CN110686007B - 基于sma弹簧的主动变刚度空气轴承 - Google Patents

基于sma弹簧的主动变刚度空气轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，包括：顶箔、冷却管、SMA弹簧、支撑薄板、螺栓、轴向挡板、轴承套。所述SMA弹簧是由SMA金属丝经过螺旋和扭转而成的，SMA弹簧旋转嵌入在支撑薄板孔中，支撑薄板嵌入轴承套内壁分布均匀的矩形槽中，旋转方向相反的相邻SMA弹簧相互挤压、嵌套在一起，通过螺栓紧固轴向挡板以调节相邻SMA弹簧之间挤压状态。通过控制接入SMA弹簧的供电信号和进入冷却管的冷却气体，实现控制SMA弹簧的温度，进而控制SMA弹簧的弹性模量，最终实现轴承支撑结构的主动变刚度的目的。本发明可主动改变轴承的支撑结构刚度，提高轴承运行的稳定性，特别是有效改善轴承‑转子系统过临界时的稳定性，轴承温度分布均匀，冷却轴承。

Description

基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承
技术领域
本发明涉及主动空气轴承技术领域，具体涉及一种基于SMA(形状记忆合金)弹簧的主动变刚度空气轴承。
背景技术
空气箔片轴承由顶箔，轴承套和一层或多层箔片构成，以吸入的空气作为润滑介质，用转子与轴承间存在的相对运动挤压粘性的气体，并采用波纹箔片作为弹性支承元件，形成结构刚度、阻尼和气膜刚度、阻尼串联支撑负载的动压滑动轴承。波箔是空气箔片轴承的弹性支承结构，被焊接在轴承套上，能够承受一定的负载力。当转子和顶箔的相对运动产生一个楔形时，气体被带动进入楔形内，使得楔形空间形成一定压力的动压气膜支撑起负载转子。波箔的结构刚度、阻尼与气膜的刚度、阻尼串联支撑转子运动。运动的转子与轴承被气膜隔开，因此不存在干摩擦现象，具有寿命长，空气润滑的优点。但是空气波箔轴承也具有承载力小，轴承-转子系统过临界转速时稳定性差，甚至不能通过系统的临界转速的缺点，而且顶箔和波箔被焊接在轴承套上，限制了改变结构刚度的灵活性。
SMA(形状记忆合金)是一种源于热弹性相变的可恢复记忆形状的新型功能材料。当SMA温度在相变温度以下(完全马氏体状态)，材料的弹性模量较低且保持稳定，几乎不随温度发生变化；当加热SMA超过相变温度(完全奥氏体状态)，材料的弹性模量保持稳定且会比马氏体状态下大3到4倍。另外，双程SMA降低温度可恢复到马氏体状态。
基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承是一种通过控制SMA的输入电压和冷却流量改变SMA温度，从而改变SMA的弹性模量和SMA弹簧之间的摩擦力，以主动改变轴承支撑结构刚度和阻尼，最终实现改变轴承-转子系统的固有临界转速和提高系统过临界转速稳定性的气体动压轴承。与传统空气箔片轴承相比，它具有局部和全局刚度主动可调，可以确保转子高速运转过程的稳定。该轴承在空气循环机、微型燃气轮机等涡轮机械中具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有的技术不足，
通过应用多个SMA弹簧作为支撑结构确保轴承具有初始承载力；通过控制SMA供电信号和冷却流量改变SMA的温度，进而控制SMA弹性模量，实现轴承支撑结构刚度的可调变化，改变轴承-转子系统固有的临界转速，最终实现轴承-转子系统过临界稳定性。利用SMA弹簧与支撑薄板之间的可拆性以及支撑薄板与轴承套之间的可拆性，根据实际需要改变使用的SMA弹簧尺寸和数量，并且轴承维护简单。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，包括：顶箔、冷却管、SMA弹簧、支撑薄板、螺栓、轴向挡板、轴承套。所述SMA弹簧螺旋嵌入在支撑薄板的孔中，所述支撑薄板嵌入轴承套内壁的矩形槽中，所述顶箔置于弹簧结构之上，并插入轴承套槽中，所述轴承挡板被螺栓固定在轴承的两端，所述冷却管插入SMA弹簧中，其中流动的冷却气体由流量控制器控制。
进一步，所述轴承套通过线切割实现周向均匀分布矩形槽和长条形槽。
进一步，所述支撑薄板上的等间距孔通过线切割完成，支撑薄板两端的孔距离边界距离不同。
进一步，所述SMA弹簧由SMA金属丝经过螺旋和扭转而成，旋转穿过支撑薄板上的孔，支撑薄板置于轴承内壁上的矩形槽中，相邻支撑薄板固定的SMA弹簧的旋向不同。
进一步，所述顶箔是箔片经过压制而成的可变形结构，顶箔上表面正对转子，形成包围气膜的光滑曲面，下表面接触弹簧结构，顶箔固定端置于轴承套上的长条形槽中。
进一步，所述冷却管均匀插入SMA弹簧中，并开小孔，通入冷却流量大小由流量控制器实现。
进一步，所述轴向挡板被螺栓固定在轴承套的两端，避免支撑薄板在轴承套轴向窜动。
本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：本发明提出的基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，通过引入SAM弹簧作为轴承底部支撑结构，控制SMA弹簧的供电信号和冷却流量使其弹性模量发生变化，实现对轴承局部和全局结构刚度的控制，进而改变轴承-转子系统的固有临界转速，减弱系统升高转速过临界时的振动，提高稳定性。根据实际承载力对结构刚度的需要，利用SMA弹簧与支撑薄板之间的可拆性以及支撑薄板与轴承套之间的可拆性，调整应用的弹簧数量和弹簧丝径尺寸，提高轴承的承载力。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明爆炸图；
图3为本发明控制SMA右旋向弹簧加热和冷却示意图；
图4为本发明控制SMA左旋向弹簧加热和冷却示意图；
图5为本发明轴承套开槽隙示意图；
图6为三部分SAM弹簧的三瓣空气轴承结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。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1所示，基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，包括：顶箔(1)、冷却管(2)、SMA弹簧(3)、支撑薄板(4)、螺栓(5)、轴向挡板(6)、轴承套(7)。如图3所示。所述SMA弹簧(3)是由SMA金属丝经过螺旋和扭转而成的，SMA弹簧(3)旋转嵌入在支撑薄板(4)孔中。所述支撑薄板(4)嵌入轴承套(7)内壁分布均匀的矩形槽(12)中，相邻的两个支撑薄板(4)固定的SMA弹簧(3)旋转方向相反(如图3和图4)，而且支撑薄板(4)两端的孔距离边界的距离不同，使得相邻的SMA弹簧(3)相互挤压、嵌套在一起。
如图3和图4所示，所述冷却管(2)插入SMA弹簧(3)中，SMA弹簧(3)加热由供电信号接入弹簧两端实现；SMA弹簧(3)冷却由冷却气体(9)穿过冷却管(2)均匀分布的小孔(8)，形成分布均匀的分散冷却气体(10)冷却SMA弹簧(3)。通过调节供电信号和冷却气体可以控制SMA弹簧(3)所处的环境温度，最终控制SMA弹簧结构的全部或局部支撑刚度。
如图2所示，所述顶箔(1)是圆形的可变形结构，置于弹簧结构之上，顶箔(1)的固定端插入轴承内表面的长条形槽(11)中。所述轴承挡板(6)被螺栓(5)固定在轴承两端的螺纹孔(13)中，起到限制支撑薄板(4)轴向窜动的目的。
如图5所示，所述轴承套(7)通过线切割实现周向均匀分布矩形槽(12)和长条形槽(11)。
除了以上提出的实例，冷却管(2)、SMA弹簧(3)、支撑薄板(4)的周向分布可以有其它不同的形式，图6所示为冷却管(2)、SMA弹簧(3)、支撑薄板(4)组成支撑结构分成三部分的新型空气轴承。此外支撑结构分成的瓣数、顶箔的个数，SMA弹簧(3)的个数可以依据不同具体情况进行设计。

Claims (5)

1.一种基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，其特征在于：主要由顶箔(1)、冷却管(2)、SMA弹簧(3)、支撑薄板(4)、螺栓(5)、轴向挡板(6)、轴承套(7)组成；所述SMA弹簧(3)由SMA金属丝加工而成，螺旋转动嵌入在支撑薄板(4)孔中，相邻的SMA弹簧(3)旋转方向相反；所述支撑薄板(4)安装到轴承套(7)的矩形槽(12)中；所述冷却管(2)上开有均匀的小孔(8)，集中的冷却气体(9)进入冷却管(2)，从小孔(8)流出，形成分布均匀的分散冷却气体(10)；通过控制接入SMA弹簧(3)的供电信号和进入冷却管(2)的冷却气体(9)，实现快速、主动控制SMA弹簧(3)的温度，进而控制SMA弹簧(3)的弹簧模量，最终实现轴承支撑结构的主动变刚度的目的。
2.根据权利要求1所述基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，其特征在于，
所述SMA弹簧(3)连接的供电信号可使SMA弹簧(3)温度升高，引起SMA相变，改变SMA弹簧(3)的弹性模量，进而主动地改变轴承支承刚度；多个所述冷却管(2)均匀放在SMA弹簧(3)内，冷却管(2)上的小孔(8)沿圆周方向一致，所述冷却气体(9)进入冷却管(2)，从小孔(8)流出，将轴向流动的冷却气体(9)转变为沿轴承周向和轴向流动的冷却流(10)，实现降低轴承温度的作用，将SMA弹簧恢复到原始状态。
3.根据权利要求1所述基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，其特征在于，
旋转方向相反的相邻SMA弹簧(3)被嵌入在相邻的两个支撑薄板(4)上孔内；所述SMA弹簧(3)受温度影响后的材料弹簧模量发生改变，加之SMA弹簧的结构尺寸被固定位置的孔限制，提高SMA弹簧的支承刚度；所述支撑薄板(4)均匀放置在轴承套(7)内表面的矩形槽(12)中。
4.根据权利要求1所述基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，其特征在于，
所述轴向挡板(6)通过螺栓(5)固定在轴承套的螺纹孔(13)处；轴向挡板(6)强迫所有支撑薄板(4)处于同一平面，支撑薄板(4)上两端的开孔距离支撑薄板(4)端部边界的距离不同；所有所述支撑薄板(4)处于同一平面使得相邻的SMA弹簧(3)相互挤压，增加轴承的阻尼特性。
5.根据权利要求3所述基于SMA弹簧的主动变刚度空气轴承，其特征在于，
所述支撑薄板(4)的孔可以固定SMA弹簧(3)，也方便将SMA弹簧(3)拆卸，采用支撑薄板(4)和普通弹簧结合也可安装于轴承套内；所述顶箔(1)自由端置于SMA弹簧(3)的上面，固定端插入轴承套(7)内表面上的长条形槽(11)中；轴承所有结构使用嵌套方法，根据实际需要调整SMA弹簧(3)的数量、尺寸以及采用普通弹簧替换部分SMA弹簧(3)，实现轴承结构的全部或局部刚度的主动控制。
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