CN111597727B - 考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法、径向轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法、径向轴承；其技术要点：在外箔片与内箔片设置有余弦波支撑单元，在余弦波支撑单元与外箔片之间设置有分级负载弹性柱体；余弦波支撑单元的顶点与分级负载弹性柱体最近的距离记为s1，即满足：s≥s1，余弦波支撑单元和分级负载弹性柱体共同起作用；s<s1，余弦波支撑单元起作用，分级负载弹性柱体不作用。本发明旨在提供一种基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法、径向轴承，提高空气箔片径向轴承的承载力。

Description

考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法、径向轴承
技术领域
本发明涉及一种空压机电机径向轴承领域，更具体地说，尤其涉及基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法、径向轴承。
背景技术
气体箔片径向轴承，其优点在于：质量小、可靠性高、耐高温，是超高速电机径向轴承的优选。其缺点在于：其承载力较低，特别是支撑箔片在较大负载下会发生塑性变形，从而失效。
针对上述问题，申请人在先申请“一种基于分级变形的空气箔片径向轴承”提出了一种解决方案，设置多个大小不同的波形支撑单元；具体而言，所述波箔组合段包括：第一构造段、第二构造段、第三构造段；第一构造段、第二构造段、第三构造段均呈弯曲状，且均朝向轴承外壳的内侧弯曲；第一构造段、第二构造段、第三构造段均包括2个脚部、顶部。
为了不降低径向轴承的初始刚度，有必要研究一种新的考虑分级负载的空气箔片径向轴承。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法、径向轴承。
本发明的技术方案是：
基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法,外箔片与内箔片的间隙记为 q；轴承的半径记为R；
余弦波支撑单元的顶点与分级负载弹性柱体最近的距离记为s1，即满足：
s≥s1，余弦波支撑单元和分级负载弹性柱体共同起作用；
s<s1，余弦波支撑单元起作用，分级负载弹性柱体不作用；
分级负载弹性柱体的半径r为：
Figure GDA0002714864220000011
所述余弦波支撑单元的形状余弦波；
以余弦波支撑单元的顶点-外壳的中心的方向为Y轴,余弦波支撑单元的两个脚部的连线方向设为X轴，则余弦波支撑单元的形状采用下式表达：
Figure GDA0002714864220000021
其中，a、b为参数。
a、b通过求解下述方程组可得到：
Figure GDA0002714864220000022
其中，边界条件为：
Figure GDA0002714864220000023
一种采用上述设计方法设计的空气箔片径向轴承，从外到内，依次包括：外壳1、外箔片2、弹性支撑箔片3、内箔片4、弹性圆筒、分级负载弹性柱体6；
其中，所述外箔片2紧贴在所述外壳1的内表面，且设置有沿着轴向方向延伸的缺口(解决温度应力)；
其中，所述弹性支撑箔片3设置在所述外箔片2与所述内箔片4之间；
其中，所述弹性圆筒位于所述内箔片4的内测；
其中，弹性支撑箔片3包括若干个余弦波支撑单元3-1、以及若干个贴合部3-2；余弦波支撑单元3-1、贴合部3-2交替分布，即相邻的余弦波支撑单元3-1之间通过贴合部3-2连接；
所述贴合部3-2与所述外箔片2的内表面贴合；
所述余弦波支撑单元3-1的顶部连接内箔片4。
所述余弦波支撑单元3-1包括第一支撑部3-1-1与第二支撑部3-1-2，所述分级负载弹性柱体6插入余弦波支撑单元3-1内，且分级负载弹性柱体6与第一支撑部3-1-1、第二支撑部3-1-2、外箔片2接触。
分级负载弹性柱体6采用弹性体制成。
分级负载弹性柱体6也可以采用圆筒状。
所述内箔片4为整体式结构，其由圆弧段和连接段构成；连接段朝向外壳1；
进一步，所述弹性圆筒布置在所述内箔片4内侧，其直接面向转轴；通过弹性圆筒的设计，减少转轴对所述第二箔片4磨损；所述弹性圆筒是一只圆筒形的弹性套，材质采用不锈钢；所述弹性圆筒设置有一缺口(以便为解决温度应力)。
特别的，在弹性圆筒的两轴向侧面上各有一个用于固定的凸出物，防止所述弹性套轴向窜动与径向窜动；配合的，在轴承端盖(说明书附图未示意出)上设置有与所述凸出物相适配的凹槽。
本申请的有益效果在于：提出了一种基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法，以余弦波支撑单元的顶点与分级负载弹性柱体最近的距离记为s1作为设计目标，给出了分级负载弹性柱体、以及余弦波支撑单元的设计制造关键参数的确定方法，是实现制造本申请的空气箔片径向轴承的关键方案。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是实施例1的空气箔片径向轴承的三维设计示意图。
图2是实施例1的余弦波支撑单元的构造图。
图3是实施例1的余弦波支撑单元的设计图。
附图标记如下：
外壳1，外箔片2，弹性支撑箔片3，内箔片4，弹性圆筒5，分级负载弹性柱体6；
余弦波支撑单元3-1，贴合部3-2，第一支撑部3-1-1，第二支撑部3-1-2。
具体实施方式
实施例1，基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法,余弦波支撑单元的顶点与分级负载弹性柱体最近的距离记为s1，即满足：
s≥s1，余弦波支撑单元和分级负载弹性柱体共同起作用；
s<s1，余弦波支撑单元起作用，分级负载弹性柱体不作用；
所述余弦波支撑单元的形状余弦波(相位角为π)；
在上述条件下，分级负载弹性柱体的形状、以及余弦波支撑单元的形状为；
以余弦波支撑单元的顶点-外壳的中心的方向为Y轴,余弦波支撑单元的两个脚部的连线方向设为X轴，则余弦波支撑单元的形状可采用下式表达：
Figure GDA0002714864220000041
分级负载弹性柱体的半径r:
Figure GDA0002714864220000042
其中，x0表示分级负载弹性柱体与余弦波支撑单元在x＝x0处相切；
外箔片的内径为R(相当于外壳的内径为R)；
Figure GDA0002714864220000043
其中，通过Matlab等程序可以求解下式：
Figure GDA0002714864220000044
从而求得x0，进而确定分级负载弹性柱体6的半径。
注意，上述式(4)存在解的条件为：
a<b
采用上述方法设计的空气箔片径向轴承，从外到内，依次包括：外壳1、外箔片2、弹性支撑箔片3与分级负载弹性柱体6、内箔片4、弹性圆筒；
外壳1的内径R＝100mm，外箔片与内箔片的间隙记为q＝12mm，性能目标：s1＝3mm。
基于上述前置条件：
首先，能够确定：分级负载弹性柱体的半径r为：
Figure GDA0002714864220000045
所述余弦波支撑单元的形状采用余弦波；
其次，以余弦波支撑单元的顶点-外壳的中心的方向为Y轴,余弦波支撑单元的两个脚部的连线方向设为X轴，则余弦波支撑单元的形状采用下式表达：
Figure GDA0002714864220000051
其中，a、b是确定余弦波支撑单元的两个参数。
参数b是与a相关联的参数：
Figure GDA0002714864220000052
因此，参数a的求解过程采用Matlab程序来确定：
具体而言，a的求解可采用两重循环的方式：
初始时，a赋值0；
Figure GDA0002714864220000053
x0取值从-a/2到0(步距为-a/2000),计算下式：
Figure GDA0002714864220000054
直至Z<0.001，从而确定x0；
将a0、b0、x0，代入下式进行计算：
Figure GDA0002714864220000055
若T<0.001，说明a即为正确值。
否则，a重新赋值a+0.0001(即步距)。
a的取值在0到q之间。
需要说明的是，上述还可以采用其他求解方式来求解(数值分析中诸多求解构思)。
采取上述方式(两重循环)，可以求得：
a＝10.47对应的，b＝11.857
基于上述结论，所述外箔片2紧贴在所述外壳1的内表面，且设置有沿着轴向方向延伸的缺口(解决温度应力)；所述弹性支撑箔片3设置在所述外箔片2与所述内箔片4之间；所述弹性圆筒位于所述内箔片4的内侧，转轴设置在弹性圆筒内部；
其中，弹性支撑箔片3包括若干个余弦波支撑单元3-1、以及若干个贴合部3-2；余弦波支撑单元3-1、贴合部3-2交替分布，即相邻的余弦波支撑单元3-1之间通过贴合部3-2连接；所述贴合部3-2与所述外箔片2的内表面贴合；所述余弦波支撑单元3-1的顶部连接内箔片4。
所述余弦波支撑单元3-1包括第一支撑部3-1-1与第二支撑部3-1-2，所述分级负载弹性柱体6插入余弦波支撑单元3-1内，且分级负载弹性柱体6与第一支撑部3-1-1、第二支撑部3-1-2、外箔片2接触。
分级负载弹性柱体6采用弹性体制成。
分级负载弹性柱体6也可以采用圆筒状(即可以为空心)。
所述内箔片4为整体式结构，其由圆弧段和连接段构成；连接段朝向外壳1；
进一步，所述弹性圆筒布置在所述内箔片4内侧，其直接面向转轴；通过弹性圆筒的设计，减少转轴对所述第二箔片4磨损；所述弹性圆筒是一只圆筒形的弹性套，材质采用不锈钢；所述弹性圆筒设置有一缺口(以便为解决温度应力)。
特别的，在弹性圆筒的两轴向侧面上各有一个用于固定的凸出物，防止所述弹性套轴向窜动与径向窜动；配合的，在轴承端盖(说明书附图未示意出)上设置有与所述凸出物相适配的凹槽。
本申请中的：外箔片2与外壳1之间通过两者之间的接触摩擦力，即可限定外箔片2不转动。
实施例1的优点在于：
外箔片2、弹性支撑箔片3、内箔片4、弹性圆筒均采用薄片形式，通过分级负载弹性柱体6的设置，保证了弹性支撑箔片3的安全；具体而言，在变形s<s1时，仅仅外箔片2支撑；当s>s1时,分级负载弹性柱体6与外箔片2共同受力，分级负载弹性柱体6主要是防止外箔片2受压过大时，导致损坏的问题。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (5)

1.基于余弦波的考虑分级负载的空气箔片径向轴承设计方法,其特征在于，外箔片与内箔片的间隙记为q；轴承的半径记为R；
在外箔片与内箔片设置有余弦波支撑单元，在余弦波支撑单元与外箔片之间设置有分级负载弹性柱体；
余弦波支撑单元的顶点与分级负载弹性柱体最近的距离记为s1，即满足：
s≥s1，余弦波支撑单元和分级负载弹性柱体共同起作用；
s<s1，余弦波支撑单元起作用，分级负载弹性柱体不作用；
其中，s表示余弦波支撑单元的变形；
分级负载弹性柱体的半径r为：
Figure FDA0002714864210000011
所述余弦波支撑单元的形状余弦波；
以余弦波支撑单元的顶点-外壳的中心的方向为Y轴,余弦波支撑单元的两个脚部的连线方向设为X轴，则余弦波支撑单元的形状采用下式表达：
Figure FDA0002714864210000012
其中，a、b为参数；
其中，a、b通过求解下述方程组可得到：
Figure FDA0002714864210000013
其中，x0表示分级负载弹性柱体与余弦波支撑单元在x＝x0处相切，边界条件为：
Figure FDA0002714864210000021
2.一种采用如权利要求1所述的设计方法设计的空气箔片径向轴承，其特征在于，从外到内，依次包括：外壳(1)、外箔片(2)、弹性支撑箔片(3)、内箔片(4)、弹性圆筒(5)、分级负载弹性柱体(6)；
其中，所述外箔片(2)紧贴在所述外壳(1)的内表面，且设置有沿着轴向方向延伸的缺口；
其中，所述弹性支撑箔片(3)设置在所述外箔片(2)与所述内箔片(4)之间；
其中，所述弹性圆筒位于所述内箔片(4)的内测；
其中，弹性支撑箔片(3)包括若干个余弦波支撑单元(3-1)、以及若干个贴合部(3-2)；余弦波支撑单元(3-1)、贴合部(3-2)交替分布，即相邻的余弦波支撑单元(3-1)之间通过贴合部(3-2)连接；
所述贴合部(3-2)与所述外箔片(2)的内表面贴合；
所述余弦波支撑单元(3-1)的顶部连接内箔片(4)；
所述余弦波支撑单元(3-1)包括第一支撑部(3-1-1)与第二支撑部(3-1-2)，所述分级负载弹性柱体(6)插入余弦波支撑单元(3-1)内，且分级负载弹性柱体(6)与第一支撑部(3-1-1)、第二支撑部(3-1-2)、外箔片(2) 接触。
3.如权利要求2所述的空气箔片径向轴承，其特征在于，所述内箔片(4) 为整体式结构，其由圆弧段和连接段构成，且连接段朝向外壳。
4.如权利要求2所述的空气箔片径向轴承，其特征在于，所述弹性圆筒布置在所述内箔片(4)内侧，其直接面向转轴；所述弹性圆筒是一只圆筒形的弹性套，材质采用不锈钢；所述弹性圆筒设置有一缺口。
5.如权利要求2或3或4所述的空气箔片径向轴承，其特征在于，在弹性圆筒的两轴向侧面上各有一个用于固定的凸出物。
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