CN113107962A - 动压气体径向轴承 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种动压气体径向轴承，包括：轴承壳体(20)，具有用于围出容纳转子(10)的中空内腔的壳体内壁；顶箔(30)，设置在所述中空内腔内；波箔(40)，具有支撑在所述顶箔(30)与所述壳体内壁之间的多个波纹段(42)；其中，所述多个波纹段(42)中的至少一个波纹段(42)与所述顶箔(30)之间和与所述壳体内壁之间均为面接触。本公开实施例能够提高轴承承载能力。

Description

动压气体径向轴承

技术领域

本公开涉及轴承领域，尤其涉及一种动压气体径向轴承。

背景技术

轴承是支撑轴及其上的零件做机械旋转的基础零件。随着科技进步，轴承向着转速高、体积小、旋转精度高等方向发展。气浮轴承具有无油化、转速高、振动小、耐高温等一系列优点，因此自20世纪60年代以来逐渐得到重视和发展。

根据润滑气膜生成机理的不同，气浮轴承可分为静压气体轴承和动压气体轴承。静压气体轴承利用外部气源给轴承供气产生压力支承载荷。动压气体轴承利用气体在轴与轴承的内表面之间的楔形空间产生的压力气膜来支承载荷。动压气体轴承的工作原理如图1所示，转轴a1在重力作用下相对与轴承a2发生偏心，进而与轴承a2的内表面形成楔形间隙。当转轴a1高速旋转运动时，不断将具有一定粘度的气体带入楔形间隙，而气体的不断进入使得气膜a3产生一定的压力，当气膜a3所产生的压力足以平衡转轴a1的载荷时，转轴a1与轴承a2完全分离。

箔片动压气体径向轴承是一种常见的动压气体轴承，其一般包括轴承壳、顶箔和波箔。顶箔为转轴提供润滑表面，波箔具有波纹形状的弹性箔片，为轴承提供部分刚度和阻尼。在一些相关技术中，波箔和顶箔的一端焊接在轴承壳上，另一端为自由端，且顶箔均匀地搭接在波箔的箔片的每个波纹顶端。

经发明人研究发现，相关技术中的箔片动压气体径向轴承存在以下需要改进的问题：

(1)弹性箔片的承载力。波箔是连接轴承壳和顶箔的重要零件，其在形成动压气膜时受力变形并产生支撑力。支撑力传递给顶箔，与气膜力平衡，进而维持转轴平衡。顶箔均匀地搭接在波箔的箔片的每个波纹顶端，与波箔的箔片的每个波纹是线接触，受力面积小，导致承压大，容易发热。再加上转轴在做周期性旋转运动时，不断对箔片的波纹顶端造成冲击，使得发热持续，进而造成轴承局部高温。

(2)支撑刚度单一。相关技术为了方便箔片动压气体轴承的加工和装配，一般采用单层弹性支撑；有些相关技术为了增加轴承阻尼，采用结构相同的双层弹性支撑。但这些结构并不能彻底发挥箔片动压气体轴承的性能。在实际工作时，随着转速变化，转子系统所需要的承载刚度是变化的，一般随转速的提升而增加。尤其对于变频电机来说，其驱动的转子系统经常需要变转速运行，而相关技术中箔片动压气体轴承难以适应这种特别的工况。

(3)弹性支撑箔片圆周方向自由度较大。在轴承工作时，弹性箔片在气膜力的作用下发生变形，除了高度尺寸发生变化，在圆周方向上，自由端的弹性箔片也发生蠕变。承载越大，蠕变程度越大，且缺乏约束。然而，当转子承载存在瞬时变化时(如启动)，其作用力远大于平均载荷，容易导致弹性箔片蠕变程度突变。由于缺乏约束，如果弹性箔片的非自由段伸长过大，则有可能碰撞固定端，导致弹性箔片的波形结构变形。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种动压气体径向轴承，能够提高承载能力。

在本公开的一个方面，提供一种动压气体径向轴承，包括：

轴承壳体，具有用于围出容纳转子的中空内腔的壳体内壁；

顶箔，设置在所述中空内腔内；

波箔，具有支撑在所述顶箔与所述壳体内壁之间的多个波纹段；

其中，所述多个波纹段中的至少一个波纹段与所述顶箔之间和与所述壳体内壁之间均为面接触。

在一些实施例中，所述波箔包括多层弹性箔片，所述多层弹性箔片中相邻层弹性箔片沿所述轴承壳体的径向部分重叠。

在一些实施例中，所述多层弹性箔片具有至少两种不同的刚度。

在一些实施例中，所述多个波纹段形成朝远离所述轴承壳体轴线的方向凸出的多个外齿，所述多个外齿中每两个相邻外齿形成位于相邻外齿之间且朝向所述轴承壳体轴线凹入的内齿。

在一些实施例中，所述外齿和所述内齿在垂直于所述轴承壳体的轴线的截面均呈等腰梯形。

在一些实施例中，所述波箔包括第一弹性箔片和第二弹性箔片，所述第一弹性箔片位于所述第二弹性箔片远离所述轴承壳体轴线一侧；所述第一弹性箔片的内齿嵌在所述第二弹性箔片的内齿中，所述第二弹性箔片的外齿嵌在所述第一弹性箔片的外齿中，以形成所述第一弹性箔片与所述第二弹性箔片的齿形啮合结构。

在一些实施例中，所述第一弹性箔片的刚度低于所述第二弹性箔片的刚度。

在一些实施例中，所述第一弹性箔片的外齿和内齿的第一间距大于所述第二弹性箔片的外齿和内齿的第二间距，所述第一弹性箔片的外齿的第一齿厚大于所述第二弹性箔片的外齿的第二齿厚。

在一些实施例中，所述第二弹性箔片的外齿的齿顶与所述第一弹性箔片的外齿具有间隙，所述第一弹性箔片的内齿的齿顶和齿侧与所述第二弹性箔片的内齿紧密贴合。

在一些实施例中，所述动压气体径向轴承包括至少两组波箔，沿所述轴承壳体的壳体内壁周向布置。

在一些实施例中，所述轴承壳体的壳体内壁设有至少两个安装槽，所述至少两组波箔中每个波箔具有固定安装在所述至少两个安装槽中的不同安装槽内的第一固定端，且所述顶箔具有固定安装在所述至少两个安装槽中的一个安装槽内的第二固定端。

在一些实施例中，所述顶箔从所述第二固定端沿圆周延伸的方向与所述至少两组波箔从所述第一固定端沿圆周延伸的方向相反。

在一些实施例中，所述多个波纹段沿周向依次连接，且各个波纹段的形状和尺寸相同。

在一些实施例中，所述波箔为单层弹性箔片。

因此，根据本公开实施例，通过设置在轴承壳体与顶箔之间的波箔的多个波纹段分别与轴承壳体和顶箔的面接触关系，改善了波箔的承压受力和抗冲击性，提高了轴承的承载能力，并改善了轴承的发热情况。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是动压气体轴承的工作原理示意图；

图2是根据本公开动压气体径向轴承的一些实施例的立体结构示意图；

图3是根据本公开动压气体径向轴承的一些实施例的结构示意图；

图4是图3中AA截面的示意图；

图5是图3中BB截面的示意图；

图6是图4中圆形C对应部位的局部放大示意图；

图7是根据本公开动压气体径向轴承的一些实施例中波箔的展开结构示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

如图2所示，是根据本公开动压气体径向轴承的一些实施例的立体结构示意图。参考图2，并结合参考图3-图7，在一些实施例中，动压气体径向轴承包括：轴承壳体20、顶箔30和波箔40。轴承壳体20具有用于围出容纳转子10的中空内腔的壳体内壁。这里的转子10可以为轴类实心零件，与动压气体径向轴承间隙配合，该间隙即为动压气膜的形成空间。工作时，转子10可在电磁场作用下或受到机械传动而进行高速的旋转运动，当转速达到设计值后，动压气体径向轴承通过动压效应形成气膜使转子10悬浮。

轴承壳体20为截面呈环形的回转类零件。在一些实施例中，轴承壳体20的外部与其他箱体零件过盈配合，其内部对顶箔30、波箔40进行支撑和固定。为提高定位精度，轴承壳体20的壳体内壁可设有安装槽21，用于插接固定顶箔30的第二固定端31和波箔40的第一固定端41。

顶箔30设置在轴承壳体20的所述中空内腔内，波箔40具有支撑在所述顶箔30与所述壳体内壁之间的多个波纹段42。波箔40属于弹性支撑结构，其可以为动压气体径向轴承提供部分刚度和阻尼。参考图7，多个波纹段42可以沿周向依次连接，在一些实施例中，各个波纹段42的形状和尺寸相同，形成周期式的结构布置。波纹段42的划分可以参考图7中通过左右相邻的两个竖直虚线划分的方式，也可以采用其他方式，例如将竖直虚线设置在每个周期结构的波峰中心或波谷中心等。

参考图4和图6，对于周期式的波纹段42，其中至少一个波纹段42与所述顶箔30之间和与所述壳体内壁之间均为面接触。换句话说，波纹段42的波峰可以与壳体内壁形成面接触，而波谷可以与顶箔30形成面接触。通过将波箔与壳体内壁和顶箔之间的线接触关系调整成面接触关系，增加了波箔与壳体内壁和顶箔的受力面积，降低了单位面积的承压，从而提高了整个动压气体径向轴承的承载能力，并且通过提高受力面积可以降低波箔与壳体内壁和顶箔之间相互挤压冲击的发热量，避免轴承局部温度过高。

为了实现上述面接触关系，波箔40的多个波纹段42可以形成朝远离所述轴承壳体20轴线的方向凸出的多个外齿，所述多个外齿中每两个相邻外齿形成位于相邻外齿之间且朝向所述轴承壳体20轴线凹入的内齿。这里相邻的两个外齿的齿侧即为两者之间形成的内齿的齿侧，相邻的两个内齿的齿侧即为两者之间的外齿的齿侧。

多个外齿可以与壳体内壁形成面接触，而多个内齿可以与顶箔形成面接触。在一些实施例中，外齿和内齿的齿顶在展开状态下为平面，并在装配到壳体内壁和顶箔之间时，外齿的齿顶形成与壳体内壁的壁面弧度相同的柱面，内齿的齿顶形成与顶箔的外周柱面弧度相同的柱面。外齿和内齿的齿侧的截面可以呈直线、折线或弧线及其组合。

参考图4和图7，在一些实施例中，外齿和内齿在垂直于所述轴承壳体20的轴线的截面(例如AA截面)均呈等腰梯形。在图7所示的等腰梯形的上下表面，波箔展开结构中，顶箔30和壳体内壁对波箔的作用力F均匀分布，从而可获得更好的承载性能，避免轴承局部温度过高。

参考图2和图4，在一些实施例中，波箔40包括多层弹性箔片，所述多层弹性箔片中相邻层弹性箔片沿所述轴承壳体20的径向部分重叠。径向部分重叠的多层弹性箔片可以提高波箔的承载能力，并能以在圆周方向相互约束，避免圆周方向上的过度蠕变。当波箔40受力变形时，多层弹性箔片之间的摩擦力会发生变化，从而还能够提升轴承的阻尼。在另一些实施例中，波箔40可以为单层弹性箔片，通过单层弹性箔片中的至少一个波纹段42与所述顶箔30之间和与所述壳体内壁之间的面接触关系，有效地提升轴承的承载性能。

为了进一步提高波箔40的性能，多层弹性箔片可具有至少两种不同的刚度，以满足转子系统在不同转速下对承载刚度的需求。当多层弹性箔片具有至少两种不同的刚度时，则在转子转速较低时，所需的轴承的承载刚度较低，相应地较低刚度的弹性箔片起主要承载作用，而在转子转速较高时，所需的轴承的承载刚度较高，相应的较高刚度的弹性箔片和较低刚度的弹性箔片可共同起到承载作用，从而有效地提高轴承的变载适应能力。

参考图6，在一些实施例中，波箔40包括第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b，所述第一弹性箔片40a位于所述第二弹性箔片40b远离所述轴承壳体20轴线一侧；所述第一弹性箔片40a的内齿嵌在所述第二弹性箔片40b的内齿中，所述第二弹性箔片40b的外齿嵌在所述第一弹性箔片40a的外齿中，以形成所述第一弹性箔片40a与所述第二弹性箔片40b的齿形啮合结构。

在轴承所受载荷发生突变时，当第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b的内齿和外齿会发生变形，内齿和外齿的齿顶间距、内齿和外齿的齿厚等参数相应发生变化，在上述齿形啮合结构的作用下，第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b的外齿相互贴紧面积和内齿相互贴紧面积有所增加，从而增加了第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b之间的摩擦力，实现了第一弹性箔片40a与第二弹性箔片40b在圆周方向上的约束作用，提高了轴承的阻尼，避免波箔发生过度蠕变。

在径向受力上，第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b受到轴承壳体和动压气膜的作用力而被压紧，在圆周方向上，第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b的呈等腰梯形的齿形的齿侧受到的周向力能够部分地相互抵消。

在图6中，第一弹性箔片40a的刚度低于所述第二弹性箔片40b的刚度。当给第一弹性箔片40a和所述第二弹性箔片40b施加相同的作用力时，较低刚度的第一弹性箔片40a变形量大于较高刚度的第二弹性箔片40b的变形量。刚度越高，抵抗变形能力越强，所以较高刚度的弹性箔片较适用于高转速情况。在高转速情况下，较低刚度的弹性箔片的变形已达到极限。同理，较低刚度的弹性箔片较适用于低转速情况，在低转速情况下，低刚度箔片的变形灵敏，以适应载荷，而较高刚度的弹性箔片变形很少或几乎未变形。

对于相同或类似材质的弹性箔片来说，可通过设置外齿和内齿的不同间距以及外齿的不同齿厚(齿厚的含义可参考齿轮的齿形的齿厚含义，即分度圆上的外齿两侧的圆周长度)来满足刚度要求，例如参考图6，可使所述第一弹性箔片40a的外齿和内齿的第一间距H1大于所述第二弹性箔片40b的外齿和内齿的第二间距H2，所述第一弹性箔片40a的外齿的第一齿厚S1大于所述第二弹性箔片40b的外齿的第二齿厚S2。具有内外齿间距更大，外齿齿厚更大的第一弹性箔片40a的刚度更低。

在图6中，第二弹性箔片40b的外齿的齿顶与所述第一弹性箔片40a的外齿具有间隙D，而所述第一弹性箔片40a的内齿的齿顶和齿侧与所述第二弹性箔片40b的内齿紧密贴合。当转子10低速转动时，较低刚度的第一弹性箔片40a起主要作用。随着转子10的转速逐渐增加，第一弹性箔片40a的变形量增大，当其变形到间隙D逐渐变为0时，较高刚度的第二弹性箔片40b开始提供支撑，此时第一弹性箔片40a和第二弹性箔片40b的双层弹性箔片耦合结构对转子进行共同支撑，从而有效地提高了动压气体径向轴承的变载适应能力。

参考图4，在一些实施例中，动压气体径向轴承可包括至少两组波箔40。至少两组波箔可沿所述轴承壳体20的壳体内壁周向布置。在图4中，动压气体径向轴承的轴承壳体内设有三组波箔40，三组波箔40沿周向顺次布置。周向上布置的多组波箔都可以在轴承承载时发生变形，从而能够有效地提高轴承的柔性，满足自适应变形的要求。波箔的数量可结合轴承实际载荷和尺寸进行确定。在另一些实施例中，也可以在动压气体径向轴承中包括单一的波箔.

为了提高波箔和顶箔的定位精度，参考图4，在一些实施例中，所述轴承壳体20的壳体内壁设有至少两个安装槽21，所述至少两组波箔40中每个波箔40具有固定安装在所述至少两个安装槽21中的不同安装槽21内的第一固定端41，且所述顶箔30具有固定安装在所述至少两个安装槽21中的一个安装槽21内的第二固定端31。另外，所述顶箔30从所述第二固定端31沿圆周延伸的方向与所述至少两组波箔40从所述第一固定端41沿圆周延伸的方向相反。例如，顶箔30的延伸方向与转子10的旋转方向(通过图4中带有箭头的弧形实线示出)相同，而每组波箔40的延伸方向与转子10的旋转方向相反。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种动压气体径向轴承，其特征在于，包括：

轴承壳体(20)，具有用于围出容纳转子(10)的中空内腔的壳体内壁；

顶箔(30)，设置在所述中空内腔内；

波箔(40)，具有支撑在所述顶箔(30)与所述壳体内壁之间的多个波纹段(42)；

其中，所述多个波纹段(42)中的至少一个波纹段(42)与所述顶箔(30)之间和与所述壳体内壁之间均为面接触。

2.根据权利要求1所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述波箔(40)包括多层弹性箔片，所述多层弹性箔片中相邻层弹性箔片沿所述轴承壳体(20)的径向部分重叠。

3.根据权利要求2所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述多层弹性箔片具有至少两种不同的刚度。

4.根据权利要求1所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述多个波纹段(42)形成朝远离所述轴承壳体(20)轴线的方向凸出的多个外齿，所述多个外齿中每两个相邻外齿形成位于相邻外齿之间且朝向所述轴承壳体(20)轴线凹入的内齿。

5.根据权利要求4所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述外齿和所述内齿在垂直于所述轴承壳体(20)的轴线的截面均呈等腰梯形。

6.根据权利要求4所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述波箔(40)包括第一弹性箔片(40a)和第二弹性箔片(40b)，所述第一弹性箔片(40a)位于所述第二弹性箔片(40b)远离所述轴承壳体(20)轴线一侧；所述第一弹性箔片(40a)的内齿嵌在所述第二弹性箔片(40b)的内齿中，所述第二弹性箔片(40b)的外齿嵌在所述第一弹性箔片(40a)的外齿中，以形成所述第一弹性箔片(40a)与所述第二弹性箔片(40b)的齿形啮合结构。

7.根据权利要求6所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述第一弹性箔片(40a)的刚度低于所述第二弹性箔片(40b)的刚度。

8.根据权利要求6所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述第一弹性箔片(40a)的外齿和内齿的第一间距(H1)大于所述第二弹性箔片(40b)的外齿和内齿的第二间距(H2)，所述第一弹性箔片(40a)的外齿的第一齿厚(S1)大于所述第二弹性箔片(40b)的外齿的第二齿厚(S2)。

9.根据权利要求6所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述第二弹性箔片(40b)的外齿的齿顶与所述第一弹性箔片(40a)的外齿具有间隙(D)，所述第一弹性箔片(40a)的内齿的齿顶和齿侧与所述第二弹性箔片(40b)的内齿紧密贴合。

10.根据权利要求1所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述动压气体径向轴承包括至少两组波箔(40)，沿所述轴承壳体(20)的壳体内壁周向布置。

11.根据权利要求10所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述轴承壳体(20)的壳体内壁设有至少两个安装槽(21)，所述至少两组波箔(40)中每个波箔(40)具有固定安装在所述至少两个安装槽(21)中的不同安装槽(21)内的第一固定端(41)，且所述顶箔(30)具有固定安装在所述至少两个安装槽(21)中的一个安装槽(21)内的第二固定端(31)。

12.根据权利要求11所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述顶箔(30)从所述第二固定端(31)沿圆周延伸的方向与所述至少两组波箔(40)从所述第一固定端(41)沿圆周延伸的方向相反。

13.根据权利要求1所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述多个波纹段(42)沿周向依次连接，且各个波纹段(42)的形状和尺寸相同。

14.根据权利要求1所述的动压气体径向轴承，其特征在于，所述波箔(40)为单层弹性箔片。

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