基于PZT和柔性铰链的新型主动空气箔片轴承的制作方法

本发明涉及空气轴承技术领域，具体涉及一种基于PZT(压电陶瓷)和柔性铰链的新型空气箔片轴承。

背景技术：

空气箔片轴承由顶箔、波箔和轴套组成，是一种利用旋转转子与轴承间存在的相对运动产生楔形空间对具有一定粘性的气体产生挤压作用，形成具有一定刚度和阻尼的压力润滑气膜支撑负载的空气动压轴承。

传统的空气箔片轴承是通过楔形效应，转子高速旋转挤压气体产生动压效应支撑起负载转子；通过弹性箔片作为支撑结构提供一定的刚度和阻尼，使轴承具有一定的承载能力和减振能力。但是由于气体动压交叉耦合效应的影响导致其支撑的轴承-转子系统稳定性较差。

PZT是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。当电压作用于PZT时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。通过控制PZT的供电信号可以量好的控制其机械变形。然而PZT的机械变形量相对较小且在工作过程中需要持续施加预压力，在应用上存在局限性。

柔性铰链是一种微位移放大机构，能对较小的位移显著放大并且其具有定位精度高、结构紧凑、运动灵敏且平稳、免润滑、无摩擦等优点；使用柔性铰链可以使微小的机械变形从几微米放大至几十甚至几百微米。

基于PZT和柔性铰链的新型空气箔片轴承是一种通过控制PZT的输入电压改变PZT的变形，并通过柔性铰链发大PZT的变形量，从而实现轴承间隙的显著改变进而较大改变楔形空间最终改变轴承刚度的主动控制气体动压轴承。该轴承与普通转子轴承相比，它具有无油润滑，摩擦损耗小，转速高等优点；与传统空气箔片轴承相比，它具有轴承间隙可调，轴承的刚度特性可调等优点，可以通过改变楔形空间改变轴承-转子系统的稳定性，可以确保转子高速运转过程的稳定。通过柔性铰链对PZT机械变形的放大，实现了楔形空间的大幅度改变，对轴承的刚度的调控作用显著。该轴承在空气循环机、无油空气压缩机、微型燃气轮机等涡轮机械中具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有的技术不足，通过自行设计的预压力施加装置确保了PZT工作的稳定性；通过控制PZT供电信号，控制PZT的机械变形并通过柔性铰链放大PZT的变形量实现空气箔片轴承间隙的显著改变，从而实现楔形空间的显著改变，最终显著改变轴承整体的刚度特性。利用PZT的机械变形量跟随输入电压而改变的特性，根据轴承-转子系统的运行状态，适时适当调节PZT的供电电压，实现不同系统运行状态下不同的轴承刚度，从而提高轴承-转子系统的稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于PZT和柔性铰链的新型空气箔片轴承，包括：轴套、PZT、波箔、顶箔、钢球、弹簧和螺钉。所述PZT周向嵌入在轴套内壁之中，所述预压力施加装置、柔性铰链和刚性推杆均周向内置于轴套之中，所述波箔置于刚性推杆和轴套的内壁之上，所述顶箔置于波箔之上。

进一步，所述轴套通过线切割实现通槽、弹性铰链、刚性推杆结构和螺纹孔结构，刚性推杆与轴套内壁保持同一个内圆柱面。

进一步，所述PZT嵌入在轴套的通槽内，预压力施加装置随刚性推杆沿轴套周向分布。

进一步，波箔是箔片经过压制而成的弹性结构。

进一步，波箔置于刚性推杆与轴套内壁之上，波箔一端通过焊接紧固与轴套内壁之上，另一端处于自由状态。

进一步，钢球、弹簧和螺钉通过加工的螺纹孔定位依次安装放置，并通过调节螺钉位置调节施加预压力的大小。

进一步，顶箔置于波箔之上，一端通过焊接与轴套内壁紧固在一起，另一端处于自由状态。

进一步，刚性推杆的周向分布角度可为120°也可为180°等不同角度分布。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：本发明提出的预应力施加装置，能确保PZT的稳定工作。本发明提出的基于PZT的新型空气箔片轴承，通过引入PZT和柔性铰链，控制PZT的供电信号使其发生较小的机械变形；较小的机械变形通过柔性铰链放大后通过刚性推杆支撑起贴附在推杆和轴套内壁的波箔，实现轴承与支撑转子之间的间隙的显著改变，进而显著增大气体润滑膜的楔形空间，从而减弱交叉耦合效应，增强轴承动压效应，提高轴承的刚度特性。当转子转速接近系统的临界转速会因为共振导致振幅过大，本发明可以通过控制PZT的电信号改变轴承的刚度特性，改变轴承-转子系统的动力学特性，提高轴承-转子系统的临界转速，使转子稳定通过原临界转速后控制PZT的供电信号使轴承-转子动力学特性恢复到原状态，从而实现平稳通过原系统临界转速，提高系统的稳定转速运转区间和轴承-转子系统的稳定性。本发明解决了PZT使用过程中预压力的施加问题，解决了PZT机械变形过小的缺陷，应用于空气箔片轴承使其轴承刚度主动可调，应用改发明能极大的提高轴承-转子系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明爆炸图；

图3为本发明轴套结构示意图；

图4为本发明控制PZT供电信号改变轴承间隙示意图；

图5为两块刚性推杆支撑的轴承结构示意图；

图6为三块刚性推杆支撑的三瓣箔片轴承结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。然而可以理解的是，下述具体实施方式仅仅是本发明的优选技术方案，而不应该理解为对本发明的限制。

如图1所示，基于PZT和柔性铰链的新型空气箔片轴承包括：轴套(1)、PZT(2)、柔性铰链(3)、刚性推杆(4)、钢球(5)、弹簧(6)、螺钉(7)、波箔(8)和顶箔(9)构成。如图2所示，使用线切割加工所述轴套(1)获得沿周向均分布的三个PZT的安装通槽及对应的柔性铰链(3)和刚性推杆(4)，刚性推杆(4)顶端与轴套(1)共内圆柱面，将PZT(2)安装在通槽中；使用铣刀加工所述轴套(1)获得六个周向均分布的拧紧装置所需的螺纹孔，将对应的钢球(5)、弹簧(6)和螺钉(7)安装在加工的螺纹孔中，并通过改变螺钉(7)位置调节预压力大小。波箔(8)是由弹性材料压制而成，置于轴套(1)和刚性推杆(4)内圆柱面之上。波箔(8)一端焊接在轴套(1)内圆柱面上，另外一端自由。顶箔(9)覆盖于波箔(8)之上。轴套(1)结构如图3所示。

如图4所示，通过控制PZT(2)的电信号改变PZT(2)厚度方向的机械变形，使用相应的柔性铰链(3)放大机械变形量并通过刚性推杆(4)明显调整支撑箔片与转子之间的间隙，显著改变楔形空间，从而减弱轴承的交叉耦合效应增强轴承的动压效应，改变轴承的刚度。当轴承-转子系统工作在接近系统临界转速时，控制轴承PZT(2)的电信号使PZT(2)获得微小的机械变形并通过柔性铰链(3)和刚性推杆(4)放大后显著改变轴承刚度特性从而使得轴承转子动力学特性发生变化，提升轴承-转子系统临界转速，提高轴承转子系统的稳定性；当转子转速远离原始临界转速后，控制轴承PZT(2)的电信号，使轴承刚度特性恢复至原有特性，最终实现转子平稳经过原有临界转速后依然能够稳定运转，从而提高轴承-转子系统的稳定性。

除了以上提出的实例，轴承内PZT(2)、柔性铰链(3)和刚性推杆(4)的周向分布可以有其它不同的形式，图5所示为周向两块PZT(2)、柔性铰链(3)和刚性推杆(4)的支撑结构的新型空气箔片轴承示意图。图6所示为现有PZT(2)、柔性铰链(3)和刚性推杆(4)结构支撑的三瓣波箔轴承示意图。此外波箔的瓣数与顶箔的个数可以依据不同具体情况进行设计。