CN109812501A - 基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，主要包括轴承体、凹槽、支撑梁、转动梁、瓦块、压电陶瓷(PZTs)。所述轴承体设置有沿圆周方向均匀分布的凹槽，所述支撑梁一端与凹槽连接，所述压电陶瓷粘贴在凹槽内支撑梁的端面上，所述支撑梁和转动梁连接在一起构成柔性支撑结构，所述支撑梁、转动梁和瓦块连接在一起构成推力轴承的柔性支撑单元，本发明通过结合挤压效应和动压效应，利用超声振动的瓦块表面产生的悬浮气压，可避免轴承在启动和停止阶段对轴承表面和推力盘表面造成的磨损，达到了提高轴承的寿命和精度的目的；采用的柔性支撑结构显著改善了轴承的刚度和阻尼特性，能够容忍一定的加工和装配误差，提高了轴承的寿命和运行稳定性。

Description

基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承

技术领域

本发明涉及近场超声悬浮及空气轴承技术领域，具体涉及一种基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承。

背景技术

气体润滑技术作为高速、高精密和低功耗的支撑技术，广泛应用于高速离心机、压缩机和精密机床等旋转机械中。气体轴承在工作时，轴承表面与转子表面形成一定的楔形收敛间隙。当转子达到一定的转速时，润滑气体被带入楔形间隙并形成润滑气膜，以承受转子系统所受的径向力或轴向力。相对于传统的球轴承和滑动轴承，气体轴承具有清洁、稳定性较高和精度高等优点。但是气体轴承工作采用的动压效应需要在较高转速下才能够实现。在启动和停止阶段，由于转子速度较低，轴承和转子表面形成的楔形间隙中润滑汽膜压力较小，不足以支撑转子系统所受的径向力或轴向力，轴承和转子表面会产生一定的磨损，严重影响气体轴承的使用寿命。因此，需要采用一种新的方法减少气体轴承在启动和停止阶段造成的磨损，以提高气体轴承寿命和稳定性。

近场超声悬浮技术是一种新的非接触悬浮技术，其利用压电陶瓷高频挤压发射盘和悬浮盘之间的气体，间隙内一个周期的平均气压大于周围环境气压，因此悬浮盘能够悬浮在发射盘上。近场超声悬浮技术不同于传统的动压效应，其两个平行表面在法向力的作用下使润滑膜周期性增加或减小而产生悬浮力。因此，近场超声悬浮能够在没有转动的情况下对转子产生一定的悬浮力，进而减少启动和停止阶段对轴承和转子表面造成的磨损。

此外，气体润滑轴承工作间隙较小，对加工精度和装配要求较高。柔性支撑结构能够减少加工及装配误差对轴承性能的影响，同时能够根据转子的运行状态实时调整支撑单元，显著地改善轴承的刚度和阻尼特性，使轴承转子系统稳定的运行。

基于对气体润滑轴承存在的启动和停止阶段磨损问题，以及气体润滑轴承工作间隙较小，加工精度和装配误差对轴承性能影响较大的问题，本发明提出一种结构简单、加工方便及性能优良的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承。该轴承能够有效减少启动和停止阶段对轴承和转子表面造成的磨损，降低加工及装配误差对轴承性能的影响。

发明内容

基于上述背景技术，本发明正是为了有效的解决气体润滑推力轴承存在的不足而提出的，具体而言，其提供了一种基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，该轴承能够有效减少启动和停止阶段对轴承和转子表面造成的磨损，降低加工及装配误差对轴承性能的影响。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，主要包括轴承体、凹槽、支撑梁、转动梁、瓦块、压电陶瓷(PZTs)。所述轴承体设置有沿圆周方向均匀分布的凹槽，所述支撑梁一端与凹槽连接，所述压电陶瓷粘贴在凹槽内支撑梁的端面上，所述支撑梁和转动梁连接在一起构成柔性支撑结构，所述支撑梁、转动梁和瓦块连接在一起构成推力轴承的柔性支撑单元，所述瓦块外表面形成推力轴承与推力盘的配合面，所述瓦块内表面与轴承体内表面之间具有间距。

进一步，所述凹槽在圆周方向上均匀分布。

进一步，所述支撑梁、转动梁和瓦块采用整体式结构。所述支撑梁、转动梁和瓦块一起构成轴承的柔性支撑单元，所述柔性支撑单元在圆周方向上均匀分布。

进一步，所述压电陶瓷粘贴在支撑梁的端面上。

进一步，所述支撑梁可以产生轴向位移，所述转动梁可以转动一定的角度，所述瓦块可以进行轴向和转动方向的位移。

进一步，所述轴承采用铝合金材料。

进一步，所述瓦块表面设置有涂层。

进一步，所述轴承采用线切割加工。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：

本发明通过对气体润滑轴承的工作方式进行改进来达到提高轴承工作寿命和运行稳定性的目的。通过改进气体润滑推力轴承的结构，使轴承在工作过程中引入挤压效应，在推力轴承瓦块表面和转子推力盘表面之间形成气膜压力。凹槽设置在轴承体内，压电陶瓷直接粘贴在凹槽内的支撑梁内表面上。压电陶瓷受到正弦激励信号后会产生高频的振动，支撑梁在压电陶瓷的作用下会产生相同频率下的振动。瓦块在支撑梁的振动下高频挤压瓦块表面和推力盘表面之间的气体形成近场超声悬浮气压。在轴承转子系统启动和停止阶段，由挤压效应引入的气膜压力能够有效的减少启动和停止阶段对轴承和推力盘表面造成的磨损。此外，引入的挤压效应还能够增强轴承的承载能力。该轴承通过采用柔性支撑结构，能够减少加工及装配误差对轴承性能的影响。轴承转子系统在不同的工况下运行状态不同。随着轴承转子系统的运行状态发生变化，瓦块受到气膜压力作用后会发生径向的运动及转动，显著改善轴承的刚度和阻尼特性，提高了轴承转子系统的稳定性。同时，通过控制压电陶瓷的振动来控制瓦块的振动进而控制转子的运动状态。

与现有的气体推力轴承相比，本发明通过在气体润滑轴承工作过程中引入挤压效应，有效的减少了启动和停止阶段对轴承和推力盘表面造成的磨损，增强了轴承的承载能力，提高了轴承的寿命和运行稳定性。同时，该轴承采用柔性支撑结构，能够减少加工及装配误差对轴承性能的影响，显著的改善了轴承的刚度和阻尼特性，进而提高了轴承转子系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明挤压膜气体推力轴承的整体结构示意图；

图2为本发明挤压膜气体推力轴承的柔性支撑单元局部结构示意图；

图3为本发明挤压膜气体推力轴承的瓦块表面示意图；

图4为本发明挤压膜气体推力轴承中压电陶瓷及接线示意图；

图5为本发明挤压膜气体推力轴承工作原理示意图；

图中：1-轴承体；2-凹槽；3-支撑梁；4-转动梁；5-瓦块；6-压电陶瓷；

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说明，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1、图2所示，所述基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承包括轴承体1、凹槽2、支撑梁3、转动梁4、瓦块5和压电陶瓷6构成。所述轴承体1、支撑梁3、转动梁4、瓦块5采用整体式结构。所述轴承通过轴承体1与固定装置连接。所述凹槽2沿圆周方向均匀分布于轴承体1内部，以便安装压电陶瓷6。所述压电陶瓷6通过环氧树脂粘贴在支撑梁3内表面上。所述支撑梁3在压电陶瓷6作用下产生高频振动。所述支撑梁3、转动梁4和瓦块5连接在一起构成推力轴承的柔性支撑单元，所述柔性支撑单元能够产生径向的运动及绕转动梁的转动，显著改善轴承的刚度和阻尼特性，适应不同工况下转子的运行状态，所述瓦块5形状为扇形，其表面形成推力轴承与推力盘的配合面，所述凹槽2、支撑梁3、转动梁4、瓦块5和压电陶瓷6在圆周方向上均匀设置有n个。

推力轴承柔性支撑单元局部结构及瓦块表面示意图分别如图2、图3所示。支撑梁3的厚度t₁决定了柔性支撑单元的轴向刚度。通过调节转动梁4的厚度t₂可获得不同的转动刚度。瓦块5结构的内径和外径分别为R_o和R_i。瓦块5展开角为θ，支点角为θ_p。瓦块5支点角θ_p与瓦块5角度θ之比(θ_pθ)为瓦块偏置。偏置大小对轴承特性影响较大。当偏置增大时，瓦块5的倾斜角度大，进而增加楔形效应，转子系统的临界转速及不稳定发生的速度增加，进而增加轴承运行稳定性。但瓦块5的偏置不能够过大，过大的偏置会造成转子系统的振动增大。压电陶瓷6受到激励信号后高频挤压支撑梁3，带动瓦块5高频振动。同时瓦块5会受到气膜压力的作用，压迫转动梁4，进而使支撑梁3发生轴向移动。因此，柔性支撑单元的轴向位移由支撑梁3的刚度、压电陶瓷6受到的激励信号及瓦块5受到的气膜压力共同决定。图4为压电陶瓷6的结构及接线示意图，其长、宽、高分别为L_p、H_p、t_p。

所述柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承的工作原理如图5所示。所述柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承是一种结合挤压效应和动压效应工作的混合型轴承。压电陶瓷6受到正弦激励信号后会产生高频的振动，支撑梁3在压电陶瓷6的作用下会产生相同频率下的振动。瓦块5在支撑梁3的振动下高频挤压瓦块表面和推力盘表面之间的气体形成近场超声悬浮气压。通过调节输入信号控制压电陶瓷6的振动，可以获得不同大小的近场超声悬浮气压。在轴承转子系统启动和停止阶段，由挤压效应引入的气膜压力能够有效的减少启动和停止阶段对轴承和推力盘表面造成的磨损，提高了轴承的寿命及转子系统的运行稳定性。此外，引入的挤压效应还能够增强轴承的承载能力。本发明轴承采用的柔性支撑结构，能够减少加工及装配误差对轴承性能的影响，适应转子系统不同工况下的运行状态。

除了以上提出的实例，轴承体1和压电陶瓷6可以有其它不同的形状和粘贴方法。柔性支撑单元的结构参数可根据具体情况进行设计。此外，柔性支撑单元个数及分布情况也可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做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 (8)

1.一种基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：包括轴承体(1)、凹槽(2)、支撑梁(3)、转动梁(4)、瓦块(5)和压电陶瓷(6)，所述轴承体(1)设置有沿圆周方向均匀分布的凹槽(2)，所述支撑梁(3)一端与凹槽(2)连接，所述压电陶瓷(6)粘贴在凹槽(2)内支撑梁的端面上，所述支撑梁(3)和转动梁(4)连接在一起构成柔性支撑结构，所述支撑梁(3)、转动梁(4)和瓦块(5)连接在一起构成推力轴承的柔性支撑单元，所述瓦块(5)外表面形成推力轴承与推力盘的配合面，所述瓦块(5)内表面与轴承体(1)内表面之间具有间距。

2.根据权利要求1所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述凹槽(2)在圆周方向上均匀分布。

3.根据权利要求1所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述支撑梁(3)、转动梁(4)和瓦块(5)采用整体式结构。所述支撑梁(3)、转动梁(4)和瓦块(5)一起构成轴承的柔性支撑单元，所述柔性支撑单元在圆周方向上均匀分布。

4.根据权利要求1、2、3所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述压电陶瓷(6)粘贴在支撑梁(3)的端面上。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述支撑梁(3)可以产生轴向位移，所述转动梁(4)可以转动一定的角度，所述瓦块(5)可以进行轴向和转动方向的位移。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述轴承采用铝合金材料。

7.根据权利要求1所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述瓦块(5)表面设置有涂层。

8.根据权利要求1、2、3、5、6、7所述的基于近场超声悬浮的柔性支撑可倾瓦挤压膜气体推力轴承，其特征在于：所述轴承采用线切割加工。