超声波轴承用压电换能器技术研究

发布时间：2017-08-02 22:25

  本文关键词：超声波轴承用压电换能器技术研究

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【摘要】：气体轴承在微细加工、精密工程、医疗器械等工程领域中,是提高机械加工精度的重要途径。随着气体润滑和超声悬浮技术研究的不断进步,高速度、高精度、低摩擦、非接触气体挤压膜轴承成为该技术领域新的研究方向,超声波悬浮挤压膜轴承在一维平板静压悬浮基础上向多维、动态方向发展,高功效压电换能器又称作压电挤压器成为超声波轴承的关键组成部件。 本文提出了一种用于新型超声悬浮挤压膜轴承中的径向全包容柱状挤压式压电换能器,建立了径向耦合振动的机电等效电路理论数学模型,进行了振动特性的有限元仿真分析与实验验证,分析了压电换能器的振动特性。主要研究工作如下： 结构上,采用带有支撑座、矩形凹槽结构的薄壁金属圆筒,和矩形压电陶瓷薄片构成。该结构满足超声悬浮轴承与轴之间构成径向全封闭的薄膜空间,增加了辐射面积,减小了摩擦,提高了悬浮稳定性、旋转精度、工作效率等。 理论上,应用压电超声振动相关理论、机电类比法,构造系统的径向耦合振动的机电等效电路数学模型,建立压电换能器径向振动的机电等效电路,计算出该类型复合压电换能器的谐振频率方程,采用Matlab软件计算已知设计尺寸换能器的谐振频率、反谐振频率等振动特性参数。结合ANSYS软件中压电耦合体有限元理论,对换能器进行模态与谐响应分析,计算出压电换能器成三角型挤压变形的最佳振动形态、谐振频率、反谐振频率、及径向最大振幅,探讨出压电换能器谐振频率与材料、结构尺寸之间的关系。 结合数值分析和正交试验方法,分析压电换能器材料、结构尺寸对换能器谐振频率和径向最大振幅的影响；以优化换能器机械振动性能为目的,优化换能器结构尺寸：制作压电换能器样机和超声悬浮轴承系统,并对换能器进行谐振频率与径向振幅测试,验证理论计算与有限元分析结果的正确性。
【关键词】：压电换能器 超声悬浮轴承 机电等效电路 谐振频率 有限元分析
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB552;TH133.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景及其研究意义11-12
• 1.1.1 研究背景11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 压电换能器技术研究概述12-21
• 1.2.1 超声波悬浮工作机理12-14
• 1.2.2 压电换能器技术研究现状14-18
• 1.2.3 压电换能器在超声波轴承领域的发展18-21
• 1.3 本文研究的主要内容及组织结构21-23
• 第二章 压电换能器设计23-30
• 2.1 压电材料23-25
• 2.1.1 压电材料基本特性参数23-24
• 2.1.2 压电材料分类24-25
• 2.2 压电换能器基础理论25-27
• 2.2.1 压电振子振动模态25-26
• 2.2.2 压电方程26-27
• 2.3 压电换能器设计27-29
• 2.3.1 压电换能器用途27
• 2.3.2 压电换能器工作原理27-28
• 2.3.3 换能器结构设计28-29
• 本章小结29-30
• 第三章 压电换能器径向振动耦合数学模型的建立30-42
• 3.1 金属薄壁圆筒径向振动30-35
• 3.1.1 基本方程30-33
• 3.1.2 金属圆筒径向挤压振动的机电等效电路33-35
• 3.2 矩形压电陶瓷薄片长度伸缩振动35-39
• 3.2.1 基本方程35-38
• 3.2.2 矩形压电陶瓷片长度伸缩振动机电等效电路38-39
• 3.3 压电换能器径向耦合振动谐振频率方程39-41
• 3.3.1 等效电路39-40
• 3.3.2 等效阻抗40-41
• 3.3.3 谐振频率方程41
• 本章小结41-42
• 第四章 压电换能器有限元分析42-58
• 4.1 有限元及建模42-47
• 4.1.1 有限元与ANSYS软件简介42-44
• 4.1.2 材料类型与材料参数44-45
• 4.1.3 建立有限单元模型45-47
• 4.2 压电换能器模态分析47-53
• 4.2.1 模态分析概念与目的47-48
• 4.2.2 换能器模态分析48-53
• 4.3 换能器谐响应分析53-54
• 4.3.1 谐响应分析概念与目的53
• 4.3.2 换能器谐响应分析53-54
• 4.4 换能器谐振频率与径向振幅的影响因素54-56
• 4.4.1 材料对谐振频率与径向振幅的影响54-55
• 4.4.2 换能器结构尺寸对谐振频率与径向振幅的影响55-56
• 本章小结56-58
• 第五章 压电换能器结构优化设计与实验研究58-69
• 5.1 结构优化设计58-61
• 5.1.1 正交试验介绍58-60
• 5.1.2 优化设计60-61
• 5.2 实验测试61-67
• 5.2.1 样机制作61-63
• 5.2.2 实验设备介绍63-65
• 5.2.3 实验方案设计65-67
• 5.3 测试结果分析67-68
• 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-73
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈思;蓝宇;顾郑强;;压电单晶弯张换能器研究[J];哈尔滨工程大学学报;2010年09期

2 常颖;吴博达;程光明;杨志刚;田丰君;;超声波轴承用压电换能器模态分析及实验研究[J];哈尔滨工业大学学报;2006年05期

3 王应彪;刘传绍;王远;张庆文;;纵向压电式换能器模态分析及实验研究[J];机械设计与制造;2011年03期

4 王宏祥;白洋;胡静;何R，

本文编号：611537