Спосіб формування газової опори прецизійного пристрою і опора прецизійного пристрою, яка його реалізує

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для осуществления подвески чувствительных элементов прецизионных приборов, работающих по принципу газовой подушки. В качестве прототипа способа взят способ формирования газовой опоры, реализованный в узле ведущего вала магнитофона [1], основанный на возбуждении вторичных ультразвуковых колебаний при возбуждений от пьезоэлемента в подпятнике (кольце-втулке) и формировании газовой пленки повышенного давления между аналогичной сопряженной поверхностью цапфы (вала). В качестве прототипа устройства взята опора, реализованная в узле ведущего вала магнитофона [1] и содержащая втулку-подпятник из упругого материала и установленную на пьезоэлементе, цилиндрическую цапфу-вал, причем цапфа и подпятник сопряжены аналогичными по форме поверхностями через ультразвуковую газовую пленку. Режим колебаний в способе-прототипе аналогичен параллельному переносу одной из сопрягаемых поверхностей. При этом несущая прослойка повышенного давления существует только в цикле сжатия, что приводит к увеличению момента сопротивления в цикле разрежения, а увеличение удельной несущей способности при этом может быть достигнуто только через увеличение энергопотребления. Недостатком устройства-прототипа является то, что оно основано на возбуждении колебаний по нормали к сопряженным поверхностям. При этом форма зазора в процессе колебаний сохраняется, т.е. величина зазора в каждый фиксированный момент времени по сопрягаемым поверхностям есть величина постоянная. Это в свою очередь также приводит к увеличению момента сопротивления в цикле разрежения, и, как следствие, - к уменьшению результирующей несущей способности, компенсация которого может быть достигнута только через увеличение мощности накачкиэнергопотребления. При создании изобретения решалась задача уменьшения момента сопротивления и энергопотребления опоры. Эта задача решалась за счет того, что в способе формирования газовой опоры прецизионного прибора, заключающемся в возбуждении ультразвуковых вторичных резонансных колебаний в одном из элементов опоры и формировании газовой пленки повышенного давления между аналогичными по форме сопряженными, поверхностями подпятника и цапфы опоры, согласно изобретению, сопряженные аналогичные по форме поверхности подпятника и цапфы опоры устанавливаются под углом одна к другой с получением неоднородной газовой пленки между ними. Поставленная задача в устройстве решается тем, что в опоре прецизионного прибора, содержащей цапфу и установленный на пьезоэлементе подпятник из упругого материала, сопряженные аналогичными по форме поверхностями через ультразвуковую газовую пленку, при этом пьезоэлемент выполнен в форме кольца поляризованного по нормали к его поверхности, а вектор первичных ультразвуковых радиальных колебаний направлен по нормали к поверхности сопряжения пьезоэлемента и подпятника, цилиндрическая поверхность которого жестко соединена с цилиндрической поверхностью пьезоэлемента, согласно изобретению, подпятник выполнен в форме тела с различной по высоте радиальной жесткостью. В вариантах устройства подпятник выполнен из стекла. Сопряженные поверхности цапфы и подпятника выполнены в виде конуса или усеченного конуса, либо в виде сферического пояса или сегмента. По меньшей мере, одно из оснований тела подпятника сопряжено через ультразвуковую газовую пленку с аналогичной по форме дополнительной поверхностью цапфы опоры, а сопряженные основания тела подпятника и дополнительная поверхность цапфы выполнены в виде плоской поверхности, конуса или усеченного конуса, либо сферического пояса или сегмента. Изобретение иллюстрируется чертежом, где: на фиг. 1 показан процесс формирования ультразвуковой газовой пленки: на фиг. 2а-2г схематично представлены варианты газовой опоры; на фиг. 3 - эпюры распределения радиальной силы, действующей' на подпятник опоры в процессе работы. Процесс формирования ультразвуковой газовой пленки повышенного давления близок к адиабатическому процессу и включает фазы сжатия и разрежения. При параллельном ультразвуковом переносе сопрягаемых поверхностей в одном цикле колебаний фазы сжатия и разрежения разнесены во времени, при этом на опору работает только незначительная временная часть фазы сжатия, когда давление в прослойке превышает окружающее, а сама прослойка получается однородной. При угловом колебании одной из сопрягаемых поверхностей прослойка получается неоднородной, при этом постоянно существует область повышенного давления, которая реализует опору и не дает "упасть" ей в цикле разрежения (см. фиг. 1). Решение данной технической задачи позволило более чем в три раза повысить удельную несущую способность опор при фиксированной мощности накачки, более чем на порядок уменьшить момент сопротивления, расширить функциональные возможности опор, находящихся под радиальной и осевой нагрузками и обеспечить технологичность при их изготовлении. На фиг. 2 представлены опоры, реализующие данный способ. Они включают в себя кольцевой пьезоэлемент 1, поляризованный по нормали к плоскости пьезоэлемента, цапфу 2, подпятник 3. Пьезоэлемент закреплен на основании 4. На фиг. 2а подпятник выполнен в виде сплошного цилиндрического упругого тела (например, из стекла), внешняя поверхность которого сопряжена с внутренней цилиндрической поверхностью пьезоэлемента. Изменение радиальной жесткости по высоте тела подпятника реализуется за счет изменения толщины по высоте. На фиг. 2 в приведена аналогичная опора, но охватывающая внешнюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента. Для обеспечения одной угловой степени свободы сопряженные поверхности выполнены в виде конуса или усеченного конуса, для трех степеней свободы - в виде сферического пояса или сегмента. На фиг. 2в представлена опора с повышенной осевой жесткостью и одной угловой степенью свободы. Увеличение осевой жесткости достигается за счет введения дополнительной сопряженной поверхности по основанию тела подпятника и аналогичной по форме дополнительной поверхности цапфы. Введение дополнительной сопряженной поверхности по большему основанию тела подпятника, фиг. 2г, исключает осевую степень свободы и сохраняет только одну угловую. При этом дополнительные сопряженные поверхности могут быть выполнены в виде плоскости, конуса, сферического пояса или сегмента. Работа предлагаемых устройств происходит следующим образом. При подаче на пьезоэлемент 1 напряжения питания с частотой собственных радиальных колебаний он возбуждается и начинает формировать первичные механические радиальные колебания, как это показано стрелками на фиг. 2. по нормали к поверхности сопряжения пьезоэлемента и подпятника. В процессе этих колебаний на подпятник действует периодическая равномерно распределенная по высоте радиальная сила r r r "растяжения-сжатия", фиг. 3 (F - сила "растяжения-сжатия", n, n' , n' ' - нормали в статике, при сжатии и растяжении соответственно). Так как радиальная жесткость подпятника не одинакова по высоте, это приводит к дополнительному изгибу и развороту сопрягаемой поверхности за счет упругих сил, т.е. r происходят колебания, близкие к выворачиванию. При этом нормали n лежащие на радиусе R в радиальных сечениях, совершают синфазные колебания на одинаковый угол. Эти колебания и формируют неоднородную ультразвуковую пленку с постоянно существующей областью повышенного давления по вышеописанному принципу. Аналогичный характер колебаний за счет изгиба возникает и на эквидистантных поверхностях, фиг. 2в, г, что позволяет и на них дополнительно сформировать пленку повышенного давления и осуществить опору, придающую ей новое качество - т.е. повысить радиальную жесткость, либо исключить осевую степень свободы. Эффект полного резонансного согласования опоры, при котором резко уменьшается момент сопротивления и энергопотребления наступает тогда, когда радиальная собственная частота колебаний пьезоэлемента f совпадает с собственной частотой колебаний выворачивания f подпятника. Частота радиальных колебаний кольцевого пьезоэлемента описывается соотношением СI зв 2p R1 где R1 - радиус осевой линии кольца пьезоэлемента; fp = СI - скорость звука в материале пьезоэлемента. зв Частота колебаний выворачивания кольцевого подпятника имеет вид [2] Ix СII зв 2pR2 Ip где R2 - радиус осевой линии подпятника; fp = СII - скорость звука в материале подпятника; зв Iх - момент инерции сечения подпятника относительно оси, лежащей в плоскости кольца; Ip - полярный момент инерции сечения подпятника. Нетрудно показать, что для предлагаемых цилиндрических подпятников Ip » 0,1D4 (1- a4 ) Ix » 0,05 D4 (1- a4 ) d D где D, d - соответственно внешний и внутренний диаметры подпятника. Приравняв fв и fp , получим конструктивное условие резонансного согласования опоры, а именно: a= СI 0,7СII зв зв » R1 R2 или, что то же самое, R1 СI зв » R 2 0,7СII зв Из этого соотношения вытекает возможность построения (с промышленной реализацией) опоры как R R с внутренним подпятником ( 1 > 1 СIзв => 0,7СII ), так и с внешним подпятником ( 1 0,7СII ). зв зв зв R2 R2