CN103291745A - 一种分离式波箔动压气体推力轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够承受一定轴向载荷的分离式波箔动压气体推力轴承，其包括：轴承底盘、平箔片、波箔片、垫片，轴承底盘圆由沿半径方向的缝隙均匀的分成若干部分，平箔片和波箔片插入这些缝隙内，垫片插入轴承底盘内的矩形槽中，螺钉从轴承底盘背后的螺纹孔拧入，压紧垫片从而固定箔片，分离式箔片沿半径方向和圆周方向刚度均可变化，这种刚度特性有助于轴承适应沿半径方向线速度差异导致的压力分布不均，从而能够均匀化压力，协调箔片变形，提高轴承承载能力,箔带之间的狭缝使得波箔片避免了由于温度分布不均引起的热变形，此外还能够使轴承适应少量的轴向偏斜，箔带在自由端连为一体，防止箔带径向偏斜过大导致压力气膜面破坏。

Description

一种分离式波箔动压气体推力轴承

技术领域

本发明涉及一种能够承受一定轴向载荷的分离式波箔动压气体推力轴承，属于气体动压润滑领域。

背景技术

动压气体轴承是一种以气体为润滑介质的流体膜润滑轴承，与传统的液体润滑轴承和滚动轴承相比，动压气体轴承在运行过程中具有高转速、低摩擦、低噪声、无污染、工作精度高、可靠性高等特点。其工作原理为形成楔形间隙的两个高速相对运动的表面，在气体自身粘性作用下将气体带入楔形间隙内，形成能够承受轴向载荷的动压流体膜，与静压气体轴承相比，气体动压轴承无需外部高压气源设备、节流器等，整个支承系统的结构更为简单、紧凑。但是动压气体轴承也存在是自身的局限性，如承载能力相对较低、启停摩擦较为剧烈等。综上所述动压气体轴承通常应用在高速、轻载旋转类机械中，例如微型燃气涡轮机、透平膨胀机、离心机等。

动压气体轴承根据轴承基体可以分为刚性轴承和弹性轴承。刚性轴承支承的转子系统难以满足可靠性和稳定性的要求，轴承加工精度和装配精度要求较高，使用寿命短的问题一直没得到解决。弹性基体轴承也经过了一系列的发展，其主要结构形式有螺旋槽型、管支承型、悬臂型及波箔型。螺旋槽型轴向箔片气动轴承的弹性基体是由刻有螺旋槽的柔性箔片和网状弹性组件构成。管支承型轴向箔片气动轴承的弹性基体是由若干扇形箔片和管状的弹性支承元件组成。悬臂型轴向箔片气动轴承的每个扇形箔片顺序排列在圆环状平板上，下部装有弹性支承元件，箔片的自由端与止推盘形成楔形。

波箔轴承是一种以柔性表面为支承的自作用式弹性轴承，它主要由平箔、波箔、轴承座和旋转盘组成。其承载机理与刚性表面动压轴承类似，即旋转盘表面与平箔表面之间存在收敛楔，在转速达到一定值时，旋转盘表面与平箔表面之间形成动压流体膜，将旋转盘与平箔隔离。在流体膜的压力作用下，平箔和波箔均发生变形，从而产生了平箔与波箔本身的弹性阻尼以及平箔与波箔之间、波箔与轴承座之间的库仑摩擦阻尼，这些阻尼能够有效地吸收轴承的涡动能量，并抑制流体膜产生自激振荡，使其在高速旋转的情况下具有良好的稳定性。与传统的气体轴承相比，波箔轴承还具有运行寿命长、可靠性高、承载能力大、以及高转速等特点。

波箔轴承根据波箔的结构形式可以分为整体式和分离式。整体式波箔的箔拱在半径方向连续，箔拱之间的距离不变。国内外针对一代波箔轴承即整体式波箔轴承做了大量理论分析和实验研究，整体式波箔轴承存在着严重的侧面气体泄露，从实验结果观察到平箔严重磨损甚至烧伤。分离式箔片是由沿圆周方向的若干狭缝将扇形箔片分为几条环带，在各个环带上可以加工出不同节距的波箔。分离式箔片沿半径方向和圆周方向有着不同的刚度特性，这种刚度有特性有助于轴承适沿应半径方向线速度的差异，从而能够均匀化压力，协调箔片变形，提高轴承承载能力。环形狭缝使得波箔片避免了由于温度分布不均引起的热变形，此外还能够使轴承适应少量的轴向偏斜。

到目前为止从国内外众多文献、技术资料可以发现，对箔片动压气动轴承的研究主要集中在径向轴承方面，在实际应用中取得了一些成功。然而，对于箔片气动推力轴承的研究则相对较少，其类型没有径向轴承丰富，相关理论和应用相对缺乏。在国外，箔片轴承已经成功的应用于航空涡轮发动机、微型涡轮发动机、透平膨胀机等高速旋转机械之中，并产生了巨大的经济效益。

因此，针对国内存在的现有情况，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种分离式波箔动压气体推力轴承，其能够承受一定的轴向载荷。

本发明采用如下技术方案：一种分离式波箔动压气体推力轴承，其包括轴承底盘、设置于所述轴承底盘外表面上的平箔片和波箔片以及设置于轴承底盘中的垫片，所述轴承底盘为圆形形状且轴承底盘圆由沿半径方向的缝隙均匀的分成若干部分，所述平箔片和波箔片均匀的分布在轴承底盘的圆周上，其中所述平箔片位于轴承底盘的工作端面上，波箔片位于轴承底盘和平箔片之间。

所述平箔片和波箔片均是一端固定，另一端自由伸缩，所述平箔片的固定端到自由端的方向与压力气流流动方向一致，所述波箔片的固定端到自由端的方向与压力气流流动方向相反。

所述波箔片在径向被分割成若干个箔带，每条箔带沿半径方向分布着不同节距的箔拱，所述箔带的自由端连为一体。

所述每一条箔带上距离波箔片自由端最近的箔拱在圆周方向的位置相同。

所述轴承底盘上还形成有供所述平箔片和波箔片插入的倒“T”形槽。

所述轴承底盘上还形成有紧邻所述倒“T”形槽的矩形槽及紧邻所述矩形槽的螺纹孔，所述矩形槽位于所述倒“T”形槽和所述螺纹孔之间，所述垫片插入所述矩形槽中。

所述分离式波箔动压气体推力轴承还包括有拧入所述螺纹孔中的通过压紧垫片从而固定平箔片和波箔片的螺钉。

本发明具有如下有益效果：

（1）分离式箔片沿半径方向和圆周方向刚度均可变化，这种刚度特性有助于轴承适沿应半径方向线速度差异导致的压力分布不均，从而能够均匀化压力，协调箔片变形，提高轴承承载能力；

（2）箔带之间的狭缝使得波箔片避免了由于温度分布不均引起的热变形，此外还能够使轴承适应少量的轴向偏斜，箔带在自由端连为一体，防止箔带径向偏斜过大导致压力气膜面破坏。

附图说明

图1为本发明分离式波箔动压气体推力轴承的结构示意图。

图2为本发明分离式波箔动压气体推力轴承中平箔片的示意图。

图3为本发明分离式波箔动压气体推力轴承中波箔片的示意图。

图4为本发明分离式波箔动压气体推力轴承的部分结构示意图。

图5为本发明分离式波箔动压气体推力轴承中的箔片安装方式示意图。

图6为本发明分离式波箔动压气体推力轴承中的箔片固定方式示意图。

图7为本发明分离式波箔动压气体推力轴承箔片静刚度测试图。

图8为理论分析单个箔片相对气膜压力分布三维图。

其中：

1-轴承底盘；2-平箔片；3-波箔片；4-垫片；5-旋转盘；6-螺钉；7-狭缝；8-箔带；9-箔拱；10-矩形槽；A-旋转盘旋转方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

请参照图1至图6所示，本发明分离式波箔动压气体推力轴承包括：轴承底盘1、平箔片2、波箔片3、垫片4，旋转盘5，其中平箔片2和波箔片3在下述描述中统称为箔片。其中轴承底盘1为圆形形状且轴承底盘圆由沿半径方向的缝隙均匀的分成若干部分，平箔片2和波箔片3均匀的分布在轴承底盘1的圆周上，平箔片2和波箔片3插入这些缝隙内，其中平箔片2位于轴承底盘1的工作端面上，波箔片3位于轴承底盘1和平箔片2之间。其中平箔片2和波箔片3均是一端固定，另一端自由伸缩，平箔片2的固定端到自由端的方向与压力气流流动方向一致，而波箔片3则相反。波箔片3在径向被分割成几个箔带，每一条箔带8的宽度均可以变化，每条箔带8沿半径方向分布着不同节距的箔拱9，箔带8在自由端连为一体。每一条箔带8上距离平箔片2固定端最近的箔拱9在圆周方向的位置相同。

平箔片2和波箔片3插入轴承底盘1上的倒“T”形槽（未标示）内，垫片4插入轴承底盘1内的矩形槽10中，螺钉6从轴承底盘1背后的螺纹孔（未标示）拧入，压紧垫片4从而固定平箔片2和波箔片3。其中矩形槽10位于倒“T”形槽和螺纹孔之间且紧邻于倒“T”形槽和螺纹孔。当部分箔片磨损后可方便拆换，而不损伤轴承底盘。

其中分离式波箔动压气体推力轴承中的波箔片3沿半径方向和圆周方向刚度均可变化，这种刚度特性有助于分离式波箔动压气体推力轴承适应沿半径方向线速度差异导致的压力分布不均，从而能够均匀化压力，协调箔片变形，提高轴承承载能力。在波箔片3上形成的箔带8之间的狭缝7使得波箔片3避免了由于温度分布不均引起的热变形，此外还能够使轴承适应少量的轴向偏斜。

请参照图1至图6并结合图7至图8所示，本发明将折弯后的平箔片2放在柔性滚弯机上进行滚弯，平箔片2的曲率对轴承的运行有显著的影响，如果曲率过小，实际气膜厚度达到收敛边界后呈现发散趋势，这种趋势导致轴承承载力大大下降，并且平箔片2在最高点极易烧伤、磨穿。如果曲率过大，平箔片未能完全接触到波箔片，启动时摩擦力矩过大，平箔片2磨损比较严重。

清洗后的波箔片3和平箔片2沿着倒“T”形槽同时安装，注意箔片的其它部位也要同时朝盘心移动，防止箔片产生较大的变形，箔片定位完成后，插入垫片，拧紧螺钉，装配完成后的分离式波箔动压气体推力轴承的部分结构如图4所示。箔片安装方式如图5所示，注意箔片装配时平箔片固定端到自由端的方向要和压力气流流动方向一致，而波箔片则相反。压力气流的流动方向取决于旋转盘的旋转方向，旋转盘的旋转方向如图5中的A所示。箔片固定方式如图6所示，采用螺钉固定方式使得箔片的安装、拆卸比较方便，改变了传统的点焊安装方式，拆卸箔片时而不损伤轴承底盘，故底盘可以重复使用，降低了轴承的研发成本。

气体动压膜的承载能力是由气体间隙中气体压力所决定的，在轴承运转过程中，气膜厚度由于箔片的变形而发生改变，而气膜厚度的改变又反作用到压力的大小和分布，所以箔片刚度对轴承性能影响显著。通过实验测试，箔片静态刚度如图7所示，可以明显的看出箔片变形分为三个阶段，变形位移在0.2-0.7mm段，此段弹性基体刚度主要来源于平箔片，因为预变形不到位，尚未与波箔片完全接触。0.7-1.1mm段，平箔片的进一步接触波箔片和波箔片的初始变形。1.1mm后的部分是重载荷下的波箔片刚度。加载与卸载之间有变形滞后现象，变形滞后表明了弹性基体自身的结构阻尼，弹性基体的结构阻尼包括波箔片的弹性阻尼和波箔片的摩擦阻尼，波箔片的摩擦阻尼来自平箔片与波箔片间的摩擦和波箔片与轴承底盘间的摩擦。这些阻尼能够有效地吸收轴承的涡动能量，并抑制流体膜产生自激振荡，使其在高速旋转的情况下具有良好的稳定性。 

气隙中的气膜压力的大小可以通过求解气体润滑的雷诺方程得到，本发明中气体润滑的雷诺方程：

                                                 

式中，p为气膜压力；h为最小气膜厚度；μ为气体动力粘度；ω为旋转盘角速度;r为半径坐标；θ为圆周坐标。

对该二阶偏微分方程采用有限差分法进行离散，离散后的方程采用超松弛迭代法进行编程求解，该求解程序用Matlab语言编写。箔片的变形采用有限单元法求解，该求解程序用Ansys语言编写。通过Matlab软件对Ansys软件的调用可以实现气膜压力和箔片弹性变形的耦合。旋转盘角速度ω=3*10⁴r/min，最小膜厚h=20μm时，标准大气压下气体动力粘度μ=1.932*10^-5pa·s,箔片数N=6，平箔片内半径R1=25mm,外半径R2=50mm。采用上述方法对该压力控制方程进行数值求解可以得到相对气膜压力的分布，如图8所示。

实验测得的箔片静刚度特性和数值分析求解的相对气膜压力分布，证明了所设计轴承的实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种分离式波箔动压气体推力轴承，其包括轴承底盘、设置于所述轴承底盘外表面上的平箔片和波箔片以及设置于轴承底盘中的垫片，其特征在于：所述轴承底盘为圆形形状且轴承底盘圆由沿半径方向的缝隙均匀的分成若干部分，所述平箔片和波箔片均匀的分布在轴承底盘的圆周上，其中所述平箔片位于轴承底盘的工作端面上，所述波箔片位于轴承底盘和平箔片之间。

2.如权利要求1所述的分离式波箔动压气体推力轴承，其特征在于：所述平箔片和波箔片均是一端固定，另一端自由伸缩，所述平箔片的固定端到自由端的方向与压力气流流动方向一致，所述波箔片的固定端到自由端的方向与压力气流流动方向相反。

3.如权利要求2所述的分离式波箔动压气体推力轴承，其特征在于：所述波箔片在径向被分割成若干个箔带，每条箔带沿半径方向分布着不同节距的箔拱，所述箔带的自由端连为一体。

4.如权利要求3所述的分离式波箔动压气体推力轴承，其特征在于：所述每一条箔带上距离波箔片自由端最近的箔拱在圆周方向的位置相同。

5.如权利要求4所述的分离式波箔动压气体推力轴承，其特征在于：所述轴承底盘上还形成有供所述平箔片和波箔片插入的倒“T”形槽。

6.如权利要求5所述的分离式波箔动压气体推力轴承，其特征在于：所述轴承底盘上还形成有紧邻所述倒“T”形槽的矩形槽及紧邻所述矩形槽的螺纹孔，所述矩形槽位于所述倒“T”形槽和所述螺纹孔之间，所述垫片插入所述矩形槽中。

7.如权利要求6所述的分离式波箔动压气体推力轴承，其特征在于：所述分离式波箔动压气体推力轴承还包括有拧入所述螺纹孔中的通过压紧垫片从而固定平箔片和波箔片的螺钉。

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