CN109854612A - 一种弹性支撑组件及动压气体径向轴承 - Google Patents
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Abstract
本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种弹性支撑组件及动压气体径向轴承。鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击。本申请提供了一种弹性支撑组件，包括依次层叠的平箔和弹性筒箔片组，所述弹性筒箔片组包括若干弹性筒箔片，所述弹性筒箔片间层叠排列；所述弹性筒箔片包括弹性筒表面，所述弹性筒表面上设置有若干通孔，所述通孔与弯卷部一侧相连接，所述弯卷部呈凸起状。加工方便结构简单，具有更宽载荷适应范围、更高运转稳定性、更好弹性支撑性能和动态特性的多层弹性筒箔片径向动压气体轴承，提高现有小型气体轴承的稳定性和承载力。
Description
技术领域
本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种弹性支撑组件及动压气体径向轴承。
背景技术
动压式气体轴承具有相对移动的两个表面与楔形空间，正是利用气体在楔形空间产生的流体动压力来支承载荷的。相比于静压式气体轴承，动压气体轴承不需要外部气源，但要求构成楔形间隙的两表面间存在相对运动，而且其动压效果将随相对运动速度的增加而愈加明显。随着科学技术的不断发展，由于传统刚性轴承表面形变有限，柔性表面气体轴承以其稳定性高，面接触摩擦损失小，能随时调整工作间隙等优点受到了广泛应用。
目前弹性箔片动压气体径向轴承的结构形式主要有张紧型、悬臂型、多楔型、缠绕型和波箔型，其中在高速旋转机械领域最为广泛应用的是美国的波箔动压气体轴承，常见于战斗机环控系统、装甲车辆投屏制冷器等。它是由构成轴承表面的平箔和具有许多弹性波结构的波箔组成，平箔支承在波箔上，波箔为顶层平箔提供了弹性基础并控制了轴承表面刚度，具有一定的承载力和稳定性，但存在结构设计复杂、制造精度要求及成本高的缺点。随着波箔片轴承技术的逐代进步，为实现波箔在在三维方向上的弹性支撑，最大限度地提高承载力，第三代波箔将较多数量经精细裁剪的箔片组成轴承的弹性元件，其中单层波箔片具有复杂多样的沿圆周方向的箔片切口和波箔片在节距、波高上变化的特点，有利于减少空气泄漏，优化结构刚度。然而加工难度大，刚度和阻尼却并不是轴向、周向和径向任意位置完全可调的。
近些年来，国内学者提出了鼓泡径向动压气体轴承，其中支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于近些年来，国内学者提出了鼓泡径向动压气体轴承，其中支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击的问题，本申请提供了一种弹性支撑组件及动压气体径向轴承。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种弹性支撑组件，包括依次层叠的平箔和弹性筒箔片组，所述弹性筒箔片组包括若干弹性筒箔片，所述弹性筒箔片间层叠排列；
所述弹性筒箔片包括弹性筒表面，所述弹性筒表面上设置有若干通孔，所述通孔与弯卷部一侧相连接，所述弯卷部呈凸起状。
可选地，所述弯卷部另一侧与上一层弹性筒箔片或者平箔相接触，各层所述弹性筒箔片组的通孔相错排列。
可选地，所述弹性筒箔片间层叠排列方式包括轴向排列和径向排列，所述轴向排列方式包括平行分布、交错分布或者非均匀分布，所述径向排列方式包括周向顺排、轴向顺排或者周向错排。
可选地，所述弹性筒箔片组与所述平箔层叠方式包括整体加工多层组合或分体加工多层叠合。
可选地，所述弯卷部为空心筒型，所述弯卷部与所述通孔固定连接。
可选地，所述通孔呈长方形。
可选地，所述平箔上设置有第一连接板，所述第一连接板与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片上设置有第二连接板，所述第二连接板与所述弹性筒表面一端相连接，所述弹性筒表面另一端自由。
本申请还提供一种动压气体径向轴承，包括轴承座和所述弹性支撑组件，所述轴承座内侧设置有所述弹性支撑组件，所述弹性支撑组件通过定位元件与所述轴承座相连接。
可选地，所述定位元件与所述第一连接板固定连接，所述定位元件与所述第二连接板固定连接。
可选地，所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种弹性支撑组件及动压气体径向轴承的有益效果在于：
本申请提供的弹性支撑组件采用多层弹性筒箔片与平箔层叠组合，类比于弹簧结构。承受较大载荷时形变小，作为缓冲结构能有效吸收振动和冲击载荷。主轴高速旋转时弹性筒箔片可提供稳定的承载力和良好的摩擦、变形阻尼，储存振动能量控制轴承的稳定运转。并且该弹性支撑组件在长时间作用后有一定的自恢复能力，不易发生塑性变形，使该轴承承载性能具有较好的重复性和使用寿命，比波箔和鼓泡箔片有更强的适应范围。增加层间阻尼，有效提高轴承的稳定性和承载力。在主轴高速旋转时，来自于单层及层间的阻尼作用可以使弹性支撑组件只发生径向变形，也可以既变形又滑移以增强轴承的稳定性。单独径向受力时弹性筒只发生径向变形，弹性筒箔片可以利用弯卷部以适应微小的尺寸变化；而在转动中分布受力时箔片间可发生相对滑动与变形以承受更大范围的承载力。轴向和周向刚度可调，有效改善承载力分布，均化气膜压力，协调箔片变形。当承受较大径向载荷时，多层弹性筒箔片通过改变各层弯卷部的布置方式及层间距，气体轴承轴向与周向刚度可调，使载荷均匀地传递到底层箔片直至轴承座上，从而调整轴承内的承载力分布，减少自激涡动的产生。当粘性流体高速剪切运动时，流体内摩擦加剧，长时间积累下摩擦热将使轴承结构和润滑膜的温度升高，多层镂空平箔空间内相互贯通，气体流道复杂，易于各层间流通散热，有效改善气体润滑特性。还可以改变弹性筒结构参数、各层叠合布置方式、材料特征参数等来进一步提升动压气体轴承的运行性能。一体化加工便利，易于装配、调换。
附图说明
图1是本申请的一种弹性支撑组件结构示意图；
图2是本申请的一种弹性支撑组件结构展开示意图；
图3是本申请的弯卷部轴向第一排布方式示意图；
图4是本申请的弯卷部轴向第二排布方式示意图；
图5是本申请的弯卷部轴向第三排布方式示意图；
图6是本申请的弯卷部径向第一排布方式示意图；
图7是本申请的弯卷部径向第二排布方式示意图；
图8是本申请的弯卷部径向第三排布方式示意图；
图9是本申请的单层弹性筒箔片弯卷部结构示意图；
图10是本申请的多层弹性筒箔片弯卷部结构示意图；
图11是本申请的弹性支撑组件整体加工卷曲叠合；
图12是本申请的弹性支撑组件分体加工多层叠合；
图13是本申请的一种动压气体径向轴承结构示意图；
图中：1-平箔、2-弹性筒箔片、3-弹性筒表面、4-通孔、5-弯卷部、6-第一连接板、7-第二连接板、8-轴承座、9-定位元件，10-主轴。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
气体润滑技术起源于19世纪中叶，气体润滑轴承作为无接触、高转速、低功耗、高精密支承技术，广泛应用于离心机、压缩机、风机和泵等旋转机械中，尤其是在超高温、超低温极强辐射等特殊条件下。弹性箔片气体轴承作为气体动压润滑技术的重要分支，在20世纪70年代有了突破性的进步和发展：采用自作用柔性表面以取代传统的刚性表面；同时采用耐高温、耐磨损先进材料制作箔片以及在支承结构中引入内摩擦阻尼等一系列措施，使得弹性箔片气体轴承在提高承载力、扩大转速范围、增加对于高/低温环境的适应性和系统稳定性等方面都取得了显著进步，广泛应用于航空航天和国防军工领域，包括新一代战机、高温燃气轮机、巡航导弹、超低温冷却系统等。
参见图1～12，本申请提供一种弹性支撑组件，包括依次层叠的平箔1和弹性筒箔片组，所述弹性筒箔片组包括若干弹性筒箔片2，所述弹性筒箔片2间层叠排列；
所述弹性筒箔片2包括弹性筒表面3，所述弹性筒表面3上设置有若干通孔4，所述通孔4与弯卷部5一侧相连接，所述弯卷部5呈凸起状。
这里的若干弹性筒箔片2为两层或者两层以上，通孔4之间相互独立存在，那么弯卷部也相互独立，弯卷部5拱向曲率半径小，双侧面接触，阻尼与刚度介于波箔与鼓泡之间，具体使用时，平箔1弯卷处理后为具有镂空孔隙结构，弹性支撑组件各层间相互贯通利于散热，改善气体润滑特性。
弯卷部5相对于弹性筒表面3则为凸起，所有的层叠也是通过弯卷部5进行接触的，具体的，弯卷部5一侧固定在本层弹性筒箔片2通孔4上，弯卷部5另一侧与上一层弹性筒箔片2相接触，依次排列，最上层的弹性筒箔片2，弯卷部5与平箔1相接触。
通过增减弹性弯卷部5数目大小和分布密度来改变对上层元件的支承面积，调节弹性支撑组件的刚度及阻尼，提升轴承整体的载荷范围。通过改变弯卷部5厚度和弯卷层数来调节弹性范围，阻尼作用使其产生径向形变与周向滑移的变形程度，进而改善轴承转子系统的启停和运行性能。
弹性筒箔片2间层叠排列方式有多种，根据具体工况可以进行选择。
参见图6～8，进一步地，所述弯卷部5另一侧与上一层弹性筒箔片2或者平箔1相接触，各层所述弹性筒箔片组的通孔4相错排列。也就是说每一层通孔4间没有重叠，避免下层弯卷部5卡在上层通孔4处，使得各层弹性支承点的位置相错开。
当弹性筒箔片2上一层为平箔1时，弯卷部5的另一侧与平箔1相接触，其余的弯卷部5则与上一层弹性筒箔片2相接触。
弯卷部5沿周向排布。
进一步地，所述弹性筒箔片2间层叠排列方式包括轴向排列和径向排列，所述轴向排列方式包括平行分布、交错分布或者非均匀分布，所述径向排列方式包括周向顺排、轴向顺排或者周向错排。
弹性筒箔片2轴向与径向各层间可采用不同叠合布置方式改变弯卷部5支承点位置，从而改变轴承承载力分布，减少自激涡动提高稳定性。
进一步地，所述弹性筒箔片组与所述平箔1层叠方式包括整体加工卷曲叠合或分体加工多层叠合。
进一步地，所述弯卷部5为空心筒型，所述弯卷部5与所述通孔4固定连接。
弯卷部5可以为其他形状。
进一步地，所述通孔4呈长方形。
当然，通孔4还可以是其他任何形状，根据具体工况进行选择即可。
进一步地，所述平箔1上设置有第一连接板6，所述第一连接板6与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片2上设置有第二连接板7，所述第二连接板7与所述弹性筒表面3一端相连接，所述弹性筒表面3另一端自由。
第一连接板6与平箔表面的连接方式可以是固定连接，也可以是活动连接；第二连接板7与弹性筒表面3的连接方式可以是固定连接，也可以是活动连接。
也就是说是第一连接板6可以由平箔1弯折形成，也即第一连接板6可以是平箔1的延长段；第二连接板7可以由弹性筒箔片2弯折形成，同理，第二连接板7为弹性筒箔片2的延长段。
参见图13，本申请还提供一种动压气体径向轴承，包括轴承座8和所述弹性支撑组件，所述轴承座8内侧设置有所述弹性支撑组件，所述弹性支撑组件通过定位元件9与所述轴承座8相连接。
弹性支撑组件在轴承座8内具有轴承抬起、径向变形和周向滑移的空间。弹性支撑组件的延展及滑移方向与主轴10旋转方向相反。
进一步地，所述定位元件9与所述第一连接板6固定连接，所述定位元件8与所述第二连接板7固定连接。
定位元件9设置于轴承座8上，第一连接板6设置于平箔1上，第二连接板2设置于弹性筒箔片2上，则弹性支撑组件与轴承座7固定连接。
进一步地，所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。
也可利用轴承座8凸起结构将气体轴承固定在轴承座8上。
参照图1～2对轴承工作原理进行描述：
(1)当轴承承受径向载荷或均匀分布载荷时，平箔1发生拱高变化和周向滑动可将载荷转移到下层弹性筒箔片2上，弯卷部5的两端与箔片均为弧形面接触，可将承载力重新分配、均匀转移到轴承座内侧，同时产生适应性刚度和阻尼来适应更宽的载荷范围，及时消耗不稳定涡动而达到减振的效果，有效抑制轴承转子自激涡动和低频涡动，提高转子运转的稳定性。
(2)当轴承正常工作时，主轴10和箔片1发生相对运动，当相对运动速度达到一定值时，在轴颈与轴承间隙内产生连续的压力和气膜厚度分布，从而形成一层完整的气体润滑膜，起到支承转子的作用。随着转速的增大，气体润滑膜受压后引起平箔1的变形和滑动，结构的多样化使弹性筒箔片2在载荷作用下产生较大范围的弹性形变与滑移，为轴承提供了主要的弹性支承。同时转子与轴承间高速运动产生大量摩擦热，多层结构间相贯通的较大形变空间可将热量箔片1表面及时转移，有效改善气体轴承润滑特性。
改变参数的影响：
由箔片1和多层弹性筒箔片2构成的弹性支撑组件在轴承座8内具有轴承抬起、径向变形和周向滑移的空间，具有良好的静、动态特性和稳定性。主要是依靠多层弹性筒箔片2的结构改变、重组布置来实现的。
(1)通过改变单层轴向排布方式、层间排布方式来调整轴承刚度和阻尼。参照图3～5，单层设置不同密度的弯卷部5，如采取平行分布、交错分布及非均匀分布等均衡承载力，调整刚度及弹性变化量；参照图6～8多层设置不同叠合布置方式，采取周向顺排，轴向顺排及周向错排等，改变各层间弯卷部5支承点位置，从而调整箔片轴承整体刚度和阻尼分布。
(2)通过适当增减弯卷部5的数量、密度及卷曲厚度对轴承支承特性进行局部和整体调节。参照图9～10弯卷部5越多轴承受力越均匀可承担的径向载荷范围越大，层叠厚度越大卷曲层数越多阻尼作用使其产生只变形不滑移或既变形又滑移，适应性刚度调节范围越大。需要注意的是，随着弯卷部5数目的增多，箔片间摩擦效应的增大会导致固定端附近的弯卷部5在相同载荷下变形困难和刚度增大，容易在层间出现锁死现象反而无法提供库伦阻尼，对系统稳定性带来不利影响，因此适当设置数目至关重要。
(3)通过增减弹性筒箔片2的层叠数量来改变轴承与主轴10安装时的预紧力，适应更低起飞速度，改善轴承转子系统的启、停及运行性能；多层结构给箔片提供了较大的形变与散热空间，加宽适应性刚度和阻尼，减少摩擦损失，有助于实现高速旋转机械的高效稳定运行。
加工方法及组合方式：
弹性筒箔片2结构简单，一体化加工方便。波箔和鼓泡元件加工时需要控制对箔片的冲击力，防止应力过大损伤元件，加工精度要求较高。而弹性筒箔片2可一次冲击而成，弹性筒卷曲部分与箔片分离，穿透箔片更有利加工。弹性筒箔片2上的弯卷部5直接由锉刀或激光切割弯折机将部分箔片受热弯卷而成，剩余的镂空底箔与弯卷部5相连，起固定弹性筒、均匀承载力和贯通散热的作用。参照图11～12弹性支撑组件可采取两种装配方式，整体加工卷曲式和多层叠合式，装配过程中各层箔片可产生有效的弹性预变形，提高轴承的承载能力、稳定性。
固定方法：
对于该动压气体径向轴承的固定一般采用销钉固定，轴承座8上开设有定位孔，所述定位元件9为销钉，弹性支撑组件一端通过销钉固定在轴承座8上，另一端自由。还可直接采用焊条焊接在轴承座卡槽内，需保证主轴10的旋转方向与弹性支撑组件的延展及滑移方向相反。除此外可利用轴承座凸起限位结构将气体轴承固定在轴承座8上，该结构类比于多瓦弹性箔片轴承，即保持弹性组合元件插入轴承座8后，分段箔片两端能够在圆周方向上轻微滑动，但不可滑出限位元件。其中限位元件的数量弹性组合元件的周向分布确定，限位元件的深度和宽度根据弹性组合元件整体厚度和程度设置。
传统多级波箔受叠合箔片间距较小，只能将部分载荷转移到几乎重叠的下层箔片上。当载荷过大时容易发生塑性变形而使波箔损毁，同时不宜调整箔片的轴向及周向压力分布。
本申请提供的弹性支撑组件采用多层弹性筒箔片2与平箔1层叠组合，类比于弹簧结构。承受较大载荷时形变小，作为缓冲结构能有效吸收振动和冲击载荷。主轴10高速旋转时弹性筒箔片2可提供稳定的承载力和良好的摩擦、变形阻尼，储存振动能量控制轴承的稳定运转。并且该弹性支撑组件在长时间作用后有一定的自恢复能力，不易发生塑性变形，使该轴承承载性能具有较好的重复性和使用寿命，比波箔和鼓泡箔片有更强的适应范围。增加层间阻尼，有效提高轴承的稳定性和承载力。在主轴10高速旋转时，来自于单层及层间的阻尼作用可以使弹性支撑组件只发生径向变形，也可以既变形又滑移以增强轴承的稳定性。单独径向受力时弹性筒只发生径向变形，弹性筒箔片2可以利用弯卷部5以适应微小的尺寸变化；而在转动中分布受力时箔片间可发生相对滑动与变形以承受更大范围的承载力。轴向和周向刚度可调，有效改善承载力分布，均化气膜压力，协调箔片变形。当承受较大径向载荷时，多层弹性筒箔片2通过改变各层弯卷部5的布置方式及层间距，气体轴承轴向与周向刚度可调，使载荷均匀地传递到底层箔片直至轴承座上，从而调整轴承内的承载力分布，减少自激涡动的产生。当粘性流体高速剪切运动时，流体内摩擦加剧，长时间积累下摩擦热将使轴承结构和润滑膜的温度升高，多层镂空平箔空间内相互贯通，气体流道复杂，易于各层间流通散热，有效改善气体润滑特性。还可以改变弹性筒结构参数、各层叠合布置方式、材料特征参数等来进一步提升动压气体轴承的运行性能。一体化加工便利，易于装配、调换。
本申请涉及的弹性支撑组件加工方便结构简单，具有更宽载荷适应范围、更高运转稳定性、更好弹性支撑性能和动态特性的多层弹性筒箔片径向动压气体轴承，在一定程度上解决了连续波箔加工困难，箔片及鼓泡箔片刚度太大，难以装配到轴承座和轴承动特性不稳定等问题，提高现有小型气体轴承的稳定性和承载力。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。
Claims (10)
1.一种弹性支撑组件，其特征在于：包括依次层叠的平箔(1)和弹性筒箔片组，所述弹性筒箔片组包括若干弹性筒箔片(2)，所述弹性筒箔片(2)间层叠排列；
所述弹性筒箔片(2)包括弹性筒表面(3)，所述弹性筒表面(3)上设置有若干通孔(4)，所述通孔(4)与弯卷部(5)一侧相连接，所述弯卷部(5)呈凸起状。
2.如权利要求1所述的弹性支撑组件，其特征在于：所述弯卷部(5)另一侧与上一层弹性筒箔片(2)或者平箔(1)相接触，各层所述弹性筒箔片组的通孔(4)相错排列。
3.如权利要求1所述的弹性支撑组件，其特征在于：所述弹性筒箔片(2)间层叠排列方式包括轴向排列和径向排列，所述轴向排列方式包括平行分布、交错分布或者非均匀分布，所述径向排列方式包括周向顺排、轴向顺排或者周向错排。
4.如权利要求1所述的弹性支撑组件，其特征在于：所述弹性筒箔片组与所述平箔(1)层叠方式包括整体加工多层组合或分体加工多层叠合。
5.如权利要求1～4中任一项所述的弹性支撑组件，其特征在于：所述弯卷部(5)为空心筒型，所述弯卷部(5)与所述通孔(4)固定连接。
6.如权利要求5所述的弹性支撑组件，其特征在于：所述通孔(4)呈长方形。
7.如权利要求6所述的弹性支撑组件，其特征在于：所述平箔(1)上设置有第一连接板(6)，所述第一连接板(6)与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片(2)上设置有第二连接板(7)，所述第二连接板(7)与所述弹性筒表面(3)一端相连接，所述弹性筒表面(3)另一端自由。
8.一种动压气体径向轴承，其特征在于：包括轴承座(8)和所述弹性支撑组件，所述轴承座(8)内侧设置有所述弹性支撑组件，所述弹性支撑组件通过定位元件(9)与所述轴承座(8)相连接。
9.如权利要求8所述的动压气体径向轴承，其特征在于：所述定位元件(9)与所述第一连接板(6)固定连接，所述定位元件(9)与所述第二连接板(7)固定连接。
10.如权利要求9所述的动压气体径向轴承，其特征在于：所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。
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