CN103438091B - 具有金属橡胶和弹性箔片复合支承结构的空气动压轴承 - Google Patents

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本发明涉及一种径向弹性空气动压轴承，具体的说，它是一种具有金属橡胶和弹性箔片复合支承结构的空气动压轴承。这种新型复合支承结构空气轴承由轴承套、金属橡胶块、弹性箔片和顶层箔片组成。弹性支承结构由金属橡胶块和弹性箔片叠加而成。弹性箔片和顶层箔片的一端固定在轴承套上，另一端自由。金属橡胶块由金属丝缠绕并经冷冲压工艺制成，由弹性箔片和轴承套四面包围固定。弹性箔片的刚度较大，阻尼较小，而金属橡胶材料的刚度较小，阻尼大。本发明通过改进空气轴承的弹性支承结构，采用金属橡胶和弹性箔片叠加布置的形式，使轴承具有高刚度、高阻尼的特性，提高了轴承的承载能力，减小振动冲击，同时提高了轴承的可靠性。

Description

具有金属橡胶和弹性箔片复合支承结构的空气动压轴承
技术领域
本发明涉及一种径向弹性空气轴承，更具体的说，通过使用金属橡胶和弹性箔片在轴承径向形成两层支承结构，使轴承具有高刚度、高阻尼的特性，能够提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，同时提高了轴承的可靠性。
背景技术
箔片气体轴承是一种自作用弹性支承空气动压轴承。它由轴承套、弹性支承结构和顶层箔片等构成。与普通转子轴承相比，它具有转速高，精度好，可靠性高，无油润滑，摩擦损耗小，能在高温环境下工作等一系列优点。箔片气体轴承在航空航天和国防军工等领域具有广阔的应用前景，包括新一代战机、高温燃气轮机、巡航导弹、超低温冷却系统。同时，弹性箔片轴承技术也是21世纪分布式能源系统微型燃气轮机核心技术之一。
金属橡胶是一种均质的弹性多孔物质，它是用一定的方法将按质量配好的拉伸开的螺旋状态的金属丝堆放好，然后用冷冲压工艺制成符合需要的形状。它因由金属制成同时具有橡胶的弹性而得名。金属橡胶材料在各类工作环境下不挥发、性质稳定，能耐高温和低温，且具有较大的阻尼和一定的刚度，因而由其做减振、阻尼件制成支承结构能够显著提高空气轴承的寿命、可靠性和承载能力。
在空气轴承中，弹性支承结构位于顶层箔片和轴承套之间，它应该具有一定的刚度和阻尼，使轴承相应的获得一定的承载能力和缓冲冲击振动的能力。现有使用金属橡胶材料作为支承结构的空气轴承有足够的阻尼，但由于材料本身刚度普遍较小的原因导致轴承承载能力受到了很大的限制。为了提高空气轴承的承载能力，就需要在保留金属橡胶高阻尼优点的前提下通过改进弹性支承结构来提高其刚度。本发明通过改进空气轴承的弹性支承结构，采用金属橡胶和弹性箔片叠加布置的形式，提高了支承结构的阻尼和刚性，减小振动冲击，提高了轴承的总体承载能力。
发明内容
本发明为了寻求能显著提高现有使用金属橡胶做支承结构的空气轴承总体承载能力和缓和冲击振动的能力，提供了一种新型空气轴承结构。此种结构可以在一定程度上解决此类空气轴承承载能力不足的问题。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：轴承的基本组成部分为轴承套、金属橡胶块、弹性箔片和顶层箔片。金属橡胶块的基本形状为底部与轴承套内表面等半径的扇形，在径向有一定的厚度，为轴承提供主要的阻尼和一定的刚度。弹性箔片为包覆金属橡胶块除了底部以外其他三面的金属箔片，并在两端有凸起与轴承套的内表面相接触，为轴承提供主要的刚度和附加的阻尼。弹性箔片的一端固定在轴承套内表面的槽上，另一端自由。金属橡胶块通过弹性箔片和轴承套内表面的包围来固定。
本发明涉及一种径向弹性空气动压轴承，具体的说，它是一种具有金属橡胶和弹性箔片复合支承结构的空气动压轴承。这种新型复合支承结构空气轴承由轴承套、金属橡胶块、弹性箔片和顶层箔片组成。弹性支承结构由金属橡胶块和弹性箔片叠加而成。弹性箔片和顶层箔片的一端固定在轴承套上，另一端自由。金属橡胶块由金属丝缠绕并经冷冲压工艺制成，由弹性箔片和轴承套四面包围固定。弹性箔片的刚度较大，阻尼较小，而金属橡胶材料的刚度较小，阻尼大。本发明通过改进空气轴承的弹性支承结构，采用金属橡胶和弹性箔片叠加布置的形式，使轴承具有高刚度、高阻尼的特性，提高了轴承的承载能力，减小振动冲击，同时提高了轴承的可靠性。
本发明提出的技术方案意在通过改变现有金属橡胶空气轴承弹性支承结构的形式和安装方法，利用金属橡胶块和弹性箔片的刚度和阻尼的叠加效果来提高空气轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力。在轴承工作时，弹性箔片承受来自顶层箔片的径向载荷而产生变形，凸起高度变小，则弹性箔片将压迫金属橡胶块使其同时产生变形，共同为轴承提供弹性支承。因为弹性箔片具有一定的厚度，所以其刚度较大而阻尼较小，而金属橡胶具有刚度小，阻尼大的内在属性，在弹性箔片和金属橡胶的共同作用下，两者的刚度特性和阻尼特性相互叠加，空气轴承就具有了高刚度和高阻尼两个优点。
与现有的箔片气体轴承相比，本发明提出的复合支承结构和安装形式由于其内在的高刚度、高阻尼特性能够显著提高轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力，在一定程度上也改善了气体轴承可靠性差的问题。
附图说明
图1由金属丝缠绕而成的金属橡胶结构示意图
图2冷冲压后的金属橡胶块横截面示意图
图3分离式弹性箔片横截面示意图
图4分离式弹性箔片及其在轴承中分布情况示意图
图5顶层箔片和分离式弹性箔片空气轴承轴承套
图6具有分离式弹性箔片的空气轴承装配示意图
图7整体式弹性箔片
图8整体式弹性箔片横截面示意图
图9整体式弹性箔片空气轴承轴承套
图10具有整体式弹性箔片的空气轴承装配示意图
图中：1-分离式弹性箔片空气轴承轴承套，2-金属橡胶块，3-分离式弹性箔片，
4-顶层箔片，5-整体式弹性箔片，6-整体式弹性箔片空气轴承轴承套
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。
图1为由金属丝缠绕而成的金属橡胶结构示意图。金属橡胶是用一定的方法将按质量配好的拉伸开的螺旋状态的金属丝堆放好，然后用冷冲压工艺制成符合需要的形状，其横截面形状如图2所示。通过改变金属橡胶的材料、压缩比例、孔隙度和厚度等参数可以改变其刚度和阻尼特性。
分离式弹性箔片横截面形状如图3所示，箔片厚度δ的大小决定于其设计刚度，一般在0.1mm～0.4mm之间。顶部形状是半径为r的圆弧形,两侧具有指向轴承套内表面的条状凸起，凸起底部半径R的大小与轴承套内表面半径相同,r和R的差值等于弹性箔片和金属橡胶块复合支承结构的总高度。条状凸起底部两端与顶部圆弧圆心连线之间的夹角为θ，其在高度方向向内侧倾斜一定的角度，大小为θ的大小决定于在整个圆周方向分布的弹性箔片的块数n，θ=360°/n。n一般取值在6至12之间，则θ的取值为30°至60°。条状凸起内倾角的大小由弹性箔片的设计刚度决定，一般小于30°。在分离式弹性箔片底部一侧的末端延伸出一部分矩形条状结构，用于弹性箔片的固定，其高度与轴承套上开槽的高度大致相同。在图4中，左侧零件3为分离式弹性箔片，它在轴承中装配后的分布情况如右侧所示。图5中零件1和零件4分别为分离式弹性箔片空气轴承轴承套和顶层箔片。弹性箔片一般由镍基超高温合金材料经线切割而成，具有较大的刚度。将分离式弹性箔片和金属橡胶块叠加后装入顶层箔片和轴承套之间，弹性箔片和顶层箔片的一端固定在轴承套内表面的槽中，另一端自由，就组成了具有分离式弹性箔片和金属橡胶块的复合支承结构空气轴承，如图6所示。
图7所示零件5为整体式弹性箔片，箔片厚度δ取值为0.1mm至0.4mm，其横截面形状如图8所示。它的内侧是半径为r的不连续的圆弧面，在各圆弧面之间有指向轴承套方向的槽状凸起，凸起的底部半径为R,r和R的差值等于弹性箔片和金属橡胶块复合支承结构的总高度。槽状凸起底部中心与顶部圆弧圆心连线之间的夹角为θ。凸起底部宽度为b，其在圆周方向所占的角度约为θ的五分之一，在轴承装配后与轴承套内表面相接触。在整体式弹性箔片底部一侧的末端延伸出一部分矩形条状结构，用于弹性箔片的固定，其高度与轴承套上开槽的高度大致相同。用整体式弹性箔片替换分离式弹性箔片，就组成了复合支承结构空气轴承的另一种形式。图9所示零件为整体式弹性箔片空气轴承轴承套。将金属橡胶块装入整体式弹性箔片外侧的槽中形成复合支承结构，然后把复合支承结构装配到轴承套中，并将弹性箔片一端的矩形条状结构与轴承套开槽的侧面焊接固定，顶层箔片的一端也采用焊接的方法固定在轴承套开槽的一个侧面上，装配完成后的整体式弹性箔片空气轴承结构如图10所示。
在轴承工作时，顶层箔片4受到轴的压力，压迫弹性箔片3、5使其产生变形，高度变小，则弹性箔片将压迫金属橡胶块2使其同时产生变形，共同为轴承提供弹性支承。因为弹性箔片具有一定的厚度且与轴承套内表面接触面积很小，所以其刚度较大而阻尼较小，而金属橡胶本身刚度小、阻尼大，在弹性箔片和金属橡胶的共同作用下，两者的刚度特性和阻尼特性相互叠加，空气轴承就具有了高刚度和高阻尼两个优点。以上具有两种不同弹性箔片的复合支承结构空气轴承通过改变轴承弹性支承结构的形式和安装方法，利用金属橡胶块和弹性箔片的刚度和阻尼的叠加效果来提高空气轴承的承载能力和缓和冲击振动的能力。
除了以上提出的实例，轴承弹性支承结构和顶层箔片可以有不同的安装和固定方法，弹性箔片和金属橡胶块的具体形状可根据不同情况进行设计。以上所举实例仅为本发明的优选实例，大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明专利覆盖的范围。

Claims (4)

1.一种径向弹性空气轴承，包括轴承套、金属橡胶块、弹性箔片和顶层箔片，其特征是：金属橡胶块是由金属丝缠绕后堆放好，然后用冷冲压工艺制成符合需要的形状，弹性箔片是由镍基超高温合金材料线切割而成，具有一定的厚度，弹性箔片和顶层箔片固定在轴承套上，金属橡胶块由弹性箔片和轴承套的配合来固定；所述空气轴承的弹性支承结构由金属橡胶块和弹性箔片叠加布置组成，共同形成空气轴承的复合支承结构；其中，所述的弹性箔片在轴承的轴向和圆周方向是分离式弹性箔片或整体式弹性箔片；分离式弹性箔片的横截面顶部为沿轴承圆周方向延伸的圆弧形，两侧具有指向轴承套内表面方向的条状凸起；分离式弹性箔片的顶部形状是半径为r的圆弧形，两侧具有指向轴承套内表面的条状凸起，凸起底部半径R的大小与轴承套内表面半径相同，r和R的差值等于弹性箔片和金属橡胶块复合支承结构的总高度；条状凸起底部两端与顶部圆弧圆心连线之间的夹角为θ，其在高度方向向内侧倾斜一定的角度，θ的大小决定于在整个圆周方向分布的弹性箔片的块数n，θ＝360°/n；整体式弹性箔片内侧为不连续的圆弧面，在各圆弧面之间有指向轴承套方向的槽状凸起，凸起的底部在轴承装配后与轴承套内表面相接触。
2.根据权利要求1所述的径向弹性空气轴承，其特征是：所述的径向弹性空气轴承的弹性箔片和顶层箔片的一端固定在轴承套内表面的槽中，另一端自由；金属橡胶块由弹性箔片和轴承套内表面的包围固定，其在轴承圆周方向能够随着弹性箔片的变形而小范围的移动。
3.根据权利要求1所述的径向弹性空气轴承，其特征是：整体式弹性箔片的内侧是半径为r的不连续的圆弧面槽状凸起的底部半径为R，r和R的差值等于弹性箔片和金属橡胶块复合支承结构的总高度。
4.根据权利要求1或2所述的径向弹性空气轴承，其特征是：所述的弹性支承结构在轴承的圆周方向由多个金属橡胶块组成。
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