CN106763151A - 一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，包括：轴承座、定位销、第一层波箔、第二层波箔、第三层波箔、顶箔。所述波箔箔片支撑结构的不同，轴承各瓣被分为三段区域，第一楔形区、小刚度区、大刚度区。所述波箔上下层各瓣的弧长不同一端对齐后另外一端由箔片的厚度造成高度差形成第一楔形；所述波箔中间区域设有微小间隙Δh，形成阶跃渐变的刚度特性，形成刚度相对较小的小刚度区；所述各层波箔起始端对齐堆叠在一起后完全重合，形成刚度较大的大刚度区。由于大刚度区波形的导向作用，发生自适应调整，对各层波箔之间的相对位置起到精确定位作用。在载荷作用下大刚度区和小刚度区产生大小不同的形变，造成Δh2的高度差，交界处形成第二楔形。从而进一步压缩气膜，提升推力轴承的承载能力。

Description

一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承

技术领域

本发明涉及空气动压轴承技术领域，具体涉及一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承。

背景技术

空气动压箔片轴承是利用楔形效应，随着转速的升高由于气体的粘性周围环境中的气体被拖入楔形中，转速升到一定时楔形中的气体气压增大到支承起转子。常见的波箔型推力轴承如图1所示，其中推力空气箔片轴承顶箔一端固定于推力轴承座底板上，处于自由状态的另外一端由顶箔与推力轴承座底板之间的波箔支承起来，顶箔两端制造出高度差形成楔形。推力盘高速旋转将周围环境中的空气拖入楔形中，随着转速升高楔形中气压不断增大，当转速升到一定时楔形中气体气压增大到支承起推力盘。

气体箔片轴承由于其耐高温、转速高、无油润滑、摩擦损耗小等特点广泛应用于空气循环机、空压机、微型燃气轮机等涡轮机械中。但由于其承载能力有限，美国MITI公司提出一种双波箔型箔片轴承。US005902049A示出了一种双层波箔的空气箔片径向轴承来增大其承载能力。但在推力气体箔片轴承中由于其瓣数多，制造过程中双层波箔相对位置难以保证其精度，产生相对错位。如图2所示，双波箔产生相对错位后部分区域上下层间隙为h1,另一部分间隙为h2,上层波箔发生变形一部分先与下层波箔接触，使得接触区域波箔刚度远大于上下层波箔未接触区域，造成波箔刚度分布与气膜所需支承刚度相悖，致使承载能力会受其制造精度的影响大打折扣。另外传统推力箔片轴承楔形下面支撑刚度较小，在受到大推力作用后楔形变形严重，很大程度上减小了推力箔片轴承的承载能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的技术不足，而提供解决多层波箔之间相对位置和大载荷下楔形变形严重的问题同时首次提出具有双楔形的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承。

本发明的推力空气箔片轴承具有多层波箔，每一层波箔有多瓣，每一瓣都通过外圆箔片连接成一个整体以保证每一瓣之间的相对位置，每一层波箔的每一瓣都连接外圆环箔片，外圆环箔片上开有定位销孔粗略定位于推力轴承座上，粗略定位的同时起到限位作用。下层波箔的每一瓣在圆周方向的尺寸都大于上层波箔，对齐每一层波箔的一端后另外一端由箔片的厚度造成高度差形成第一楔形。这样即使波箔变形严重，但由于波箔箔片的厚度基本不变高度差依然存在避免楔形变形严重。波箔靠近每瓣对齐端一段区域波箔完全重合，这样轴承各瓣分为三段区域——第一楔形区、靠近对齐端各层波箔完全重合的大刚度区和中间各层波箔间有微小间隙的小刚度区。利用波箔轴承每瓣区域的刚度不同，在大载荷作用下大刚度区完全重合的波箔起到精密定位作用，同时大刚度区与小刚度区波箔形变不同造成第二高度差，形成第二楔形，进一步提高气膜压力，从而增大载荷。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有高承载能力的推力箔片轴承，包括：轴承座、定位销、第一层波箔、第二层波箔、第三层波箔、顶箔。轴承座上开有定位孔，定位销固定其中。第一层波箔、第二层波箔、第三层波箔外圆环上开有销孔，用以粗略定位三层波箔之间的相对位置。每一层波箔一端对齐后下层波箔弧长大于上层波箔即波箔每一瓣弧长第一层波箔大于第二层波箔大于第三层波箔，用以形成第一楔形。靠近对齐端波箔的几个波各层叠在一起后完全重合形成大刚度区，在载荷的作用下同时起到精确定位各层波箔相对位置尺寸作用。中间区域各层波箔设有微小间隙形成相对大刚度区的小刚度区。在大载荷作用下由于两区域刚度差别致使形变不同形成第二楔形。

进一步，所述轴承座上开有定位销孔。

进一步，各波箔层的每一瓣起始端沿径向方向向外设有凸起，外端凸起与外圆环连接，使每层各瓣连接成一个整体，外圆环上开有销孔用于初步定位各层波箔。

进一步，轴承每一瓣分为三段区域，第一楔形区、小刚度区、大刚度区。

进一步，每层波箔中的各瓣波箔弧长相等，下层波箔各瓣弧长长与上层波箔。即第一层波箔各瓣的弧长大于第二层波箔，第二层波箔各瓣的弧长大于第三层波箔。波箔的每瓣一端对齐，由于上下层各瓣的弧长不同一端对齐后另外一端形成高度差。

进一步，顶箔各瓣固定端与前一瓣波箔对齐端对齐，与第三层波箔固定在一起，这样顶箔靠近固定端由于波箔的高度差形成第一楔形区。

进一步，靠近对齐端波箔的几个波各层叠在一起后完全重合，在载荷作用下各层波箔间的贴合会越来越小，每个波的相对位置公差会越来越小，从而形成大刚度区同时对各层波箔起精确定位作用。

进一步，每一瓣的中间区域各层波箔之间设有微小间隙，只有在上层波箔在载荷作用下发生形变与下层波箔接触后，下层波箔与上层波箔开始同时起支承作用。从而形成有阶跃刚度特性的相对大刚度区刚度的小刚度区。

进一步，在大载荷作用下，小刚度区发生的形变大于大刚度区形成高度差，从而形成第二楔形，进一步增大气膜压力。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：本发明提供解决多层波箔之间相对位置和大载荷下楔形变形严重的问题并且首次提出具有双楔形的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承。轴承各瓣分为三个区域，第一楔形区、小刚度区、大刚度区。第一楔形区通过波箔箔片的厚度产生高度差，保证了在大载荷作用下楔形依旧存在。小刚度区通过各层波箔之间设有间隙形成刚度阶跃的小刚度区。大刚度区由于设计波箔的波叠在一起后相互重合，三层箔片同时起支承作用，在载荷作用下各层间每个波贴合会越来越紧，相对位置公差会越来越小，从而形成大刚度区同时对各层波箔起精确定位作用。由于大刚度区与小刚度区形变的不同形成高度差，支承顶箔后形成第二楔形，气体从第刚度区带入高刚读取时气膜会进一步压缩，从而增加了气膜压力，提高了轴承的承载能力。

附图说明

图1为推力轴承原理示意图；

图2为双波箔由于加工精度影响相互错开示意图；

图3为本发明多层波箔推力轴承本发明爆炸图；

图4为本发明多层波箔推力轴承整体结构示意图；

图5为本发明多层波箔推力轴承顶箔结构示意图；

图6为本发明多层波箔推力轴承第一层波箔结构示意图；

图7为本发明多层波箔推力轴承第二层波箔结构示意图；

图8为本发明多层波箔推力轴承第三层波箔结构示意图；

图9为本发明多层波箔推力轴承楔形支承结构示意图；

图10为本发明多层波箔推力轴承形成两个楔形及气压分布示意图

图11为本发明两层波箔推力轴承结构示意图

图12为本发明推力轴承波箔为第二代波箔结构示意图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承做进一步的详细描述。然而可以理解的是，下述具体实施方式仅仅是本发明的优选技术方案，而不应该理解为对本发明的限制。

如图3所示，一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承包括轴承座1、定位销2、第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5、顶箔6、推力盘7。所述轴承座开有定位孔定位销2嵌入其中，第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5、顶箔6都设有销孔依次堆叠轴承座之上，定位销起限位和粗略定位作用。第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5、顶箔6均为模具冲压成型。如图5所示，每瓣顶箔固定端到自由端为顺时针，如图6所述第三层波箔5的每瓣从起始端到自由端为逆时针，使每瓣顶箔6的起始端与第三层波箔5的后一瓣通过焊接固定在一起。如图4、图5、图6、图7、图8所示，所述推力轴承内经Ri、外径Ro、外圆环半径Rh，外圆环宽度为a，各瓣起始端箔片宽度为b，定位销孔直径Φ。如图6所示，所述第一层波箔3前一瓣与后一瓣距离为L1；如图7所示，所述第二层波箔4前一瓣与后一瓣距离为L2；如图8所示，所述第三层波箔5前一瓣与后一瓣距离为L3；L1小于L2小于L3。

如图9所示，各层波箔起始端对齐并且与顶箔起始端位于相反方向，对齐第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5的起始端后，由于长度的不同波箔的自由端由箔片厚度造成高度差，形成第一楔形区。

如图9所示，小刚度区中的第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5之间具有Δh的间隙；大刚度区堆叠在一起后完全重合。这样使得小刚度区只有当位于最上面的第三层波箔5在载荷作用下产生Δh的形变与中间层第二层波箔4接触后第二层波箔4开始起支承作用，提供刚度支撑。对齐第一层波箔3产生支承作用如同第二层波箔4。在大刚度区第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5堆叠在一起后三层箔片同时起到支承作用。

如图9所示，大刚度区堆叠在一起后完全重合，即使装配时第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5相对位置有一定的错移，在载荷作用小，大刚度区的波箔由于波形的导向作用产生自适应位置调整，使得第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5自适应精确定位以保证之间的相对位置。

如图10所示，在载荷作用下第一楔形区波箔发生变形，由于箔片厚度造成的高度差Δh₁依旧存在确保了第一楔形区的楔形。第一楔形区产生楔形效应挤压进入楔形的空气产生压力，在大载荷作用下小刚度区发生的形变大于大于大刚度区产生Δh₂的高度差，使得在大刚度区与小刚度区之间产生第二楔形。第二楔形形成楔形效应进一步压缩气膜增大了气膜的压力，从而提升推力轴承的承载能力。

除了以上提出的实例，一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承可以有其它不同形式。图11所示的推力轴承，采用两层波箔支承顶箔形式。如图12所示，此外，箔片也可以为第二代箔片形式。波箔瓣数和结构的形式可以根据具体情况进行设计。以上所举实例仅为本发明的优选实例，但凡依本发明权利要求及本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 (7)

1.一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征在于，包括：轴承座1、定位销2、第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5、顶箔6。其特征是定位销2嵌入轴承座1的销孔之中，第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5、顶箔6上设有销孔，依次堆叠在轴承座之上。

2.根据权利要求1所述的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征是，所述第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5、顶箔6各瓣均通过各自外圆环连接成一个整体。所述顶箔6每瓣起始端到自由端与各层波箔每瓣起始端到自由端方向相反。所述顶箔6每一瓣起始端与第三层波箔5前一半波箔起始端通过焊接连接成一个整体。推力轴承内经Ri、外径Ro、外圆环半径Rh，外圆环宽度为a，瓣数位n,各瓣起始端箔片宽度为b，定位销孔直径Φ。

3.根据权利要求2所述的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征是，所述第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5各瓣箔片支撑结构的不同，轴承各瓣被分为三段区域，第一楔形区、小刚度区、大刚度区。

4.根据权利要求3所述的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征是，下层波箔各瓣弧长大于上层波箔各瓣弧长。所述第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5起始端对齐。所述第一层波箔3前一瓣与后一瓣距离为L1；所述第二层波箔4前一瓣与后一瓣距离为L2；所述第三层波箔5前一瓣与后一瓣距离为L3；L1小于L2小于L3。由波箔厚度造成的高度差支撑起顶箔形成第一楔形。

5.根据权利要求3所述的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征是，所述第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5起始端堆叠在一起后完全重合。在载荷作用下第一层波箔3与第二层波箔4，第二层波箔4与第三层波箔5由于波形的导向作用，发生自适应调整，对各层波箔之间的相对位置起到精确定位作用。此外完全重合的波箔，箔片的刚度会极大的增加，形成大刚度区。

6.根据权利要求3所述的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征是，所述第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5各瓣中间区域设有微小间隙Δh，形成阶跃渐变的刚度特性，相对大刚度区的小刚度区。

7.根据权利要求5、6所述的一种具有高承载能力的推力空气箔片轴承，其特征是，所述第一层波箔3、第二层波箔4、第三层波箔5大刚度区和小刚度区在大载荷作用下产生大小不同的形变，造成Δh2的高度差，大刚度区和小刚度区交界处形成第二楔形。