CN108561419B - 一种具有表面织构的组合气体轴承及表面织构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有表面织构的组合气体轴承，包括半圆弧形的固定瓦块，正对着固定瓦块的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，固定瓦块与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构，可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体。本发明还公开了一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，通过采用遗传进化策略，动态运用选择、交叉和变异等操作，实现可倾瓦块表面织构形状、尺寸参数和分布位置的最优配置，从而最大程度地提高具有表面织构的组合气体轴承的承载性能，改善轴承的服役可靠性。

Description

一种具有表面织构的组合气体轴承及表面织构设计方法

技术领域

本发明属于气体轴承动力润滑装置技术领域，具体涉及一种具有表面织构的组合气体轴承，还涉及一种表面织构设计方法。

背景技术

具有表面织构的组合气体轴承因具有无污染、低噪音、低成本和高转速等特点，在微型燃气轮机发电机组和新型高速高能电机等新一代微型高速动力驱动装置领域得到了广泛的应用。但是，随着新一代微型高速动力驱动装置向高效率、高服役可靠性方向发展，其重要支撑部件具有表面织构的组合气体轴承的服役工况越来越苛刻，对具有表面织构的组合气体轴承的性能要求也越来越高。目前，制约具有表面织构的组合气体轴承性能的根源主要在于轴承-转子系统与润滑气体相互作用时的承载性能，因此，提高具有表面织构的组合气体轴承性能的关键在于改善轴承承载能力。

表面织构技术是随着离子刻蚀、表面喷丸、机械微刻以及激光技术等的发展而逐渐发展起来的一种表面处理手段，通过在摩擦副表面加工出合适尺度的表面织构(如：凹槽、凹坑)，能够凭借其二次润滑、容纳磨损颗粒和附加流体动压效应，有效改善摩擦副的承载能力。但是，由于表面织构的形状、尺寸参数、分布形式等对摩擦副的承载能力有较大影响，因此，对表面织构的形状、尺寸参数和分布形式进行优化设计能够最大程度地提高摩擦副承载能力。

目前，尚未见在具有表面织构的组合气体轴承表面进行表面织构以改善承载性能的相关专利报道。如何在具有表面织构的组合气体轴承表面进行表面织构优化设计，实现承载能力的最优化，对突破具有表面织构的组合气体轴承性能制约，推动新一代微型高速动力驱动装置向高效率、高服役可靠性方向发展有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有表面织构的组合气体轴承，解决了现有技术组合气体轴承性能的承载能力不足的问题。

本发明的另一个目的是提供一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构的设计方法，以实现轴承承载性能的最优化。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种具有表面织构的组合气体轴承，包括半圆弧形的固定瓦块，正对着固定瓦块的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，固定瓦块与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构，可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体。

本发明的特点还在于，

可倾瓦块单元包括多个可倾瓦块，表面织构设置于每个可倾瓦块的内表面，可倾瓦块支撑体设置在可倾瓦块的外表面中间位置。

可倾瓦块的轴向表面织构率t为100％、周向表面织构率s为10％-50％、表面织构起始角度比k不大于50％，

其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块宽度b的比值，

周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块包角β的比值，

表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块包角β的比值。

表面织构为均匀排列的凹坑或凹槽。

当表面织构为均匀排列的凹坑时，凹坑形状为半球形、圆柱形或立方体形。

当表面织构为均匀排列的凹槽时，凹槽的横截面形状为抛物线形或矩形。

当表面织构为均匀排列的凹坑时，凹坑的深度h_d为10-100微米，凹坑半径r_d为50-200微米；当表面织构为均匀排列的凹槽时，凹槽的深度h_d为10-100微米，凹槽宽度r_d为50-200微米。

本发明所采用的第二种技术方案是，采用一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、确定表面织构中优化变量的取值范围

针对选定的表面织构3的形式和形状，设定表面织构3的轴向表面织构率t为100％，将表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d和表面织构半径或宽度r_d设定为优化变量，优化时，给定表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d和表面织构半径或宽度r_d的取值范围分别为10％～50％、0％～50％、10～100微米和50～200微米，

其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块宽度b的比值，

周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块包角β的比值，

表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块包角β的比值；

步骤2、确定表面织构优化变量的集合，即染色体群

将优化变量表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度h_d、表面织构的半径或宽度r_d表示成行向量的形式{s、k、h_d、r_d}，即染色体，根据步骤1所确定的表面织构尺寸参数和分布位置的取值范围，在取值范围内对染色体进行随机实数编码，形成m个行向量，并将行向量形式的m个染色体扩展成矩阵的形式，矩阵的每一行代表一个染色体，矩阵的行数m代表染色体的个数，构成具有m个染色体的染色体群；

步骤3、计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力

根据步骤2所确定的染色体群，依据气体润滑理论计算每个染色体所对应的一种具有表面织构的组合气体轴承承载力；

步骤4、表面织构尺寸参数和分布位置的遗传进化操作

利用轮盘赌法，选择承载力较高的染色体，形成子代染色体群，对子代染色体进行交叉和变异操作；

步骤5、确定最佳的表面织构尺寸参数和分布位置

重复步骤3和步骤4，直到获得最大的轴承承载力，给出轴承承载力最大时的染色体，即最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度h_d和表面织构半径/宽度r_d；

步骤6、确定最优表面织构形状、尺寸参数和分布位置，调整凹坑或凹槽形状，重复步骤1至步骤5，得到全部凹坑或凹槽形状最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d、表面织构半径/宽度r_d及相应的承载力，根据承载力，即得最优的表面织构形状及其对应的尺寸参数和分布位置。

步骤3的计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力的具体步骤如下：

根据步骤2所确定的染色体群计算染色体群中各个染色体所对应的具有表面织构的组合气体轴承承载力，在计算轴承承载力时，固定瓦块1在轴承坐标系xO_by中的气膜力F_X1和F_Yl可通过调用轴承偏心率和偏位角，代入Reynolds方程中直接求解，可倾瓦块(2)在轴承坐标系xO_by中的承载力可根据以下步骤求解：

步骤3.1、给定可倾瓦块支撑体位置角φ_ki及相对摆角的初值α_i/ψ，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξ_iO_iη_i中的偏心率ε_i：

其中，Ψ为轴承间隙比，即轴承半径间隙c和轴承半径R的比值，

δ为预负荷系数、ε为轴承偏心率、θ为偏位角；

步骤3.2、根据可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξ_iO_iη_i中的偏位角γ_i及步骤2所确定的染色体群，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξ_iO_iη_i中无量纲气膜厚度H_i：

H_i＝1+ε_icos(φ_i-γ_i)+H_ti (2)

其中，H_ti为可倾瓦块表面织构造成的无量纲气膜厚度，φ_i为从可倾瓦块轴瓦坐标系纵轴负向开始计量的气膜位置角度；

步骤3.3、将求得的可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξ_iO_iη_i中气膜厚度H_i代入Reynolds方程，求得无量纲气膜压力P_i，可倾瓦块(2)的动压润滑Reynolds方程为：

其中，A＝6ωμ/p_aΨ²为轴承数，λ＝z/R为无量纲轴向坐标，z为有量纲轴向坐标，

为无量纲周向坐标，通过对无量纲压力P_i求积分得到可倾瓦块(2)的径向和切向气膜力分量F_θi和F_εi；

步骤3.4、具有表面织构的组合气体轴承在其运行过程中，可倾瓦块(2)要平衡，可倾瓦块(2)的平衡条件为：

根据可倾瓦块(2)的平衡条件，可更新可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的偏位角，即：

步骤3.5、修正可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ，修正后的可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ可表示为：

步骤3.6、判断可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ的相对变化是否小于10^-5，如不小于，采用牛顿迭代法修正相对摆角，并重复步骤3.1-3.5，否则输出可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的非线性气膜力F_ξi和F_ηi，

步骤3.7、将可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的非线性气膜力F_ξi和F_ηi转化为轴承坐标系xO_by中的气膜力F_Xi和F_Yi，转化公式为：

根据固定瓦块1、可倾瓦块(2)在轴承坐标系xO_by中的气膜力F_Xi和F_Yi，可组装得到具有表面织构的组合气体轴承在轴承坐标系xO_by中的非线性气膜力F_X和F_Y，即：

因此，对于染色体群中的第j个染色体，具有表面织构的组合气体轴承的承载力W_j可计算为：

步骤4选择承载力较高的染色体，形成子代染色体群，对子代染色体进行交叉和变异操作的具体方法为：

根据轮盘赌法，染色体j被选中的概率为：

其中，m为染色体群中染色体的个数，j＝1，2，...m，

对于按照轮盘赌法选择出的子代染色体群，将子代染色体群中的染色体以给定概率进行基因交叉、变异操作，并与父代染色体群进行重组，

从子代染色体群中选出任意两个染色体，按实数交叉算法进行这两个染色体的交叉操作，根据实数交叉算法，交叉操作后的染色体可表示为：交叉操作后的染色体＝染色体1+0.25×(染色体2-染色体1)，

其中，染色体1为选中的第一个染色体，染色体2为选中的第二个染色体，

在对子代染色体群的染色体进行交叉操作后，按照基于位置的实值变异算法进行染色体的变异操作，基于位置的染色体实值变异算法为：

①随机产生染色体的两个变异位置，

②将第二个变异位置上的染色体基因移动到第一个变异位置的前面，

基于上述操作，可实现染色体的变异操作。

本发明的有益效果是，本发明的一种具有表面织构的组合气体轴承的可倾瓦块内表面上设计有表面织构以提供附加的气体动力效应，从而能够改善轴承的承载性能，提高轴承服役可靠性；本发明的一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，通过遗传进化算法，对表面织构的形状、尺寸参数和分布形式进行优化，在最大程度地提高轴承承载性能的同时，能够为轴承表面织构的设计提供依据、改善设计效率。

附图说明

图1是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承截面图；

图2是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构球形凹坑可倾瓦块的展开示意图；

图3是本发明提供的球形凹坑的结构示意图；

图4是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构圆柱形凹坑可倾瓦块的展开示意图；

图5是本发明提供的圆柱形凹坑的结构示意图；

图6是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构方形凹坑可倾瓦块的展开示意图；

图7是本发明提供的方形凹坑的结构示意图；

图8是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构抛物线凹槽可倾瓦块的展开示意图；

图9是本发明提供的抛物线凹槽的结构示意图；

图10是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构方形凹槽可倾瓦块的展开示意图；

图11是本发明提供的方形凹槽的结构示意图；

图12是本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构优化流程图；

图13是一种具有表面织构的组合气体轴承的可倾瓦块坐标系的几何关系图；

图14是一种具有表面织构的组合气体轴承可倾瓦块在轴瓦坐标系中非线性气膜力分量的关系图。

图中，1.固定瓦块，2.可倾瓦块，3.表面织构，4.可倾瓦块支撑体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种表面织构化具有表面织构的组合气体轴承如图1所示，包括半圆弧形的固定瓦块1，正对着固定瓦块1的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，固定瓦块1与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构3，可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体4。

可倾瓦块单元包括多个可倾瓦块2，表面织构3设置于每个可倾瓦块2的内表面，可倾瓦块支撑体4设置在可倾瓦块2的外表面中间位置。

可倾瓦块2的轴向表面织构率t为100％、周向表面织构率s为10％-50％、表面织构起始角度比k不大于50％，

其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块宽度b的比值，

周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块包角β的比值，

表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块包角β的比值。

表面织构3为均匀排列的凹坑或凹槽。

当表面织构3为均匀排列的凹坑时，凹坑形状为半球形、圆柱形或立方体形。

当表面织构3为均匀排列的凹槽时，凹槽的横截面形状为抛物线形或矩形。

当表面织构3为均匀排列的凹坑时，凹坑的深度h_d为10-100微米，凹坑半径r_d为50-200微米；当表面织构3为均匀排列的凹槽时，凹槽的深度h_d为10-100微米，凹槽宽度r_d为50-200微米。

表面织构3的形状、结构尺寸可采用下列实施例：

实施例1

如图2和图3所示，表面织构3的形式为凹坑，凹坑形状为球形。球形凹坑的轴向表面织构率(表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块2宽度b的比值)t为100％；周向表面织构率(表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块2包角β的比值)s在10％至50％之间取值；球形凹坑的表面织构起始角度比(表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块2包角β的比值)k在0％至50％之间取值；球形凹坑的深度h_d在10至100微米之间取值；球形凹坑的半径r_d在50至200微米之间取值。

实施例2

如图4和图5所示，表面织构3的形式为凹坑，凹坑形状为圆柱形。圆柱形凹坑的轴向表面织构率(表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块2宽度b的比值)t为100％；周向表面织构率(表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块2包角β的比值)s在10％至50％之间取值；圆柱形凹坑的表面织构起始角度比(表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块2包角β的比值)k在0％至50％之间取值；圆柱形凹坑的深度h_d在10至100微米之间取值；圆柱形凹坑的半径r_d在50至200微米之间取值。

实施例3

如图6和图7所示，表面织构3的形式为凹坑，凹坑形状为方形。方形凹坑的轴向表面织构率(表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块2宽度b的比值)t为100％；周向表面织构率(表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块2包角β的比值)s在10％至50％之间取值；方形凹坑的表面织构起始角度比(表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块2包角β的比值)k在0％至50％之间取值；方形凹坑的深度h_d在10至100微米之间取值；方形凹坑的半径r_d在50至200微米之间取值。

实施例4

如图8和图9所示，表面织构3的形式为凹槽，凹坑形状为抛物线形。抛物线形凹槽的轴向表面织构率(表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块2宽度b的比值)t为100％；周向表面织构率(表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块2包角β的比值)s在10％至50％之间取值；抛物线形凹槽的表面织构起始角度比(表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块2包角β的比值)k在0％至50％之间取值；抛物线形凹槽的深度h_d在10至100微米之间取值；抛物线形凹槽的宽度r_d在50至200微米之间取值。

实施例5

如图10和图11所示，表面织构3的形式为凹槽，凹坑形状为方形。方形凹槽的轴向表面织构率(表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块2宽度b的比值)t为100％；周向表面织构率(表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块2包角β的比值)s在10％至50％之间取值；方形凹槽的表面织构起始角度比(表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块2包角β的比值)k在0％至50％之间取值；方形凹槽的深度h_d在10至100微米之间取值；方形凹槽的宽度r_d在50至200微米之间取值。

本发明一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构的设计方法，优化流程如图12所示，具体按照以下步骤实施：

确定具有表面织构的组合气体轴承表面织构的初始形式及形状

在可倾瓦块2内表面的部分区域设计微米级的表面织构3，表面织构3的形式为凹坑或凹槽，凹坑形状在球形、圆柱形和方形之中任选其一，凹槽形状在抛物线形和方形中任选其一；

步骤1、确定表面织构中优化变量的取值范围

针对选定的表面织构3的形式和形状，设定表面织构3的轴向表面织构率t为100％，将表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d和表面织构半径或宽度r_d设定为优化变量，优化时，给定表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d和表面织构半径或宽度r_d的取值范围分别为10％～50％、0％～50％、10～100微米和50～200微米；

其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块宽度b的比值，

周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块包角β的比值，

表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块包角β的比值。

步骤2、确定表面织构优化变量的集合，即染色体群

将优化变量表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度h_d、表面织构的半径或宽度r_d表示成行向量的形式{s、k、h_d、r_d}，即染色体，根据步骤1所确定的表面织构尺寸参数和分布位置的取值范围，在取值范围内对染色体进行随机实数编码，形成m个行向量，并将行向量形式的m个染色体扩展成矩阵的形式，矩阵的每一行代表一个染色体，矩阵的行数m代表染色体的个数，构成具有m个染色体的染色体群；

步骤3、计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力

根据步骤2所确定的染色体群，依据气体润滑理论计算每个染色体所对应的一种具有表面织构的组合气体轴承承载力；

根据步骤2所确定的染色体群计算染色体群中各个染色体所对应的具有表面织构的组合气体轴承承载力，在计算轴承承载力时，固定瓦块1在轴承坐标系xO_by中的气膜力F_X1和F_Y1可通过调用轴承偏心率和偏位角，代入Reynolds方程中直接求解，可倾瓦块(2)在轴承坐标系xO_by中的承载力可根据以下步骤求解：

步骤3.1、给定可倾瓦块支撑体位置角φ_ki及相对摆角的初值α_i/ψ，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξ_iO_iη_i中的偏心率ε_i：

其中，Ψ为轴承间隙比，即轴承半径间隙c和轴承半径R的比值，

δ为预负荷系数、ε为轴承偏心率、θ为偏位角；

步骤3.2、根据可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξ_iO_iη_i中的偏位角γ_i及步骤2所确定的染色体群，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξ_iO_iη_i中无量纲气膜厚度H_i：

H_i＝1+ε_icos(φ_i-γ_i)+H_ti (2)

其中，H_ti为可倾瓦块表面织构造成的无量纲气膜厚度，φ_i为从可倾瓦块轴瓦坐标系纵轴负向开始计量的气膜位置角度；

步骤3.3、将求得的可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξ_iO_iη_i中气膜厚度H_i代入Reynolds方程，求得无量纲气膜压力P_i，可倾瓦块(2)的动压润滑Reynolds方程为：

其中，Λ＝6ωμ/p_aψ²为轴承数，λ＝z/R为无量纲轴向坐标，z为有量纲轴向坐标，

为无量纲周向坐标，通过对无量纲压力P_i求积分得到可倾瓦块(2)的径向和切向气膜力分量F_θi和F_εi；

步骤3.4、具有表面织构的组合气体轴承在其运行过程中，可倾瓦块(2)要平衡，可倾瓦块(2)的平衡条件为：

根据可倾瓦块(2)的平衡条件，可更新可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的偏位角，即：

步骤3.5、修正可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ，修正后的可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ可表示为：

步骤3.6、判断可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ的相对变化是否小于10^-5，如不小于，采用牛顿迭代法修正相对摆角，并重复步骤3.1-3.5，否则输出可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的非线性气膜力F_ξi和F_ηi，

步骤3.7、将可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的非线性气膜力F_ξi和F_ηi转化为轴承坐标系xO_by中的气膜力F_Xi和F_Yi，转化公式为：

根据固定瓦块1、可倾瓦块(2)在轴承坐标系xO_by中的气膜力F_Xi和F_Yi，可组装得到具有表面织构的组合气体轴承在轴承坐标系xO_by中的非线性气膜力F_X和F_Y，即：

因此，对于染色体群中的第j个染色体，具有表面织构的组合气体轴承的承载力W_j可计算为：

步骤4、表面织构尺寸参数和分布位置的遗传进化操作

利用轮盘赌法，选择承载力较高的染色体，染色体j被选中的概率为：

其中，m为染色体群中染色体的个数，j＝1，2，...m，

对于按照轮盘赌法选择出的子代染色体群，将子代染色体群中的染色体以给定概率进行基因交叉、变异操作，

从子代染色体群中选出两个染色体，按实数交叉算法进行这两个染色体的交叉操作，根据实数交叉算法，交叉操作后的染色体可表示为：交叉操作后的染色体＝染色体1+0.25×(染色体2-染色体1)，

其中，染色体1为选中的第一个染色体，染色体2为选中的第二个染色体，

在对子代染色体群的染色体进行交叉操作后，按照基于位置的实值变异算法进行染色体的变异操作，基于位置的染色体实值变异算法为：

①随机产生染色体的两个变异位置，

②将第二个变异位置上的染色体基因移动到第一个变异位置的前面，

基于上述操作，可实现染色体的变异操作。

步骤5、确定最佳的表面织构尺寸参数和分布位置

重复步骤3和步骤4，直到获得最大的轴承承载力，给出轴承承载力最大时的染色体，即最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度h_d和表面织构半径/宽度r_d；

步骤6、确定最优表面织构形状、尺寸参数和分布位置，调整凹坑或凹槽形状，重复步骤1至步骤5，得到全部凹坑或凹槽形状最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d、表面织构半径/宽度r_d及相应的承载力，根据承载力，即得最优的表面织构形状及其对应的尺寸参数和分布位置。

Claims (8)

1.一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，包括半圆弧形的固定瓦块(1)，正对着所述固定瓦块(1)的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，所述固定瓦块(1)与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，所述可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构(3)，所述可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体(4)；所述的表面织构(3)为均匀排列的凹坑或凹槽；所述可倾瓦块(2)的轴向表面织构率t为100％、周向表面织构率s为10％-50％、表面织构起始角度比k不大于50％，

其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块宽度b的比值，

周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块包角β的比值，

表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块包角β的比值。

2.根据权利要求1所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述可倾瓦块单元包括多个可倾瓦块(2)，所述表面织构(3)设置于每个所述可倾瓦块(2)的内表面，所述可倾瓦块支撑体(4)设置在可倾瓦块(2)的外表面中间位置。

3.根据权利要求2所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，当所述表面织构(3)为均匀排列的凹坑时，所述凹坑形状为半球形、圆柱形或立方体形。

4.根据权利要求2所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，当所述表面织构(3)为均匀排列的凹槽时，所述凹槽的横截面形状为抛物线形或矩形。

5.根据权利要求2所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，当所述表面织构(3)为均匀排列的凹坑时，所述凹坑的深度h_d为10-100微米，所述凹坑半径r_d为50-200微米；当所述表面织构(3)为均匀排列的凹槽时，所述凹槽的深度h_d为10-100微米，所述凹槽宽度r_d为50-200微米。

6.一种如权利要求2所述的具有表面织构的组合气体轴承的表面织构的设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、确定表面织构中优化变量的取值范围

针对选定的表面织构(3)的形式和形状，设定表面织构3的轴向表面织构率t为100％，将表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d和表面织构半径或宽度r_d设定为优化变量，优化时，给定表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d和表面织构半径或宽度r_d的取值范围分别为10％～50％、0％～50％、10～100微米和50～200微米，

其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度b_t与可倾瓦块宽度b的比值，

周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度β_t与可倾瓦块包角β的比值，

表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度β_s与可倾瓦块包角β的比值；

步骤2、确定表面织构优化变量的集合，即染色体群

将优化变量表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度h_d、表面织构的半径或宽度r_d表示成行向量的形式{s、k、h_d、r_d}，即染色体，根据步骤1所确定的表面织构尺寸参数和分布位置的取值范围，在取值范围内对染色体进行随机实数编码，形成m个行向量，并将行向量形式的m个染色体扩展成矩阵的形式，矩阵的每一行代表一个染色体，矩阵的行数m代表染色体的个数，构成具有m个染色体的染色体群；

步骤3、计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力

根据步骤2所确定的染色体群，依据气体润滑理论计算每个染色体所对应的一种具有表面织构的组合气体轴承承载力；

步骤4、表面织构尺寸参数和分布位置的遗传进化操作

利用轮盘赌法，选择承载力较高的染色体，形成子代染色体群，对子代染色体进行交叉和变异操作；

步骤5、确定最佳的表面织构尺寸参数和分布位置

重复步骤3和步骤4，直到获得最大的轴承承载力，给出轴承承载力最大时的染色体，即最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度h_d和表面织构半径/宽度r_d；

步骤6、确定最优表面织构形状、尺寸参数和分布位置，调整凹坑或凹槽形状，重复步骤1至步骤5，得到全部凹坑或凹槽形状最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度h_d、表面织构半径/宽度r_d及相应的承载力，根据承载力，即得最优的表面织构形状及其对应的尺寸参数和分布位置。

7.根据权利要求6所述的一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，其特征在于，所述步骤3的计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力的具体步骤如下：

根据步骤2所确定的染色体群计算染色体群中各个染色体所对应的具有表面织构的组合气体轴承承载力，在计算轴承承载力时，固定瓦块(1)在轴承坐标系xO_by中的气膜力F_X1和F_Y1可通过调用轴承偏心率和偏位角，代入Reynolds方程中直接求解，可倾瓦块(2)在轴承坐标系xO_by中的承载力可根据以下步骤求解：

步骤3.1、给定可倾瓦块支撑体位置角φ_ki及相对摆角的初值α_i/ψ，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξ_iO_iη_i中的偏心率ε_i：

其中，ψ为轴承间隙比，即轴承半径间隙c和轴承半径R的比值，

δ为预负荷系数、ε为轴承偏心率、θ为偏位角；

步骤3.2、根据可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξ_iO_iη_i中的偏位角γ_i及步骤2所确定的染色体群，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξ_iO_iη_i中无量纲气膜厚度H_i：

H_i＝1+ε_i cos(φ_i-γ_i)+H_ti (2)

其中，H_ti为可倾瓦块表面织构造成的无量纲气膜厚度，φ_i为从可倾瓦块轴瓦坐标系纵轴负向开始计量的气膜位置角度；

步骤3.3、将求得的可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξ_iO_iη_i中气膜厚度H_i代入Reynolds方程，求得无量纲气膜压力P_i，可倾瓦块(2)的动压润滑Reynolds方程为：

其中，Λ＝6ωμ/p_aψ²为轴承数，λ＝z/R为无量纲轴向坐标，z为有量纲轴向坐标，

为无量纲周向坐标，通过对无量纲压力P_i求积分得到可倾瓦块(2)的径向和切向气膜力分量F_θi和F_εi；

步骤3.4、具有表面织构的组合气体轴承在其运行过程中，可倾瓦块(2)要平衡，可倾瓦块(2)的平衡条件为：

根据可倾瓦块(2)的平衡条件，更新可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的偏位角，即：

步骤3.5、修正可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ，修正后的可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ可表示为：

步骤3.6、判断可倾瓦块(2)的相对摆角α_i/ψ的相对变化是否小于10^-5，如不小于，采用牛顿迭代法修正相对摆角，并重复步骤3.1-3.5，否则输出可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的非线性气膜力F_ξi和F_ηi，

步骤3.7、将可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的非线性气膜力F_ξi和F_ηi转化为轴承坐标系xO_by中的气膜力F_Xi和F_Yi，转化公式为：

根据固定瓦块1、可倾瓦块(2)在轴承坐标系xO_by中的气膜力F_Xi和F_Yi，组装得到具有表面织构的组合气体轴承在轴承坐标系xO_by中的非线性气膜力F_X和F_Y，即：

因此，对于染色体群中的第j个染色体，具有表面织构的组合气体轴承的承载力W_j计算为：

8.根据权利要求7所述的一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，其特征在于，所述步骤4选择承载力较高的染色体，形成子代染色体群，对子代染色体进行交叉和变异操作的具体方法为：

根据轮盘赌法，染色体j被选中的概率为：

其中，m为染色体群中染色体的个数，j＝1,2,…m，

对于按照轮盘赌法选择出的子代染色体群，将子代染色体群中的染色体以给定概率进行基因交叉、变异操作，从子代染色体群中选出任意两个染色体，按实数交叉算法进行这两个染色体的交叉操作，

根据实数交叉算法，交叉操作后的染色体可表示为：交叉操作后的染色体＝染色体1+0.25×(染色体2-染色体1)，

其中，染色体1为选中的第一个染色体，染色体2为选中的第二个染色体，

在对子代染色体群的染色体进行交叉操作后，按照基于位置的实值变异算法进行染色体的变异操作，基于位置的染色体实值变异算法为：

①随机产生染色体的两个变异位置，

②将第二个变异位置上的染色体基因移动到第一个变异位置的前面，

基于上述操作，实现染色体的变异操作。

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