CN108253012A - 一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法 - Google Patents

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吕鹏
李映宏
冯凯
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/024—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with flexible leaves to create hydrodynamic wedge, e.g. radial foil bearings

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Abstract

本发明公开了一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，通过在轴承‑转子系统中转子上钻孔或者刻槽的方式，减少或者消除轴承‑转子系统中的失稳现象。在箔片空气轴承中产生的高压气体会对转子产生一个激励作用，这便是诱发流体失稳的主要原因。在转子上钻孔后，当孔转到轴承中形成的局部高压区时，由于压差的作用，气体会在孔中从高压区流向低压区。此时，激励路径变短，对转子的激励作用将减小，从而降低转子的振动，提高转子的稳定性。同理，在转子轴颈处刻槽后，箔片空气轴承中形成的高压区气体会在压差的作用下沿着刻槽流向轴承两侧的低压区，从而减小气体激励的作用效果，降低转子的振动，提高转子的稳定性。

Description

一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法
技术领域
本发明涉及空气动压轴承技术领域，具体涉及一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法。
背景技术
箔片空气轴承(FAB)是指以周围环境中的空气作为润滑剂并采用箔片作为弹性支承元件的一种动压轴承，通常是由几层金属箔片以不同的形式或形态组合而成,箔片轴承便由此得名。它由两层箔片组成,上层为顶层箔片,由一整张平箔片卷曲而成,故常简称为“平箔”,位于下面的是支撑拱箔起弹性支撑作用,由于其具有波浪状结构常简称为“波箔”。通常将采用波箔作为弹性支撑结构的箔片轴承称为波箔型箔片轴承。与传统意义上的轴承相比,由于其结构设计的优越性,使得轴承的工作温度范围得到很大的拓宽,具有稳定性高、耐振动冲击、启停性能好、装配对中要求低以及后期维护和使用成本低等特点。
由于箔片轴承中润滑气体粘性摩擦引起的环绕转子表面的气体循环流动和转子系统中结构、气膜之间在特定转速区域的共振有可能会造成图1所示的轴承-转子系统的自激振动。自激振动发生时轴颈中心在轴承中具有极大的轴心轨迹和振动幅值，这种自激振动常被称为涡动(Whirl)或振荡(Whip)，这种涡动或震荡便是导致流体诱发失稳的主要原因。涡动和振荡运动的发生机理和表现特征具有明显的区别。转子系统的涡动运动是由于转子转动引起轴径表面润滑气体的循环流动产生垂直于轴心在轴承中径向位移的切向力所激发，所以涡动频率与润滑气体循环流动的平均转速相关。润滑气体循环流动引起的切向力方向与阻尼力相反，其作用类似于负阻尼，不断的为系统振动输入能量，所以能够引起转子振动幅值的迅速增加。转子系统的振荡运动是由于系统结构刚度和润滑气体之间的共振引起，所以振荡频率与箔片轴承的结构刚度相关。
流体诱发失稳现象必须在下述3个物理条件都具备的情况下才有可能发生(见图2)：
(1)一个外回转体1内还有另一个内回转体2,并且两个回转体间存在相对旋转运动；
(2)两个回转体间存在某种粘性流体介质3；
(3)粘性流体在两回转体间流动并形成流体楔。
流体诱发的失稳会产生较大的振幅，通常为次同步的转子自激振动，可导致轴承、叶轮或其他转子零件上的转子与定子发生摩擦。振动还会在转子中产生明显的交变应力，导致疲劳失效。由于其潜在的危害，应该消除或者避免流体诱发的失稳。
发明内容
为了减小或者消除流体诱发的失稳带来的负面影响，本发明通过在转子上钻孔或者刻槽的方式来降低转子-轴承系统中的涡动或振荡现象，从而提高其稳定性。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，在轴承-转子系统中转子上钻孔或者刻槽，其特征在于钻孔的位置在轴颈位于径向轴承中间平面处，钻孔的数量一般是3个或者4个，但在保证转子刚度和强度的前提下可尽量多钻，且在转子上沿圆周方向均匀分布；同样，刻槽所在的位置位于轴颈处，方向沿轴向，刻槽的数量在保证转子刚度和强度的前提下可多刻，但在转子轴颈处沿圆周方向均匀分布。
为了减少或者消除上述轴承转子系统失稳的方法，其实施方式如下所述：
1)当转子在箔片空气轴承中时，由于静态载荷的作用转子会偏离轴承的中心，轴承圆周周围的径向间隙便会存在一个差值。
2)转子在箔片轴承中旋转时，由于气体的粘性作用，流体便会受到拖动而发生相对运动。
3)气体经过最小的径向间隙值时，气体的可用间隙将减小，因此必定会减速，气体的减速会导致气体的局部压力增大。
4)流体将产生圆周气压碶，这种气压碶就是箔片空气轴承中实现转子支承的主要方式。
5)当气体随转子在箔片空气轴承中旋转时，具有较高气压的气体会对转子产生一个整圈的激励作用，这种激励作用便是诱发流体失稳的主要原因。
6)在转子上钻孔后，当孔转到轴承中形成的局部高压区时，由于压差的作用，气体会在孔中从高压区流向低压区。此时气体的激励路径将不再是一整圈，激励路径变短，对转子的激励作用将减小，从而降低转子的振动，提高转子在轴承-转子系统中的稳定性。
7)在空气箔片轴承中，由于轴承两端的气体存在泄露，故轴承轴向的中间平面的气压高于两端的气压。
8)同理，在转子轴颈处刻槽后，箔片空气轴承中形成的高压区气体会在压差的作用下沿着刻槽流向轴承两侧的低压区，从而减小气体激励的作用效果，降低转子的振动，提高转子在轴承-转子系统中的稳定性。
本发明采用的技术方案具有以下有益效果：本发明提供解决减小或者消除轴承-转子系统中流体诱发失稳问题的方案，并且首次针对空气箔片轴承支承的转子系统提出在转子上钻孔或者刻槽的方式来提高轴承-转子系统中转子稳定性的方法。本发明中，只需改变转子的结构，轴承不用做改动，且在转子结构上的改动也较为简单，操作方便，也不会增加工件材料的成本，能够在低成本的条件下最大限度的减小或者消除在轴承-转子系统中流体诱发的失稳现象。
附图说明
图1为轴承-转子系统示意图；
图2为流体诱发失稳现象条件示意图；
图3为静态条件下轴承-转子结构示意图；
图4为轴颈轴承中流体流动示意图；
图5为轴颈轴承中压力分布示意图；
图6为轴颈轴承平铺后的压力分布示意图；
图7为钻孔后转子的结构示意图；
图8为转子钻孔后轴承-转子系统中流体流动示意图；
图9为刻槽后转子的结构示意图；
图10为转子刻槽后轴承-转子系统中流体流动示意图
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，当转子2在箔片空气轴承1中时，由于静态载荷的作用转子2会偏离轴承1的中心，轴承1圆周周围的径向间隙4便会存在一个差值。在两圆心确定的直线所在的直径方向上，径向间隙分别取得最大值和最小值，如图3中a点与b点所示。
如图4所示，转子2在箔片轴承1中旋转时，流体在转子2与轴承1之间的环形区域被截留，转子2以特定的角速度Ω旋转，轴承1保持静止。由于摩擦力的作用，紧靠转子2表面的流体速度必定等于转子2的表面速度，角速度同样为Ω，而紧靠轴承1表面的气体的角速度为零。环形区域中流体的平均角速度将介于零和Ω之间。
随着转子2的旋转，当带动的气体经过最小的径向间隙值时，如图3中b点所示，气体的可用间隙将减小，因此必定会减速，气体的减速会导致气体的局部压力增大，形成的压力大小如图5所示，将轴承1沿圆周方向平铺后的压力值如图6所示。这时，流体将产生圆周气压碶，这种气压碶就是箔片空气轴承中实现转子支承的主要方式。
当气体随转子2在箔片空气轴承1中旋转时，气体会对转子2产生一个激励作用，这种激励作用便是诱发流体失稳的主要原因。在转子2上钻孔后，如图7所示。当孔转到轴承1中形成的局部高压区时，即图3中b点附近，由于压差的作用，气体会在孔中沿着箭头所示方向从高压区流向低压区，如图8所示。此时气体的激励路径将不再是一整圈，激励路径变短，对转子的激励作用将减小，从而降低转子2的振动，提高转子2在轴承-转子系统中的稳定性。
在空气箔片轴承中，由于轴承两端的气体存在泄露，故轴承轴向的中间平面的气压高于两端的气压，会形成如图5所示的压力峰值。同理，在转子轴颈处刻槽后，箔片空气轴承中形成的高压区气体会在压差的作用下沿着刻槽流向轴承两侧的低压区，如图10所示，从而减小气体激励的作用效果，降低转子的振动，提高转子在轴承-转子系统中的稳定性。
除了以上提出的实例，本发明还可以有其他不同的形式，钻孔的数量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，但凡依照本发明权利要求以及本发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应属于本发明专利覆盖的范围。

Claims (7)

1.一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于包括：箔片轴承(1)、转子(2)、流体介质(3)和径向间隙(4)构成。
2.根据权利要求1所述的一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于：转子(2)上钻孔的部位是轴颈位于径向箔片轴承中间平面处。
3.根据权利要求1所述的一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于：转子(2)上钻孔的数量一般是3个或者4个，但在保证转子(2)刚度和强度的前提下可以依据不同具体情况进行设计，只需保证在转子上均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于：转子(2)上钻孔的大小在保证转子(2)刚度和强度的前提下可以依据不同具体情况进行设计。
5.根据权利要求1所述的一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于：刻槽所在的位置位于轴颈处，方向沿轴向。
6.根据权利要求1所述的一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于：刻槽的数量在保证转子(2)刚度和强度的前提下可多刻，但在转子(2)轴颈处沿圆周方向均匀分布。
7.根据权利要求1所述的一种提高空气箔片轴承支承转子系统稳定性的方法，其特征在于：转子(2)刻槽的形状在保证转子(2)刚度和强度的前提下可以依据不同具体情况进行设计。
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