超声悬浮式陀螺的结构设计及悬浮特性分析

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1、第33卷第6期Vo1．33No．62013年l2月Dec．2O13超声悬浮式陀螺的结构设计及悬浮特性分析陈超，王均山，刘通(1．南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016)(2．中国人民解放军63961部队北京，100012)摘要为了改善陀螺的支承系统，减少支承摩擦力矩以提高陀螺的综合性能，提出采用超声近场悬浮作用来提供浮子式陀螺的支承，分别构造了圆筒和圆盘式振动结构来提供足够的超声辐射，由此形成的近场声辐射压力对圆筒型浮子组件进行支撑和定位。其中，圆筒型定子的驻波振动诱发声辐射力提供沿浮子径向的悬浮支承，圆盘式端盖的驻波振动提供沿浮子轴向的定位支撑，可

2、在圆筒式浮子与筒式定子和端盖之间的间隙中形成振动的挤压气振膜，由此产生的分布式声辐射压力可为悬浮物提供稳定的支撑。首先，阐释了超声悬浮式陀螺的工作机理和结构．重组成，对圆筒和圆盘式定子进行了结构动力学分析和设计；其次，针对振动结构开展了多物理场耦合分析，研究了悬浮特性的影响因素；最后，加工制造了样机，搭建了实验平台并测试了其悬浮特性能力。结果表明，采用近场声悬浮机理的超声悬浮陀螺定子完全能够悬浮起要求的浮子。一关键词近场声悬浮；声场；振动；陀螺；非接触中图分类号TM359．9；TH7O3．3力对被悬浮物提供支撑，超声悬浮轴承利用近场声引言悬浮现象来获得悬浮支撑口]。常颖等[5]

3、对超声轴承悬浮与减摩的机理进行了研究，并制作了相关实随着科学技术的快速进步，陀螺作为姿态传感验设备验证了超声轴承的悬浮效果。ZhaoSu等[6]器已逐步被广泛应用到航空、航天、航海、测量等诸研制了具有较高径向承载能力并能调节轴颈中心的多领域。陀螺仪的精度和工作状况主要取决于陀螺超声悬浮轴承[6]。任建新等针对声场悬浮的支承支承系统的性能，采用非接触式的支承系统可有效方案开展了有益的探索研究。减少干扰力矩，提高陀螺系统的精度[1]。在这种背笔者提出一种采用近声场来支承浮子组件的新景下，通过不断革新来减小支承摩擦力矩，改进支承原理悬浮式陀螺，具有结构简单、精度较高、对悬浮结构，寻求

4、新的支承方法，故各种悬浮转子式陀螺仪物体没有特定要求、制造方便和成本更低等优点。的研究方兴未艾。对陀螺定子和悬浮机理开展了分析与设计，加工了液／磁浮陀螺、静电陀螺是高精度自主式惯性导样机，搭建了实验平台并测试了其悬浮特性能力。航仪表的代表。尽管如此，采用上述悬浮方式的陀结果表明，超声悬浮式陀螺定子能够稳定、可靠地悬螺还是对工作环境有特殊要求(如真空)，或对转浮起组件样品。子材料有特定的电磁学要求，加工工艺繁复，系统比较复杂和庞大，造价也相当昂贵，难以适应13益增长1超声悬浮式陀螺的结构和工作原理的广泛需求；因此，研究如何引入新原理和方法来构成转子陀螺的悬浮和支承方案，创造结构更

5、为简单超声悬浮陀螺的基本结构如图1所示。其主要的姿态敏感技术已成为迫切需要解决的问题。部件为圆筒型定子，可通过螺钉与外壳紧固；左右两近场声悬浮(nearfieldacousticlevitation，简称侧为两个圆盘形端盖，亦通过螺丝钉将其外沿与外NFAL)为新型非接触式支承提供了一种思路。近壳之间进行紧固连接。浮子组件为一纺锤形的被悬场声悬浮是通过压电振子的高频振动产生的声辐射浮物(内部装有转子)，习惯上可统称为转子。*国家自然科学基金资助项目(11174149，50975135)；航空科学基金资助项目(2011ZC52035)收稿日期：2012—06—02；修改稿收到日期：

6、2013一10—151064振动、测试与诊断第33卷trasoniclevitationtransportingsystem—fromsolidstate加堪m64tOfluidmedia口]．IEEETransactionsonUltrasonics，Ferroelectrics，andFrequencyControl，2010，57(4)：鲁＼951—956．恒[4]TakeshiI，JamesF，KentaroN，eta1．Anon-contact哟linearbearingandactuatorviaultrasoniclevitation[J]．SensorsandA

7、ctuatorsA：Physical，2007，135(2)：740—747．[5]常颖，吴博达，杨志刚，等．超声波悬浮推力轴承承载f

8、Hz能力及减摩性能I-J]．吉林大学学报：工学版，2004，图17悬浮高度与驱动频率34(2)：222—225．ChangYing，WuBoda，YangZhigang，eta1．Bearingcapacityandanti-frictionbehaviorofultrasonicvibra—4结束语tionbearing[J]．JournalofJilin