CN111486171A - 一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承 - Google Patents

一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承 Download PDF

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Abstract

一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，属于气体轴承技术领域。本发明是为了提高现有径向箔片轴承的承载力、稳定性和自适应性而提出的。本发明的一组波纹箔片由与贯穿槽数量相等的波纹箔片构成，轴承套内壁圆的半径小于每个波纹箔片自然状态下的半径，每个波纹箔片包括波纹箔片主体和波纹箔片折沿，波纹箔片折沿与波纹箔片主体连接或一体成形，每个波纹箔片的波纹箔片折沿嵌入到轴承套对应的贯穿槽中，多个波纹箔片主体围合成筒状；当波纹箔片嵌入完成之后，平箔片的平箔片折角嵌入到其中一个贯穿槽中。本发明具有初始预紧力的零气膜间隙轴承比传统具有初始气膜间隙的轴承具有更高的承载力以及更好的稳定性。

Description

一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承
技术领域
本发明属于气体轴承技术领域，具体涉及一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承。
背景技术
轴承是现代机械设备中一个极其重要的零件，应用领域非常广泛，从小型家用电器到船舶、航空航天都有轴承的存在。轴承作为一个核心的部件，却一直限制着其他技术的发展。径向箔片轴承相对于其他轴承具有工作转速高、摩擦能耗小、使用寿命长和工作环境温度范围广等特点，目前被广泛应用在航空航天领域的高速轻载旋转机械上。目前的径向箔片轴承，平箔片和转子之间通常被设计为有初始气膜间隙，这种具有初始气膜间隙的结构造成径向箔片轴承的承载力较低，而且转子系统在高速运转时稳定性较差。
公开号为CN106402146A的现有技术给出了一种平箔片轴向厚度变化的气体径向箔片轴承，该现有技术通过使平箔片厚度沿轴向变化，使轴承中间区域气膜厚度增大两端气膜厚度减小，从而减少轴承两端润滑气体的端泄，提高润滑气体压力，提高轴承承载力。
现有技术中对波纹箔片自身的结构没有进行优化设计，对波纹箔片与轴承套的几何关系也没有进行研究。现有径向箔片轴承的承载力还有很大提升空间，现有技术中针对径向箔片轴承的稳定性和自适应性鲜有研究。随着技术的发展，我们需求具有更高的承载力、更好的稳定性和自适应性的径向箔片轴承。
发明内容
本发明为了提高现有径向箔片轴承的承载力、稳定性和自适应性，进而提供了一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，所述径向箔片轴承包括轴承套、平箔片以及贴置于二者之间的一组波纹箔片；所述轴承套为中空的圆柱筒状(轴承套作为整体结构的一个“框架”)，所述平箔片为周向未闭合的中空圆柱筒，一侧设有平箔片折沿(平箔片折角)，在圆柱筒内壁开有至少两个贯穿其两端的贯穿槽，贯穿槽在周向方向上均分设置；所述一组波纹箔片由与贯穿槽数量相等的波纹箔片构成，轴承套内壁圆的半径小于每个波纹箔片自然状态下的半径，每个波纹箔片包括波纹箔片主体和波纹箔片折沿(波纹箔片折角)，波纹箔片折沿与波纹箔片主体连接或一体成形，每个波纹箔片的波纹箔片折沿嵌入到轴承套对应的贯穿槽中(波纹箔片主体处于自由状态)，多个波纹箔片主体围合成筒状；当波纹箔片嵌入完成之后，平箔片的平箔片折角嵌入到其中一个贯穿槽中。
进一步地，波纹箔片主体沿圆周被分离成至少两个部分(像梳子一样，即波纹箔片主体上具有豁口)。
进一步地，波纹箔片2的数量为三个，每个波纹箔片2对应的弧形角度约为120°，波纹箔片主体被分离成四个部分；在圆柱筒内壁开有三个贯穿其两端的贯穿槽4，贯穿槽在周向方向上呈120°均匀分布。
进一步地，波纹箔片为2片时，波纹箔片2自然状态下的半径R2与轴承套1内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套1上的贯穿槽4的数量为2，呈周向180°分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的2/5～1/2。
进一步地，波纹箔片为3片时，波纹箔片2自然状态下的半径R2与轴承套1内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套1上的贯穿槽4的数量为3，呈周向120°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/4～1/3。
进一步地，波纹箔片为4片时，波纹箔片2自然状态下的半径R2与轴承套1内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套1上的贯穿槽4的数量为4，呈周向90°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/5～1/4。
进一步地，当波纹箔片为5片时，波纹箔片2自然状态下的半径R2与轴承套1内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套1上的贯穿槽4的数量为5，呈周向72°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/6～1/5。
进一步地，当波纹箔片为6片时，波纹箔片2自然状态下的半径R2与轴承套1内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套1上的贯穿槽4的数量为6，呈周向60°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/7～1/6。
进一步地，波纹箔片2的数量为三个、四个、五个、六个、七个或八个。
进一步地，波纹箔片为弧形波纹结构的波纹箔片。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一款具有波纹箔片预紧力、无初始气膜间隙的径向箔片轴承，并改进了以往的波纹箔片结构，相比于传统的径向箔片轴承，其具有更高的承载力、更好的稳定性和自适应性，本发明提高了径向箔片轴承的整体性能。具体表现在以下几个方面：
1)本发明波纹箔片的数量至少为两个以上，而现有技术中仅有一个波纹箔片，这种改变极大提高径向箔片轴承的承载力、稳定性性能。本发明将波纹箔片的数量设计为至少两个以上，把波纹箔片的自然曲率半径设计的比轴承套内壁圆的半径更大，使轴承对转子有个初始预紧力，即平箔片和转子之间的初始气膜间隙为零。在工程实践中已经被证实，具有初始预紧力的零气膜间隙轴承比传统具有初始气膜间隙的轴承具有更高的承载力以及更好的稳定性。
2)本发明的波纹箔片设计为分离状结构，与传统的一体式波纹箔片相比，轴承的自适应性更好。
附图说明
图1是本发明的径向箔片轴承的整体结构图；
图2是本发明的轴承套的结构图；
图3是本发明的波纹箔片的结构图；
图4是本发明的平箔片的结构图；
图5和图6是本发明未装配平箔片时的结构图(波纹箔片处于自然状态下)，图5是立体图，图6为截面图；
图7和图8是本发明最终的装配图；图7为截面图，图8为立体图；
图9为本发明最终的装配效果图，图中标出了气膜、转子的旋转方向；
上述图中：1-轴承套；2-波纹箔片；3-平箔片；4-贯穿槽；5-波纹箔片折角；6-平箔片折角；7-转子；8-气膜。
图10为本发明的波纹箔片的结构图(波纹箔片主体为分离状，波纹箔片主体沿圆周被分离成四个部分，即中间被切去三个小条)；
图11至图15表示本发明中的径向箔片轴承的轴承套与其内的波纹箔片装配关系图，其中：图11表示波纹箔片为2片，图12表示波纹箔片为3片，图13表示波纹箔片为4片，图14表示波纹箔片为5片，图15表示波纹箔片为6片。本发明中的径向箔片轴承中的波纹箔片数量根据实际需要还可设计成数量较多个，如7个、8个、9个或10个……，甚至更多。
图16为压力仿真分布图，为了说明波纹箔片为什么设置成分离状的原理图。
图17为本发明具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承的实验结果截图。
图18为传统的轴承(即无预紧力，是指背景技术中的轴承)的实验结果截图。
具体实施方式
以下结合附图1至9，进一步说明本发明的具体实施方式。
具体实施方式一：如图1，本实施方式所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，包括轴承套1、波纹箔片2、平箔片3、贯穿槽4；如图2，所述的轴承套1为中空的圆柱筒状，在圆柱筒内壁开有3个贯穿两端的贯穿槽4，贯穿槽在周向方向上呈120°均匀分布；如图3，所述的波纹箔片2为弧形波纹结构，轴承套1内壁圆的曲率半径小于波纹箔片2自然状态下的曲率半径，其对应的弧形角度约为120°，波纹箔片2的一侧设计有波纹箔片折角5；如图4，所述的平箔片3为周向未闭合的中空圆柱筒，一侧设计有平箔片折角6。
如图5和图6所示，其中轴承套1作为整体结构的一个“框架”，三个波纹箔片2的波纹箔片折角5一端分别嵌入到轴承套1的贯穿槽4中，另一端处于自由状态。当波纹箔片2嵌入完成之后，将平箔片3的平箔片折角6嵌入到其中一个贯穿槽中，装配效果如图1所示。
如图7和图8，将转子7放入轴承之中，由于波纹箔片自然状态下的曲率半径大于轴承套1内壁圆的半径，所以波纹箔片2会有一个恢复为自然状态的趋势，从而产生一个指向轴心的力(如图7中的箭头所示)，通过平箔片3与转子7贴合，使转子7和平箔片3之间没有任何气膜间隙，即气膜间隙为0。当转子7开始高速旋转工作时，平箔片3和转子7之间产生的气膜压力会将平箔片3向背离轴心的方向涨开，从而在平箔片3和转子7之间形成小厚度的气膜8(如图9)。从理论上计算，小厚度的气膜具有更大的刚度，刚度越大，径向箔片轴承的承载力越大。而且从目前的工程实践应用中可以证实，这种具有预紧力的、初始气膜间隙为0的径向箔片轴承，相比于传统有初始气膜间隙的轴承相比，具有更高的承载力以及更好的稳定性。
另外，波纹箔片2被加工为分离状结构，相比于传统的一体式(无分离)结构，采用波纹箔片2这种结构的气体动压箔片轴承具有更好的自适应性。
具体实施方式二至六给出波纹箔片半径及长度与轴承套同的比例关系或几何关系。其他对应部分与具体实施方式一相同。
具体实施方式二：如图11所示，本实施方式中波纹箔片为2片，轴承套1上的贯穿槽4的数量为2，呈周向180°分布。自然状态下的波纹箔片半径R2过小，则起不到预紧力的作用；这个比例较为合适1.06R1≤R2。波纹箔片弧长：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的2/5～1/2。
具体实施方式三：如图12所示，本实施方式中波纹箔片为3片，轴承套1上的贯穿槽4的数量为3，呈周向120°均匀分布。自然状态下的波纹箔片半径R2过小，则起不到预紧力的作用；这个比例较为合适1.06R1≤R2。波纹箔片弧长：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/4～1/3。
具体实施方式四：如图13所示，本实施方式中波纹箔片为4片，轴承套1上的贯穿槽4的数量为4，呈周向90°均匀分布。自然状态下的波纹箔片半径R2过小，则起不到预紧力的作用这个比例较为合适1.4R1≤R2。波纹箔片弧长：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/5～1/4。
具体实施方式五：如图14所示，本实施方式中波纹箔片为5片，轴承套1上的贯穿槽4的数量为5，呈周向72°均匀分布。自然状态下的波纹箔片半径R2过小，则起不到预紧力的作用这个比例较为合适1.6R1≤R2。波纹箔片弧长：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/6～1/5。
具体实施方式六：如图15所示，本实施方式中波纹箔片为6片，轴承套1上的贯穿槽4的数量为6，呈周向60°均匀分布。自然状态下的波纹箔片半径R2过小，则起不到预紧力的作用。这个比例较为合适1.6R1≤R2。波纹箔片弧长：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/7～1/6。
具体实施方式七：本实施方式对波纹箔片的形状进一步限定，如图10所示，将上述实施方式中的整体结构(如图3)的波纹箔片2加工为分离状结构。波纹箔片主体为分离状(被分离成4个部分)，波纹箔片主体沿圆周被分离成四个部分，即中间被切去三个小条，形成缝隙。
波纹箔片主体像梳子一样，即波纹箔片主体上具有豁口。根据实际需要，波纹箔片主体沿圆周可被分离成两个部分、三个部分、四个部分、五个部分……，甚至更多。
波纹箔片的厚度从0.05mm到2mm，材料为不锈钢、铜、镍基合金。
波纹箔片既可以是一体状的，也可以是分离状(即中间被切去几个小条)的。
分离状的好处：
因为平箔片和转子之间形成的气膜，压力并不是均匀分布的，压力分布如图16(该图为压力仿真分布图)所示，横坐标为轴承长度方向，纵坐标为无量纲压力大小。由经典胡克公式F＝KX可知，压力越大的地方，波纹箔片变形就越大。因此波纹箔片设置成分离状的目的就是：使波纹箔片中间条的刚度略大，两边条状的刚度略小，这样，波纹箔片的变形量基本比较均匀，也有利于提高轴承承载力。即自适应性好，也便于波纹箔片预紧力的局部调整或控控。
具体实施方式八：本实施方式对平箔片的厚度进行描述，平箔片的厚度从0.05mm到1.9mm，材料为不锈钢、铜、铝、聚四氟乙烯、镍基合金。
本实施方式的平箔片与材料为不锈钢、铜、镍基合金，厚度从0.05mm到2mm的波纹箔片配合使用。
针对本发明所述的径向箔片轴承与传统的轴承(即无预紧力)进行对比。试验结果对比如下：
把本发明专利的轴承(具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承)与传统的无预紧力的轴承相进行对比实验，结果发现采用本发明专利轴承的转子系统，其转子运行轨迹(图17下方的两个图)更加稳定，频谱(图17上方的两个图)无低频出现。反观传统的轴承，其转子运行轨迹杂乱无章，频谱显示有低频出现(如图18所示)。
因此，实验结果反映了具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承具有更好的稳定性、高承载性。

Claims (10)

1.一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，所述径向箔片轴承包括轴承套(1)、平箔片(3)以及贴置于二者之间的一组波纹箔片；所述轴承套(1)为中空的圆柱筒状，所述平箔片(3)为周向未闭合的中空圆柱筒，一侧设有平箔片折沿(6)，其特征在于：
在圆柱筒内壁开有至少两个贯穿其两端的贯穿槽(4)，贯穿槽在周向方向上均分设置；
所述一组波纹箔片由与贯穿槽(4)数量相等的波纹箔片(2)构成，轴承套(1)内壁圆的半径R1小于每个波纹箔片(2)自然状态下的半径R2，每个波纹箔片(2)包括波纹箔片主体和波纹箔片折沿(5)，波纹箔片折沿(5)与波纹箔片主体连接或一体成形，
每个波纹箔片(2)的波纹箔片折沿(5)嵌入到轴承套(1)对应的贯穿槽(4)中，多个波纹箔片主体围合成筒状；
当波纹箔片(2)嵌入完成之后，平箔片(3)的平箔片折角(6)嵌入到其中一个贯穿槽中。
2.根据权利要求1所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片主体沿圆周被分离成至少两个部分。
3.根据权利要求2所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片(2)的数量为三个，每个波纹箔片(2)对应的弧形角度约为120°，波纹箔片主体被分离成四个部分；在圆柱筒内壁开有三个贯穿其两端的贯穿槽(4)，贯穿槽在周向方向上呈120°均匀分布。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片为2片时，波纹箔片(2)自然状态下的半径R2与轴承套(1)内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套(1)上的贯穿槽(4)的数量为2，呈周向180°分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后，长度为轴承套内壁周长的2/5～1/2。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片为3片时，波纹箔片(2)自然状态下的半径R2与轴承套(1)内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套(1)上的贯穿槽(4)的数量为3，呈周向120°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后，长度为轴承套内壁周长的1/4～1/3。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片为4片时，波纹箔片(2)自然状态下的半径R2与轴承套(1)内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套(1)上的贯穿槽(4)的数量为4，呈周向90°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后(即波纹箔片贴合轴承套内壁时)，长度为轴承套内壁周长的1/5～1/4。
7.根据权利要求1或2所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：当波纹箔片为5片时，波纹箔片(2)自然状态下的半径R2与轴承套(1)内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套(1)上的贯穿槽(4)的数量为5，呈周向72°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后，长度为轴承套内壁周长的1/6～1/5。
8.根据权利要求1或2所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：当波纹箔片为6片时，波纹箔片(2)自然状态下的半径R2与轴承套(1)内壁圆的半径R1的关系为R1<R2；轴承套(1)上的贯穿槽(4)的数量为6，呈周向60°均匀分布；波纹箔片弧长为：在平箔片和转子装配进去之后，长度为轴承套内壁周长的1/7～1/6。
9.根据权利要求1所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片(2)的数量为三个、四个、五个、六个、七个或八个。
10.根据权利要求1所述的一种具有波纹箔片预紧力的高承载径向箔片轴承，其特征在于：波纹箔片为弧形波纹结构的波纹箔片。
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