬浮支撑，再进一步达到对被支撑轴悬浮的效果。为保证辐射体与轴套彼此更好的配合作用，将轴套与辐射体的配合面做斜面处理，在最大程度上保持悬浮轴承径向承载力的基础上加大了悬浮轴承的轴向承载力。