CN110864041A - 一种径向箔片气体轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向箔片气体轴承，用于支撑在绕中心线旋转的旋转轴的径向方向上施加的负载，包括轴承座、底层箔片、顶层箔片和加热机构，所述底层箔片设置在所述轴承座和顶层箔片之间，所述底层箔片由形状记忆合金材料制得，所述底层箔片常温下呈弯曲状，所述底层箔片沿所述轴承座周向分布设置，所述底层箔片一端与所述轴承座固定连接，另一端与所述顶层箔片接触，所述顶层箔片设置有至少2个，所述顶层箔片一端与所述轴承座固定连接，另一端与相邻的所述顶层箔片搭接；所述加热机构安装在所述轴承座上。本径向箔片气体轴承，在运行过程中预紧和阻尼可调，从而使得箔片气体轴承具有更大的承载力和阻尼；使用寿命长，结构简化，易安装和固定。

Description

一种径向箔片气体轴承

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种径向箔片气体轴承。

背景技术

弹性箔片气体轴承具有良好的自适应性，可以在高温、高速和高污染条件下长期运行。目前的径向箔片动压气体轴承，主要分为顶层箔片、底层箔片和轴承座。底层箔片起到提供刚度和阻尼的作用，阻尼的主要作用是抑制转子振动，提高系统稳定性。而气体轴承转子系统在运行过程中，转子转速、载荷等工况存在变化，所需要的阻尼大小也随之而变，但底层箔片由于提供的阻尼较小且无法主动控制，因此箔片气体轴承的结构无法做到在任意转速工况下的阻尼都是最优值。

在增大轴承承载力方面，目前主要通过对轴承施加预紧力，预紧力过大会使得轴承启停过程中旋转轴与顶层箔片的磨损严重，进而缩短轴承寿命，预紧力过小会使承载力增大效果不明显。所以如何在气体轴承启停阶段减小启停摩擦损失，在运转过程中根据运行工况主动控制轴承的预紧力，成为本领域技术人员首要解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种径向箔片气体轴承，可以根据运行工况对预紧力以及阻尼进行调节，更好的满足使用要求。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种径向箔片气体轴承，用于支撑在绕中心线旋转的旋转轴的径向方向上施加的负载，包括轴承座、底层箔片、顶层箔片和加热机构，所述底层箔片设置在所述轴承座和顶层箔片之间，所述底层箔片由形状记忆合金材料制得，所述底层箔片常温下呈弯曲状，所述底层箔片沿所述轴承座周向分布设置，所述底层箔片一端与所述轴承座固定连接，另一端与所述顶层箔片接触，所述顶层箔片设置有至少2个，所述顶层箔片一端与所述轴承座固定连接，另一端与相邻的所述顶层箔片搭接；所述加热机构安装在所述轴承座上。

这样，形状记忆合金材料具有大阻尼、超弹性和形状记忆的特性，将其作为底层箔片的材料。选用在气体轴承工作工况的温度范围内随着温度逐渐升高，形状记忆合金的阻尼大小逐渐增高的形状记忆合金。形状记忆合金原始设计形状为小曲率的，将其在常温状态下挤压变形成弧形弯曲形状即大曲率，后作为气体轴承的底层箔片。气体轴承的初始预紧较小，避免气体轴承在启停过程由于顶层箔片与旋转轴间隙过小而导致的过大的磨损，可以更好的延长使用寿命。轴承座设置有加热机构，对形状记忆合金材料的底层箔片进行加热。在气体轴承由静止开始运转至稳定运行的过程中，逐渐控制轴承座上的加热机构的温度升高，由于形状记忆合金的形状记忆性能，底层箔片由大曲率的弯曲状逐渐恢复到其原始的设计形状即小曲率的形状，由于底层箔片的底端固定，因此底层箔片由大曲率的弯曲状恢复至小曲率的过程中所带来的底层箔片的长度的增加会使得顶层箔片被顶起，顶层箔片与旋转轴之间的径向间隙变小，从而实现了对气体轴承承载力的提升。此外，随着温度的升高，形状记忆合金材料的底层箔片的阻尼逐渐增大，使得气体轴承在高速运转过程中的稳定性更高，可靠性更强。可通过理论分析得到轴承转子系统在不同工况下的最佳阻尼大小，在系统运行过程中根据需求实时调节底层箔片温度，从而改变底层箔片阻尼大小，使其在多数工况下都能达到最优阻尼。

进一步的，所述轴承座上分布设置有底层卡槽，所述底层箔片的一端固定安装在所述底层卡槽内。可以更好的对底层箔片进行容纳固定。

进一步的，所述底层箔片与所述底层卡槽之间卡接、螺栓连接或焊接。方便生产加工制造。

进一步的，所述轴承座上分布设置有顶层卡槽，所述顶层箔片的一端固定安装在所述顶层卡槽内。可以更好的对顶层箔片进行容纳固定。

进一步的，所述顶层箔片与所述顶层卡槽之间卡接、螺栓连接或焊接。方便生产加工制造。

进一步的，所述加热机构包括沿所述轴承座的内圈表面周向分布设置的加热电阻丝。加热电阻丝通电产生热量，可以更好的提供温度。

进一步的，所述加热机构包括与所述底层箔片连接设置的导线。对底层箔片通电产热，进而变形，满足使用要求。

进一步的，所述顶层箔片的数量为3、4、5、6或8个。可以在底层箔片满足使用要求的情况下，更多的划分顶层箔片的个数，可以更快的对底层箔片的变形进行反馈，提高响应速度。

进一步的，所述旋转轴的材料为高温合金，表面涂有自润滑涂层。可以更好的提高使用寿命。

进一步的，所述顶层箔片的材料为高温合金或形状记忆合金材料，表面涂有自润滑涂层。可以更好的提高使用效果。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、通过形状记忆合金材料的设计和应用，实现了对气体轴承预紧和阻尼的主动控制，在提升气体轴承承载力的同时，改善了轴承启停摩擦较大的问题，并且简化了轴承的结构。

2、气体轴承在运行过程中预紧和阻尼可调，可以实现对运行中的气体轴承的预紧和阻尼大小的主动控制，从而使得箔片气体轴承具有更大的承载力和阻尼。

3、可以改善现有技术对气体轴承施加预紧力带来的气体轴承启停摩擦磨损严重的问题，延长了气体轴承的寿命。

4、简化了气体轴承结构，利用新型材料的特性来改变气体轴承的预紧力和阻尼，无需对气体轴承施加初始预紧力，由此使得气体轴承的结构更加简单，易于实际操作中对气体轴承的安装和固定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1为本发明公开的一种径向箔片气体轴承在常温状态下的整体结构示意图。

图2为图1中的气体轴承在底层箔片被加热后恢复至原始形状后的结构示意图。

图3为图1中a处局部放大示意图。

图4为图2中b处局部放大示意图。

图5为图1中底层箔片处于常温状态的放大示意图。

图6为图2中底层箔片被加热后恢复至原始状态的放大示意图。

图7为图1的剖视图。

图8为图2的剖视图。

图9为图7中c处局部放大示意图。

图10为图8中d处局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-10：

一种径向箔片气体轴承，用于支撑在绕中心线旋转的旋转轴1的径向方向上施加的负载，包括轴承座7、底层箔片2、顶层箔片3和加热机构，所述底层箔片2设置在所述轴承座7和顶层箔片3之间，所述底层箔片2由形状记忆合金材料制得，所述底层箔片2常温下呈弯曲状，见图1、图3、图5和图7，所述底层箔片2沿所述轴承座7周向分布设置，所述底层箔片2一端与所述轴承座7固定连接，另一端与所述顶层箔片3接触，所述顶层箔片3设置有个，所述顶层箔片3一端与所述轴承座7固定连接，另一端与相邻的所述顶层箔片3搭接；所述加热机构安装在所述轴承座7上。

这样，形状记忆合金材料具有大阻尼、超弹性和形状记忆的特性，将其作为底层箔片的材料。选用在气体轴承工作工况的温度范围内随着温度逐渐升高，形状记忆合金的阻尼大小逐渐增高的形状记忆合金。形状记忆合金原始设计形状为小曲率的，如图2、图4、图6、图8，将其在常温状态下挤压变形成弧形弯曲形状即大曲率后作为气体轴承的底层箔片。气体轴承无需施加初始预紧力，避免气体轴承在启停过程由于顶层箔片与旋转轴间隙过小而导致的过大的磨损，可以更好的延长使用寿命。轴承座设置有加热机构，对形状记忆合金材料的底层箔片进行加热，在气体轴承由静止开始运转至稳定运行的过程中，逐渐控制轴承座上的加热机构的温度升高，由于形状记忆合金的形状记忆性能，底层箔片由大曲率的弯曲状逐渐恢复到其原始的设计形状，如图2、图4、图6、图8，由于底层箔片的一端固定，因此底层箔片由大曲率的弯曲状恢复至小曲率的过程中所带来的底层箔片的长度的增加会使得顶层箔片被顶起，顶层箔片与旋转轴之间的径向间隙变小，从而实现了对气体轴承承载力的提升。此外，随着温度的升高，形状记忆合金材料的底层箔片的阻尼逐渐增大，使得气体轴承在高速运转过程中的稳定性更高，可靠性更强。可通过理论分析得到轴承转子系统在不同工况下的最佳阻尼大小，在系统运行过程中根据需求实时调节底层箔片温度，从而改变底层箔片阻尼大小，使其在多数工况下都能达到最优阻尼。

本实施例中，所述轴承座7上分布设置有底层卡槽5，所述底层箔片2的一端固定安装在所述底层卡槽5内。可以更好的对底层箔片进行容纳固定。

本实施例中，所述底层箔片2与所述底层卡槽5之间卡接、螺栓连接或焊接。方便生产加工制造。

本实施例中，所述轴承座7上分布设置有顶层卡槽，所述顶层箔片3的一端固定安装在所述顶层卡槽内。可以更好的对顶层箔片进行容纳固定。

本实施例中，所述顶层箔片3与所述顶层卡槽之间卡接、螺栓连接或焊接。方便生产加工制造。

本实施例中，所述加热机构包括沿所述轴承座7的内圈表面周向分布设置的加热电阻丝4。加热电阻丝4通电产生热量，可以更好的提供温度。具体的，加热电阻丝4通过导线6连接有温控装置，温控装置与电源连接，温控装置可以对电流大小以及通电时间进行控制调整，进而对温度进行调控。如图1、图2、图7和图8。

具体的，所述加热机构还可以是与所述底层箔片2连接设置的导线。对底层箔片通电产热，进而变形，满足使用要求。具体的，导线通过温控装置与电源连接，温控装置可以对电流大小以及通电时间进行控制调整，进而对温度进行调控。

进一步的，所有的底层箔片通过串联的导线同步通电产热，使得底层箔片的变形同步进行，更快响应，满足使用要求。

本实施例中，所述顶层箔片3的数量为3个。可以在底层箔片满足使用要求的情况下，更多的划分顶层箔片的个数，可以更快的对底层箔片的变形进行反馈，提高响应速度。

本实施例中，所述旋转轴的材料为高温合金，表面涂有自润滑涂层。可以更好的提高使用寿命。

具体的，还包括安装于轴承座内圈底箔旁边的温度传感器，可以对气体轴承底箔的温度进行实时检测，更好的对底层箔片的变形所需要的温度以及程度进行控制，更好的实现对预紧力以及阻尼进行调节。

具体的，所述底层箔片2为每片单体存在的结构或所有底层箔片连接的整体结构。

具体的，底层箔片涂绝缘膜。

进一步的，所述的底层箔片2形状不局限于简单的弧形或弯曲状，任何能起到上述功能的形状均可。

进一步的，所述顶层箔片表面涂自润滑涂层。

进一步的，所述顶层箔片3的材料为高温合金或形状记忆合金材料，表面涂有自润滑涂层。

原理：

将形状记忆合金底层箔片由原始设计形状为图6的小曲率形状，挤压变形为图5弧形大曲率形状后作为图1中气体轴承的底层箔片2，并将每片弧形底层箔片2依次安装于轴承座7内圈设置的卡槽5中固定其底部。顶层箔片3采用一端固定于卡槽5中，另外一端自由并搭接于相邻顶层箔片3上。由图3的局部放大图可知，顶层箔片3与旋转轴1的初始设计间隙较大，避免气体轴承在启停过程由于顶层箔片3与旋转轴1的间隙过小而导致产生较大的磨损。轴承座7内圈表面周向均匀布置安装加热电阻丝4，温控装置通过周向均匀布置的导线6连接电阻丝4并对其进行温度控制，实现对形状记忆合金材料底层箔片2的温度调控。在气体轴承由静止开始运转至稳定运行的过程中，通过温控装置逐渐控制轴承座7内圈加热电阻丝4的温度升高。由于形状记忆合金材料的形状记忆特性，底层箔片2由弯曲的大曲率形状逐渐恢复到其原始的设计形状小曲率形状，如整体结构局部放大图图3到图4的变化及剖视图局部放大图图9到图10的变化。由于底层箔片2的底端固定，因此底层箔片2由弯曲的大曲率形状恢复至小曲率形状的过程中所带来的底层箔片长度的增加会使得顶层箔片3被顶起，顶层箔片3与旋转轴1间的径向间隙变小，从而实现了对气体轴承承载力的提升。此外，随着温度的升高，形状记忆合金材料的底层箔片2的阻尼逐渐增大，根据轴承转子系统在不同工况下的最佳阻尼大小，在系统运行过程中根据需求实时调节底层箔片温度，从而改变底层箔片阻尼大小，使其在多数工况下都能达到最优阻尼，使得轴承系统在高速运转过程中的稳定性更加可靠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种径向箔片气体轴承，用于支撑在绕中心线旋转的旋转轴的径向方向上施加的负载，其特征在于，包括轴承座、底层箔片、顶层箔片和加热机构，所述底层箔片设置在所述轴承座和顶层箔片之间，所述底层箔片由形状记忆合金材料制得，所述底层箔片常温下呈弯曲状，所述底层箔片沿所述轴承座周向分布设置，所述底层箔片一端与所述轴承座固定连接，另一端与所述顶层箔片接触，所述顶层箔片设置有至少2个，所述顶层箔片一端与所述轴承座固定连接，另一端与相邻的所述顶层箔片搭接；所述加热机构安装在所述轴承座上。

2.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述轴承座上分布设置有底层卡槽，所述底层箔片的一端固定安装在所述底层卡槽内。

3.根据权利要求2所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述底层箔片与所述底层卡槽之间卡接、螺栓连接或焊接。

4.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述轴承座上分布设置有顶层卡槽，所述顶层箔片的一端固定安装在所述顶层卡槽内。

5.根据权利要求4所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述顶层箔片与所述顶层卡槽之间卡接、螺栓连接或焊接。

6.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述加热机构包括沿所述轴承座的内圈表面周向分布设置的加热电阻丝。

7.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述加热机构包括与所述底层箔片连接设置的导线。

8.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述顶层箔片的数量为3、4、5、6或8个。

9.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述旋转轴的材料为高温合金，表面涂有自润滑涂层。

10.根据权利要求1所述的一种径向箔片气体轴承，其特征在于，所述顶层箔片的材料为高温合金或形状记忆合金材料，表面涂有自润滑涂层。

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