CN110243601B - 一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置及其检测方法，包括转轴，所述转轴设有推力轴承和径向轴承，推力轴承是双向推力轴承，一面为气体动力支撑，另外一面气体静压支撑，所述气体动力支撑在轴承瓦上刻有动压槽，气体动力支撑设置在支撑结构上；所述径向轴承包括气动内环、压力分格和阻尼支撑，所述气动内环上设有通气孔，所述推力轴承和径向轴承均设有高压供气孔；本发明依据干气密封特点，以提高轴承的承载能力为目标，设计相关轴承结构；对于提高轴承的承载能力，抵抗载荷波动、提高其制成的平稳性效果显著。

Description

一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置及其检 测方法

技术领域

本发明属于流体密封技术领域，具体涉及一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置及其检测方法。

背景技术

测试技术的发展往往取决于被测试技术的发展需求。流体润滑轴承在人们对它有理性认识之前，早已应用于工业部门。当时，人们认为轴承的摩擦力基本上是轴承材料的函数。直到1883年，俄国工程师彼得罗夫首次对流体润滑。轴承摩擦效应作了理论分析，指出产生这种摩擦效应的主要因素不是轴承材料，而是润滑膜。同年，英国人汤维尔试验成功了油膜润滑轴颈轴承，指出纯粹的流体润滑应该是可能的。

1886年，英国科学家雷诺在不知道彼得罗夫理论的情况下，一从理论上解释了汤维尔的实验。他根据润滑流动的特点，假设润滑膜为层流，不仅导出了描述润滑流动的微分方程，还给出了该方程的某些解，并且结果与实验相符。这样，雷诺为流体润滑作为一门专门的学问奠定了基础 。

但是，在雷诺发表他的关于气体或液体轴承的研究成果之后的很长时间内，气浮轴承技术的发展是缓慢的。直到20世纪50年代后期，气浮轴承从一种新奇的事物发展成为工程中一项专门的学问。它已成为现代机械工程结构中的一个重要元件。而随着气浮轴承技术的不断发展测试技术也在不断发展完善，我国的测试技术已经进入标准化设计阶段，而且已经采用了工业界先进的计算机I/O总线标准和数字化总线，仪器总线相结合的标准。自上个世纪七十年代起我国的传感器技术得到了大力发展，国内研究气浮轴承的实验装置大多采用传感器测量人工度数的方式这样的方式存在一个弊端那就是度数和数据的处理是单独分开的，这样出错的风险大大加强了。

随着传感器技术，计算机技术，编程技术的发展，可以使用产品经历虚拟设计。产品性能虚拟测试。和虚拟全过程的虚拟测，可用于优化改进虚拟设计和过程参数，由于虚拟测试在虚拟设计技术中的应用，普遍能促进整个虚拟制造体系更完备的工程化使用。而计算机技术，虚拟技术和测试技术的发展，以及大量工程使用数据的积累，也使得建立虚拟测试系统具备实现的可能性 。

在冶金设备及索道驱动站等重载机械设备中，同时承受径向负荷和轴向负荷的轴承，常常采用圆锥滚子轴承。但是圆锥滚子轴承中的每个圆锥滚子，受载情况并不理想。气浮轴承在工业、农业、科学实验、国防方面都有广泛的应用。如高速离心机、大功率鼓风机、汽轮机、电子计算机、精密机床、测量仪表、气浮陀螺等 。因为离心压缩机的主轴转速一般都比较高（10000rpm左右），这就保证了干气密封实现小间隙非接触运转的要求，所以干气密封在此类机组中使用获得了巨大的成功。为了测试出这些轴承的技术性能找出影响其提高承载能力的因素就需要有更高准确性和合理性的测试设备。传统的实验装置大多是针对单一的推力气浮轴承，或者是单一的径向气浮轴承。这样的实验装置在测试单一的轴承的技术性能时可以很好的检测出其技术指标。由于工况和承载的复杂化。推力径向组合轴承应运而生，而传统的实验测试装置，很难同时对二者的耦合作用进行检测。故此设计一种推力径向组合轴承的实验测试装置以刻不容缓。

发明内容

为了实现转子高转速（每分钟4万转以上）工况下高的可靠性以及稳定性的目的，同时针对现有气浮轴承稳定性不高的缺点，一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，其特征在于，包括转轴，所述转轴设有推力轴承和径向轴承，推力轴承是双向推力轴承，一面为气体动力支撑，另外一面气体静压支撑，所述气体动力支撑在轴承瓦上刻有动压槽，气体动力支撑设置在支撑结构上；所述径向轴承包括气动内环、压力分格和阻尼支撑，所述气动内环上设有通气孔，所述推力轴承和径向轴承均设有高压供气孔。

优选地，所述推力轴承面上设有扩压气压槽、低压轴向槽以及高压供气孔，压槽利用转动来产生分离力，具有供气少甚至不用供气的优点。

优选地，高压供气孔采用双排进气设计，满足轴向载荷较大的需求。

优选地，径向轴承外设有蜂窝密封件，所述蜂窝密封件与径向轴承之间设有低压腔，低压腔通过回气孔将泄漏气体抽走；内环由橡胶类密封圈支撑，极大地提高转子稳定性，内环有小孔径的通气孔来产生气体静压支撑转轴。如果气动轴承需要提供密封功能，在高压端装有蜂窝密封环，可以提供额外的气动阻尼。如果径向负荷大，在径向轴承与蜂窝封严件之间加上一个低压腔。通过回气孔将泄漏气体抽走回收。

一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，包括转轴上设有推力轴承盘，推力轴承盘之间设有径向轴承面，所述径向轴承面内设有高压供气孔、气动内环和阻尼支撑，所述推力轴承上设有回气孔。

优选地，推力轴承盘外侧均设有紧固件。

一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置的检测方法，其特征在于：包括步骤如下：

步骤一：基于高速转子的工况以及载荷条件拟定轴承的基本结构；

步骤二：分析单个轴承结构和作用特点；

步骤三：建立数学模型；几何模型并建内径相对于基准线的形状函数关系，以及气动轴承压力的雷诺方程，转子动力模型；

步骤四：基于上述三个步骤确定组合轴承的组合方案；

步骤五：基于轴承的组合方案设计与之匹配的实验装置；

步骤六：基于步骤五的实验装置对组合轴承的基本参数进行检测；

步骤七：基于步骤三的数学模型推导结果和步骤六的实验监测数据，通过对比来确定组合方案的合理性。

由于发明采用结合结构，从而可以得到以下有益效果：

本发明建立相对合理和完善的结构模型，阐释了通过径向轴承和推力轴承合理的组合机制对高速转子的承载能力以及工作稳定性的提高，实现转子高转速（每分钟9万转）工况下高的可靠性以及稳定性的目的。

可以解决高速转子（每分钟4万转以上）在非接触状态下的支撑以及密封的问题，具体是推力轴承轴盘起到轴向支撑作用使系统可以支撑一定的轴向载荷径向轴承起到径向的支撑作用使转子轴在径向上处于非接触的状态转动，同时推力轴承盘起到的是密封作用具体的原理是透平膨胀机的高压进气口经过推力轴承的轴盘作用反面高压气腔内的压力和高压气体平衡这样推力轴承轴盘的动压槽里经过的气体经过一个压降之后就不足以从高压口泄露并通过设计结构的回气到被重新收集。

本发明依据干气密封特点，以提高轴承的承载能力为目标，设计相关轴承结构；对于提高轴承的承载能力，抵抗载荷波动、提高其制成的平稳性效果显著。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1是推力与径向轴承方案1结构图。

图2是径向轴承结构方案图。

图3是A-A向剖面图。

图4是压槽结构图。

图5是双排进气孔结构图。

图6是推力与径向轴承方案2结构图。

图7是几何模型示意图。

图8是转子动力特性模示意图。

图中：

1、转轴，2、推力轴承，3、径向轴承，4、轴承瓦，5、支撑结构，6、高压供气孔，7、蜂窝密封件，8、气孔，9、回气孔，10、阻尼支撑，11、气动内环，12、低压腔，13、扩压气压槽，14、低压轴向槽，15、轴向位置可调装置，16、自适应支撑，17、径向轴承面，18、推力轴承盘，19、紧固件，20、推力轴承气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1-8所示，一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，其特征在于，包括转轴1，所述转轴1设有推力轴承2和径向轴承3，推力轴承是双向推力轴承，一面为气体动力支撑，另外一面气体静压支撑，所述气体动力支撑在轴承瓦4上刻有压槽，气体动力支撑设置在支撑结构5上；所述径向轴承3包括气动内环11、压力分格和阻尼支撑10，所述气动内环上设有气孔8，所述推力轴承和径向轴承均设有高压供气孔6。

优选地，所述推力轴承面上设有扩压气压槽13、低压轴向槽14以及高压供气孔6，压槽利用转动来产生分离力，具有供气少甚至不用供气的优点如图4所示。

优选地，高压供气孔采用双排进气设计，满足轴向载荷较大的需求。

优选地，径向轴承外设有蜂窝密封件7，所述蜂窝密封件与径向轴承之间设有低压腔12，低压腔通过回气孔9将泄漏气体抽走；内环由橡胶类密封圈支撑，极大地提高转子稳定性，内环有小孔径的通气孔来产生气体静压支撑转轴。如果气动轴承需要提供密封功能，在高压端装有蜂窝密封环，可以提供额外的气动阻尼。如果径向负荷大，在径向轴承与蜂窝封严件之间加上一个低压腔。通过回气孔9将泄漏气体抽走回收。

一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，包括转轴上设有推力轴承盘18，推力轴承盘之间设有径向轴承面，所述径向轴承面内设有高压供气孔、气动内环和阻尼支撑，所述推力轴承上设有回气孔和推力轴承气孔20。

优选地，推力轴承盘外侧均设有紧固件19。

一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置的检测方法，其特征在于：包括步骤如下：

步骤一：基于高速转子的工况以及载荷条件拟定轴承的基本结构；

步骤二：分析单个轴承结构和作用特点；

步骤三：建立数学模型；几何模型（如图7所示）并建内径相对于基准线的形状函数关系，

以及气动轴承压力的雷诺方程，

转子动力模型（图8所示）；

步骤四：基于上述三个步骤确定组合轴承的组合方案；

步骤五：基于轴承的组合方案设计与之匹配的实验装置；

步骤六：基于步骤五的实验装置对组合轴承的基本参数进行检测；

步骤七：基于步骤三的数学模型推导结果和步骤六的实验监测数据，通过对比来确定组合方案的合理性。

依据干气密封原理，在推力轴承轴盘端面以及径向轴承内环面开设各类动压槽或扩压气压槽。

具体实施方案1：

如图1和5所示，推力轴承：一面半固定在支撑结构5上，另一面轴向位置可调装置15安装。高压气体(5-10个大气压) 被引入到轴承瓦4上，视径向力大小和泄漏要求，双向推力轴承也可以做成一面气体动压支撑，一面可以做成气体静压支撑。动压支撑是在轴瓦上刻动压槽，利用转动来产生分离力。优点是不需要供气，或者少量供气。气体静压支撑可以有较大的间隙和载荷，并能够适合轴向力逆转。但要求高压供气，气体泄漏量比动压支撑大。其中，对于轴向载荷较大的推力轴承，可以采用双排进气孔设计。

如图1、2和3所示，径向轴承：为了极大地提高转子稳定性，气动轴承的内环由橡胶类密封圈支撑。高压气体(5-10 个大气压) 由节流气孔引入至内腔，用于提高弹性支撑内环。内环有小孔径的通气孔来产生气体静压支撑转轴。如果气动轴承需要提供密封功能，在高压端装有蜂窝密封环，可以提供额外的气动阻尼。如果径向负荷大(气膜刚性也有一定的要求)，在气动轴承与蜂窝封严件之间加上一个低压腔，通过回气孔将泄漏气体抽走回收，如果径向载荷不大，而泄漏量很重要，可以去掉低压腔和回气孔。

具体实施方案2：

如图4和6所示，如果轴向力总是指向单独一个方向，推力轴承与径向轴承可以做成一体，高压气可以同时供给径向与推力轴承面，回气由周向槽与回流孔实现。

通过双面推力轴承盘18与弹性支撑径向轴承结构紧凑，利用推力轴承实现高压封严，在静压力的基础上，还将引入动压槽来推高轴承的承载能力和可靠性。

高压气体通过高压供气孔将压力达到8-10个标准大气压的压力气体通入轴承体内然后通过轴承体内的气道将其分为广义上的两路，及径向轴承气孔处，推力轴承气孔处，通过高压气体先使径向轴承内环内的轴浮起来从而起到非接触的作用，与此同时高压气体通过推力轴承气孔作用于推力轴承面使推力轴承的静环和动环同样处于非接触状态这样便可以实现转子在径向和轴向都是处于非接触状态从而达到设计目标。另外这种双面推力与弹性支撑径向轴承结构紧凑；还可以利用推力轴承实现高压封严，在静压力的基础上，还将引入动压槽来推高轴承的承载能力和可靠性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，其特征在于，包括转轴，所述转轴设有推力轴承和径向轴承，推力轴承是双向推力轴承，一面为气体动力支撑，另外一面气体静压支撑，所述气体动力支撑在轴承瓦上刻有动压槽，气体动力支撑设置在支撑结构上；所述径向轴承包括气动内环、压力分格和阻尼支撑，所述气动内环上设有通气孔，所述推力轴承和径向轴承均设有高压供气孔，径向轴承外设有蜂窝密封件，所述蜂窝密封件与径向轴承之间设有低压腔，低压腔通过回气孔将泄漏气体抽走。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，其特征在于：所述推力轴承面上设有扩压气压槽、低压轴向槽以及高压供气孔。

3.根据权利要求2所述的一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，其特征在于：高压供气孔采用双排进气设计。

4.根据权利要求1所述的一种适用于超高速工况下的组合推力与径向轴承装置，其特征在于：检测方法的步骤如下：

步骤一：基于高速转子的工况以及载荷条件拟定轴承的基本结构；

步骤二：分析单个轴承结构和作用特点；

步骤三：建立数学模型；几何模型并建内径相对于基准线的形状函数关系，以及气动轴承压力的雷诺方程，转子动力模型；

步骤四：基于上述三个步骤确定组合轴承的组合方案；

步骤五：基于轴承的组合方案设计与之匹配的实验装置；

步骤六：基于步骤五的实验装置对组合轴承的基本参数进行检测；

步骤七：基于步骤三的数学模型推导结果和步骤六的实验监测数据，通过对比来确定组合方案的合理性。

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