CN105736571A - 基于3d打印技术的双层叉形径向气体动压轴承 - Google Patents

基于3d打印技术的双层叉形径向气体动压轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其由一体式变材料轴承体(1)和顶层箔片(2)两个主要元件组成。顶层箔片(2)为薄壁非封闭环状结构，在开口处有外伸结构，并通过焊接或粘贴与一体式变材料轴承体(1)的内叉形结构固定。一体式变材料轴承体(1)是运用3D打印技术一体式打印成型，是一种变材料分布的实体。其主要由四部分组成，由内向外，分别为内叉形结构(3)，内环状非闭合结构(4)，外叉形结构(5)，外环状闭合结构(6)。本新型轴承的双层叉形复杂结构既能满足较大刚度，获得较大承载能力。又因为结构存在很多位置的变形，结构阻尼相比也较大，另外内层叉形与顶层箔片在工作时存在较大的库伦阻尼，使得轴承具有较强的抗冲击能力。且本发明存在大量镂空结构，即节省材料，降低成本，又可以增加散热，降低在高速运转下轴承的温升。

Description

基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承
技术领域
本发明涉及一种气体轴承，具体的讲，它涉及一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承。
背景技术
气体轴承是一种运用气体悬浮技术，使高速旋转的转子悬浮起来，不与轴承接触，很大程度上减少了转子与轴承之间的磨损。这种轴承无需润滑油，因此也无需庞大的润滑系统和反复的换油工作。另外也无需担心在高温条件下润滑介质的失效。所以气体轴承具有高速，高精密，耐高温，磨损小，使用寿命长等显著优点。目前气体轴承已在航空，航天领域有了广泛的应用。随着民用化的进展，现在燃气轮机，高精密机床，涡轮增压器及其他涡轮机械都越来越多的运用气体轴承。可以预见，气体轴承的应用前景非常之广阔。
承载能力和抗冲击能力是气体轴承的两大主要性能参数，与之相关的决定性因素为：轴承的刚度和阻尼。对于气体动压轴承，其主要由顶箔，弹性支撑结构和轴承套构成。所以，动压轴承的刚度包括三个部分：顶箔刚度，弹性支撑刚度和气膜刚度。其阻尼特性主要包括结构阻尼和库伦阻尼两方面。在气体轴承的几十年发展中，研究人员提出了很多新的结构和形式，在气体轴承的刚度和阻尼特性方面有了很大的提高，使承载能力和抗冲击能力有了较大改善。然而，受传统加工方法和加工工艺的限制，很多设计思路一度被否定。随着现代新型加工技术和加工工艺的发展，更为优越，复杂的轴承结构有望得以实现，从而大幅度地提升气体轴承性能。
近年来，随着3D打印技术的发展和推广，已成功在汽车，医疗，电子，建筑等行业有了实质性的应用。3D打印技术的原理是：先通过计算机建模软件得到三维模型，然后将三维模型分区成逐层的切片，3D打印机通过读取切片信息，用液态或者粉末状材料逐层堆积粘黏起来得到所需实体。因此3D打印技术可以制造传统加工技术很难做到的复杂内部结构，并且可以做到局部不同材料打印或者不同材料的分层打印，这些也是3D打印技术被应用于此项发明的重要原因。3D打印制造技术的优点为：明显简化制造加工过程，降低生产成本，并且可以大大缩短产品的生产周期。虽然目前还存在很多限制因素，但其在日后定有更广的应用。
发明内容
本发明为了保证轴承具有较大刚度的前提，使阻尼特性也有较好表现，提出了一种新型径向气体动压轴承。该结构刚度相对较大，一定程度上保证了轴承的承载能力；另外，该结构明显增大了阻尼大小，提高了抗冲击能力；并且，该轴承存在大量镂空结构，既节省了材料用量，降低成本，又增强了散热效果，降低了高速运转下的温升。
本发明所采用的技术方案如下：
此新型气体动压轴承由一体式变材料轴承体和顶层箔片两个主要元件构成。
一体式变材料轴承体是运用3D打印技术一体打印成型，其在结构上，主要包括内环状非闭合结构，外环状闭合结构和内外两层叉形结构组成。由内向外，各结构分别为内叉形结构，内环状非闭合结构，外叉形结构，外环状闭合结构。
进一步的，在结构上，外环状闭合结构较内环状非闭合结构，厚度更厚，刚性更大。而内环状非闭合结构在每个内叉形正下方是断开的。
进一步的，在结构上，内叉形结构由两个半叉形组成，且相交。每个半叉形都是由两段弧组成，且在中间相切接合。另外内叉形结构的最内端是与内叉形包络圆相切的，以保证内叉形与顶箔的平滑接触。
进一步的，在结构上，外叉形结构由两个半叉形组成，且相交。每个半叉形分别由半径为R3和半径为R4的两段弧组成，且接合处相切。
进一步的，在结构上，内叉形结构的主要特点是：薄壁，个数较少，尺寸较大，实现内层的较低刚度。而相反，外叉形结构的主要特点是：厚壁，个数较多，尺寸较小，实现外层的较高刚度。
进一步的，在材料上，根据以往气体动压轴承的计算和实验经验可知，为了合理的布置刚度，我们希望达到：在径向，由内而外，轴承的刚度是由小逐渐变大；在轴向，中间刚度高，两端刚度低。所以此3D打印气体动压轴承，在径向和轴向上，通过使用不同的材料同时打印，来实现上述效果。
进一步的，所述顶层箔片是非闭合结构，有一个较窄的断口，使顶层箔片可以变形。顶层箔片在断口处有外伸部分，外伸部分通过焊接或者粘贴固定在内叉形上。
进一步的，所述顶层箔片和相对应的转子外壁都分别涂有耐磨镀层。
与一般的气体动压轴承相比，双层叉形复杂结构既能满足较大刚度，获得较大承载能力。又因为结构存在很多位置的变形，结构阻尼相比也较大，另外内层叉形与顶层箔片在工作时存在较大的库伦阻尼。以上结构特点使得此轴承具有大的承载力和较强的抗冲击能力。本发明运用3D打印技术一体式打印复杂的轴承体结构，可以免去传统箔片轴承的大部分装配问题，且加工简单，快捷，生产周期短。大量的镂空结构，一方面节省了材料用量，另一方面增加了轴承散热。在3D打印制造过程中，根据不同部位对刚度的要求不同，通过不同材料的使用，使轴承的刚度分配更加合理，从整体上提高了轴承的综合性能。
附图说明
图1为本发明总装配体的轴侧图；
图2为本发明的爆炸图；
图3为本发明顶层箔片的正视图；
图4为本发明一体式变材料轴承体的轴侧图；
图5为本发明一体式变材料轴承体的正视图；
图6为本发明一体式变材料轴承体Ⅰ位置的局部放大图；
图7为本发明一体式变材料轴承体II位置的局部放大图；
图中：1-一体式变材料轴承体；2-顶层箔片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细描述本发明所用技术方案，需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。
如图1，图2分别为本发明的总装配体轴侧图和轴承结构的爆炸图。基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承由一体式变材料轴承体(1)和顶层箔片(2)两个主要元件组成。
图3为顶层箔片的正视图，顶层箔片是薄壁非封闭环状结构，在开口处有外伸结构，并通过焊接或粘贴方式与内叉形固定。且顶层箔片内壁涂有耐磨镀层。
图4，图5分别为一体式变材料轴承体的轴侧图和正视图。一体式变材料轴承体由四部分组成，由内向外，分别为内叉形结构(3)，内环状非闭合结构(4)，外叉形结构(5)，外环状闭合结构(6)。内环状非闭合结构(4)的厚度e小于外环状闭合结构(6)厚度f，且内环状非闭合结构(4)在每个内叉形正下方都是断开的。内叉形结构(3)由一定数量的叉形构成，其主要特点为薄壁，个数较少，尺寸较大。
如图6，即外叉形的局部放大图，每个叉形都是由两个半叉形交叉组成，单个半叉形可根据内环状非闭合结构(4)外径，外环状闭合结构(6)内径，结构(4)和结构(6)的中间圆直径，角度θ1，θ2，以及两弧的相切关系等可以得到。
如图7，即内叉形的局部放大图，每个叉形都是由两个半叉形交叉组成，单个半叉形可根据包络圆半径R5,交叉点半径R2,和夹角θ3，θ4，以及两弧的相切关系等可以得到。外叉形结构(5)的叉形数量一般为内叉形结构的偶数倍，其主要特点为厚壁，个数较多，尺寸较小。
一体式变材料轴承体(1)是通过3D打印技术在径向和轴向使用不同材料同时打印而成，对轴承刚度进行合理分配。在径向上，由内而外，刚度逐渐增加；在轴向上，中间刚度高，两端刚度低。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，比如改成一层，三层或多层叉形结构，改变叉形的数量，改变叉形的结构尺寸，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，包括一体式变材料轴承体(1)和顶层箔片(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，所述一体式变材料轴承体(1)是运用3D打印技术一体打印成型。其由四部分组成，由内向外，分别为内叉形结构(3)，内环状非闭合结构(4)，外叉形结构(5)，外环状闭合结构(6)；本发明不仅限于以上两层叉形实施例的限制，在原发明精神的基础上，N层叉形的变化和改进都在本发明要求保护范围内。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，内环状非闭合结构(4)的厚度e小于外环状闭合结构(6)厚度f，且内环状非闭合结构(4)在每个内叉形正下方都是断开的。
4.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，内叉形结构由两个相交半叉形组成，每个半叉形由两段圆弧组成，且相切接合；另外内叉形结构的末端与内叉形包络圆相切，以保证内叉形结构与顶箔的平滑接触。
5.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，外叉形结构由两个相交半叉形组成，每个半叉形分别由半径为R3和半径为R4的两段弧组成，且接合处相切。
6.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，内叉形结构的主要特点是：薄壁，个数较少，尺寸较大；而相反，外叉形结构的主要特点是：厚壁，个数较多，尺寸较小。
7.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，一体式变材料轴承体(1)是通过3D打印技术在径向和轴向使用不同材料同时打印而成，对轴承刚度进行合理分配；在径向上，由内而外，刚度逐渐增加，在轴向上，中间刚度高，两端刚度低。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，顶层箔片(2)是非闭合结构，有一个较窄的断口；且断口处有外伸部分，外伸部分通过焊接或者粘贴固定在内叉形上。
9.根据权利要求8所述的一种基于3D打印技术的双层叉形径向气体动压轴承，其特征在于，顶层箔片(2)内壁涂有耐磨镀层。
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