CN102192238B

CN102192238B - 增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法

Info

Publication number: CN102192238B
Application number: CN2011101326156A
Authority: CN
Inventors: 刘雅黔
Original assignee: Chongqing Turbo Flow Machinery Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Chongqing Turbo Flow Machinery Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102192238A

Abstract

本发明公开了一种增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法，根据限定条件a1和b值、轴半径Rs，轴承内孔基圆半径Rb＝Rs+b，支撑轴承内壁加工的最深点距离轴的轴心距离R2＝Rs+a1；以半径Rb和R2画两个与轴同心的同心圆；根据油楔数量n对两同心圆进行n等分；由曲线将2n个等分点顺序连接，曲线极坐标方程为ρ＝Rm+e*sin(n*t)或ρ＝Rm+e*cos(n*t)，该曲线即为支撑轴承内孔油楔形状。本发明用更简单的方法设计描述轴承内壁的油楔，既满足轴承设计的限定要求，又降低设计绘制难度、简化图纸标注，降低加工难度，保证产品外观的一致性。

Description

增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法

技术领域

本发明涉及半浮动支撑轴承，具体指增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法，属于支撑轴承技术领域。

背景技术

随着增压器转速的不断提高，压比的不断提高，增压器轴承受力和轴承线速度都在增加，因此目前新开发的增压器已经基本上采用滑动轴承。

增压器的转子在工作时承受的重力需要径向支撑滑动轴承与轴之间形成的油楔予以抵消。由于增压器特别是小型增压器转子转速高，重量轻，设计时更侧重于降低轴承与轴的相对速度，因此设计开发了浮动式支撑轴承(浮动套)，其结构就是一个内外圆同心的圆柱环，内圆与轴有间隙，外圆与轴承座有间隙，间隙之间充满润滑油。转子转动时由于滑油的粘性，将静止的浮动套也带动其一起旋转。由于浮动套与轴承座之间有滑油，有相对运动，滑油的粘性对浮动套有阻力，该阻力与浮动套内圈由滑油粘性产生的驱动力达到平衡时，浮动套的转速就稳定下来。显而易见，浮动套的转速方向与轴一致，但转速低于轴的转速，由此将支撑轴承与轴的相对转速降低。由于浮动套内外都有油膜，油膜的可塑性和减振性让轴的运行平稳。

而由于浮动套外圈与轴承座有相对转动，并且其直径大，线速度也大，因此产生的摩擦热量甚至可能比浮动套与轴因为转速降低，导致降低的摩擦热量还大，同时由于浮动套转动，较大的离心力会将滑油中重量大的杂质带到外圈与轴承座之间的油楔中，导致浮动套外圈的磨损也较大。

浮动套的应用经验表明其降低轴高速振动效果很好，保持轴的稳定运行性能也较好，但其降低轴承发热量和提高轴承寿命的效果并不理想。为了进一步改善，瑞士ABB公司于1985年推出的RR1系列增压器中采用了如图1所示的半浮动三油楔支撑轴承结构，其结构是将浮动套外圈周向布置定位销，将浮动套限位使其不能转动，工作时支撑轴承相对轴承座有径向浮动但支撑轴承与轴不再同向转动(如此称其为半浮动)，浮动套内圈不再是简单的圆而是采用了透平机械中常用的固定式轴瓦支撑轴承的油楔结构。这样的支撑轴承由于其具备浮动支撑轴承保持高速轴运转振动小的优点，同时又借鉴了固定式轴瓦支撑轴承三油楔结构可以在较大油膜间隙的情况下保持轴运行高度稳定的特点，避免了浮动套式支撑轴外圈易磨损和固定式带油楔轴瓦不太适合高速轻载的应用限制，特别适合小型增压器的应用。同时由于半浮动支撑轴承内孔带三个油楔，内孔与轴之间可以采用较大的油膜间隙，可以增大滑油流量，轴与轴承之间相对转速高导致的较大发热量可以得到充分的冷却。因此瑞士ABB、日本IHI和德国MAN公司在其新产品上广泛应用了这种结构的支撑轴承。半浮动支撑轴承的固定方式也不再只限于如图1所示的径向固定，变得多种结构并存，只要能可靠地保证其不能转动即可。

图1所示的半浮动支撑轴承内孔三油楔的结构就是简单的三个偏心圆弧，实际其具体结构非常精细，结构设计和加工的要求都很高。

半浮动支撑轴承内孔三油楔的结构由图2所示，单个油楔由油楔左和油楔右构成的完整油楔绕回转中心均匀布置三个构成。面对页面轴旋转方向为逆时针旋转时左油楔起作用，面对页面轴旋转方向为顺时针旋转时右油楔起作用，油楔最大宽度a和最小宽度b根据轴承设计人员提出的要求确定。即使最大的增压器其a值一般不超过0.25mm，b值一般不超过0.1mm。对于小增压器要采用这样的设计，其取值会更小。图2所示的油楔形状由简单的偏心圆与轴的外圆构成。但实际上由于轴承设计人员提出的a和b值不太可能用一个偏心圆就可以构成，因此设计中，常采用两个偏心圆构成支撑轴承的内壁形状，如图3所示。

轴承设计人员提出的油楔两个限定尺寸为：a1和b，b值由轴承内壁基圆半径Rb与轴半径Rs的差值形成，这样可以用图示中的偏心圆Rq将需要的b值设计出来。偏心圆Rq相对轴回转中心的偏心距e和圆心也可以确定。但该偏心圆在油楔进口处与轴外圆形成的进口宽度a大于设计要求的a1值，因此又用一个偏心圆Rr来保证a1值。为了保证油楔壁面光滑，Rq和Rr两个偏心圆需要相切。这就的设计思路会在构型设计时用计算或作图都会将尺寸精度要求提到不可能实现的程度，因此Rq和Rr两个偏心圆基本上都是相交近似相切的。即使采用近似相切的方法，由于a1和b的值很小，轴承内壁基圆Rb的半径、偏心圆Rq和Rr的半径、偏心距和圆心坐标精度依然很高。这又会要求机床精度、刀具精度、工装精度、工艺校调精度提高到很难实现的程度。另外，用两个偏心圆来保证a1和b值的设计思想，对于不同的设计人员会得出不同的解决方案，使用效果基本相当，孰优孰劣很难判定。如果用两个以上偏心圆相切保证a1和b值就更为复杂和困难。

多偏心圆构型的油楔可以更好的保证轴承设计提出的限定要求，因此轴承寿命更好，轴高速旋转的稳定性也很好。但由于其构型特点使得设计和加工难度大，即使机床、刀具、工装和工艺能力都很强，由于不可避免的工艺尺寸误差累计、型位公差、偏心圆近似相切、刀具和设备振动等因数的影响，加工的轴承内壁不管是单件的三个油楔还是批量件相互间油楔对比，外观质量不好控制，一致性差，即使0.001mm的误差也会导致外观上面多达几毫米的差异。采用两个圆弧相切的方式生成的油楔，由于圆弧曲率半径的不一致，理论上会产生清晰的平直圆弧相交线，而实际加工时即使将所有工序的精度控制在0.01mm甚至0.005mm，由于前述因数的影响，实际加工线，线条本身模糊不清，同时还是不平直的，三个油楔相互比较也不均匀。

目前一些厂家生产制造类似结构的轴承时，为了制造方便，更多的采用单个偏心圆的设计方式，部分满足轴承设计的要求，虽然制造容易，但牺牲了设计寿命。而采用两个偏心圆的设计方式加工的轴承用于产品上性能很好，都可到达设计要求，但如前所述，设计和加工要求高，会极大地提高生产成本。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状新的确定方法，本方法用更简单的方法设计描述轴承内壁的油楔，既满足轴承设计的限定要求，又降低设计绘制难度、简化图纸标注，降低加工难度，保证产品外观的一致性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法，其确定步骤为：

1)根据支撑轴承设计提出的限定条件a1和b值，假设轴半径为Rs，那么支撑轴承的内孔基圆半径Rb＝Rs+b，支撑轴承内壁加工的最深点距离轴的轴心距离R2＝Rs+a1；

2)以半径为Rb和R2分别画两个与轴同心的同心圆；

3)根据油楔数量n对第2)步得到的两个同心圆进行n等分，在每一个圆上得到n个等分点，两同心圆的等分点交错且交错角度为360°/(2n)；

4)通过曲线将两同心圆上共2n个等分点依次顺序连接，曲线的极坐标方程为ρ＝Rm+e*sin(n*t)或ρ＝Rm+e*cos(n*t)，其中Rm＝(Rb+R2)/2e＝(R2-Rb)/2，n为油楔数量，变量t＝0～360°，该曲线即为支撑轴承内孔油楔形状。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、根据轴承设计限定数据，可以给定唯一的油楔结构，可以方便的用CAD绘制公式曲线的功能再现。

2、该曲线相对回转中心轴对称，在等分点与同心圆相切。

3、该曲线n＝1时可以替代各种椭圆油楔设计，(Rm为椭圆短轴长度，Rm+2e为椭圆长轴长度)，n＝2时可以替代各种两油楔设计(也是一种椭圆轴承)，n＝3时可以替代各种三油楔设计。

4、该曲线高阶连续，自然也就曲率连续。对工艺要求降低，加工后的外观一致性好(不管单件还是批次)，不会有多偏心圆设计在加工中外观质量不一致的问题。

5、油楔曲线在油楔最薄点(支撑点)附近较多偏心圆方法设计的圆弧曲率小，在油楔最厚点(进油点)附近较原方法设计的圆弧曲率大，符合油楔设计进油平顺，支撑有力和有效的定性要求。

6、油楔曲线几何中心与轴承几何中心一致，设计描述简单易用，只需在图纸上描述Rm，e和n就可决定唯一的油楔结构，设计更改简单快捷。

7、该曲线可以用傅里叶公式展开，并且没有高阶谐振杂波，可以方便的设定车刀振动控制策略，同时油楔曲线几何中心与轴承几何中心一致，这两点对实现车刀以3倍工件转频振动车削加工三个油楔这样的先进制造手段有利。一旦实现可以将其生产效率大幅度提高，生产成本大幅度降低，外观质量远优于铣削加工的轴承。

8、本方法虽然源于增压器半浮动三油楔支撑轴承的设计优化和加工优化过程，但可以推广用于所有带油楔滑动轴承的设计。不管是平面推力轴承还是径向支撑轴承，不管是固定还是半浮动的结构，不管油楔数量多少，不管是应用于增压器轴承还是其它机械产品的轴承，均可采用。

9、油楔曲线只有两个核心变量，有利于降低数值模拟的变量规模，方便地采用油楔网格结构化技术和自适应网格重构技术，有利于企业不断优化目前根据应用经验确定的轴承限定量a1和b，有利于企业相关产品提高改进效率，不断提高可靠性，不断提升国际市场的竞争力。

附图说明

图1-半浮动三油楔支撑轴承示意图。

图2-支撑轴承内孔三油楔的结构简图。

图3-用两个偏心圆构成的三油楔轴承内壁示意图。

图4-本发明油楔形状确定示意图(n＝3，t＝0～360°)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法，其确定步骤如下，具体可同时参见图4：

2)以半径为Rb和R2分别画两个与轴同心的同心圆；

3)根据油楔数量n对第2)步得到的两个同心圆进行n等分，在每一个圆上得到n个等分点(分别以P0和P2表示)，两同心圆的等分点交错且交错角度为360°/(2n)；

4)通过曲线将两同心圆上共2n个等分点依次顺序连接，曲线的极坐标方程为ρ＝Rm+e*sin(n*t)或ρ＝Rm+e*cos(n*t)，其中Rm＝(Rb+R2)/2e＝(R2-Rb)/2，n为油楔数量，变量t＝0～360°，该曲线即为支撑轴承内孔油楔形状。本曲线就是数学中所谓的玫瑰线。由此公式确定的油楔形状见图4，这样就实现了用简单的数学曲线代替多偏心圆相切的方法，从而降低了油楔设计和制造难度。

在实际设计时，要确定一个油楔形状，已知条件只有a1值(油楔最大尺寸)、b值(油楔最小尺寸)和轴的半径Rs。通过本设计方法可以唯一确定一个油楔形状，该油楔在P0点与基圆Rs相切，在P2点与半径为R2的圆相切，同时在P0和P2之间油楔型线是曲率连续的(CAD中所谓的G1连续)，这样可以保证油楔外观上的一致。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.增压器半浮动支撑轴承内孔油楔形状确定方法，其特征在于：其确定步骤为：

1）根据支撑轴承设计提出的限定条件a1和b值，假设轴半径为Rs，那么支撑轴承的内孔基圆半径Rb=Rs+b，支撑轴承内壁加工的最深点距离轴的轴心距离R2=Rs+ a1；其中，a1为油楔最大尺寸，b为油楔最小尺寸；

2）以半径为Rb和R2分别画两个与轴同心的同心圆；

3）根据油楔数量n对第2）步得到的两个同心圆进行n等分，在每一个圆上得到n个等分点，两同心圆的等分点交错且交错角度为360°/（2 n）；

4）通过曲线将两同心圆上共2n个等分点依次顺序连接，曲线的极坐标方程为ρ=Rm+e*sin（n*t）或ρ=Rm+e*cos（n*t），其中Rm=(Rb+R2)/2，e=(R2-Rb)/2，n为油楔数量，变量t=0~360°，该曲线即为支撑轴承内孔油楔形状。