CN113417934A - 一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，包括止推轴承座和安装在止推轴承座上的若干悬臂结构弹性箔片，所述悬臂结构弹性箔片包括依次相连的顶箔部分、折弯处和底箔部分，底箔部分设有若干等高的弹性单元；若干悬臂结构弹性箔片首尾顺次相接，上一悬臂结构弹性箔片的顶箔部分搭接在下一相邻悬臂结构弹性箔片底箔部分的弹性单元上。该气浮止推轴承具备波箔轴承中弹性支承单元且兼具悬臂轴承结构简单的优势，能够适应不同的载荷和使用环境，可满足高运行稳定性及大规模工程应用的使用要求。

Description

一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承

技术领域

本发明涉及箔片动压气体轴承技术领域，具体涉及一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承。

背景技术

动压气浮轴承利用轴承摩擦表面之间气体工质的动压效应进行润滑和冷却，分为刚性表面轴承和柔性表面轴承。与具备人字槽或螺旋槽表面的刚性表面动压气体轴承在其名义间隙确定后就无法自适应调整，而箔片动压气体轴承的最大特点是其具有柔性，可确保轴承表面和支承结构在气体动压效应的作用下发生变形，从而引起气膜间隙的变化。而气膜间隙的变化反过来会影响轴承的压力分布，通过箔片元件的变形和相互库伦摩擦力的作用，箔片轴承能够吸收多余的能量，使轴承-转子系统在一定的振动冲击和涡动范围内保持较高的稳定性。因此，具备柔性表面的弹性箔片动压气浮轴承可应用外界力学环境条件较为复杂的机载应用场合，有望取代机载环控空调涡轮中的油润滑滚珠轴承，从而满足机载设备对可靠性、环境适应性及体积重量的严苛要求。

动压气浮轴承按照限制转子位移方式的不同又可分为动压气浮径向轴承和动压气浮止推轴承，其中动压气浮止推轴承用于限制转子的轴向位移并平衡来自转子的轴向载荷。止推轴承座上设置若干个周向均布的扇形瓦块，并在每个扇形瓦块起始边预先设置如图1所示的预楔角。当转子止推盘高速旋转时周围具有一定粘性的气体工质会被不断卷入预楔角与转子止推盘形成的楔形空间内，形成动压效应使气体工质压力升高，从而获得一定的支反力可平衡轴向载荷及将转子浮起，起到支撑机械旋转体及降低运动过程中摩擦系数的作用。

悬臂型箔片动压气浮止推轴承是箔片动压气浮轴承一种重要的形式，其表面由若干个箔片沿轴承座表面均匀重叠排列组成。这些箔片的一端刚性的固定装配或焊接轴承座表面，另一端则处于自由状态，与其前后相邻的箔片相互叠搭。工作时转子止推盘旋转方向从箔片固定端转向自由端，将具备粘性的气体不断卷入箔片和止推盘之间的楔形空间中，形成动压气膜使转子起浮，具有结构简单、启动转矩低、寿命长、费用低等优点。然而，由于悬臂箔片动压轴承无弹性支承结构，仅依靠动压气膜自身阻尼及刚度支承转子，当转子受到外部冲击载荷会发生自激振动时箔片无法提供弹性变形空间，从而易造成气膜失效或轴承烧毁。同时由于悬臂箔片搭接而成的轴承接近刚性表面，在进行小名义间隙转子装配时，对位于止推轴承支撑面相对于转子轴向的垂直度及轴向长度尺寸链公差要求相对较高，偏差较多时可能会因为箔片和止推盘无法分离造成动压气膜无法形成从而导致摩擦烧毁，容错性相对较低。

波箔型动压气浮止推轴承的轴承表面是由顶箔和底箔相互组合而成，上层的顶箔用以支撑止推盘，顶箔下方的底箔设有波浪型弹性单元用以支撑顶箔。顶箔和底箔绕轴承座端面周向布置，并在一端固定，另一端可沿轴承周向自由伸缩，在工作时通过顶箔和底箔的共同变形来支撑止推盘，从箔片的固定端转向自由端，具备转速高、稳定性好、加工精度要求不高等优势。然而，由于波箔轴承的顶箔和底箔属于相对独立的结构单元，结构相对悬臂型箔片动压轴承更加复杂。随着技术进展，为了进一步提升波箔轴承承载力及工作转速，并优化其库伦阻尼效应以提升运行稳定性，将波箔进行分段以保证每个弹性单元在受力过程中都发生良好的变形是主要发展趋势。然而无论是单一顶箔对应多个底箔还是多个顶箔对应多个底箔的技术方案改进都会带来轴承结构复杂程度的进一步增加，在工程实施中需对顶箔和底箔进行单独处理后固定安装至轴承座表面，大大增加了过程工序的复杂程度和装配难度，限制了其在民用领域的大规模应用。

因此，继承现有悬臂型动压气浮止推轴承和波箔动压气浮轴承的优势，发展具有更加简单结构有利于大规模工程实施及应用推广、且兼具波箔轴承良好稳定性及对加工精度要求不高的悬臂结构弹性箔片动压气浮轴承尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，该气浮止推轴承具备波箔轴承中弹性支承单元且兼具悬臂轴承结构简单的优势，能够适应不同的载荷和使用环境，可满足高运行稳定性及大规模工程应用的使用要求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，包括止推轴承座和安装在止推轴承座上的若干悬臂结构弹性箔片，所述悬臂结构弹性箔片包括依次相连的顶箔部分、折弯处和底箔部分，底箔部分设有若干等高的弹性单元。若干悬臂结构弹性箔片首尾顺次相接，上一悬臂结构弹性箔片的顶箔部分搭接在下一相邻悬臂结构弹性箔片底箔部分的弹性单元上。所述悬臂结构弹性箔片可设置为止推对称结构，以满足止推盘不同运转方向的应用要求。

进一步的，所述悬臂结构弹性箔片在固定焊接到止推轴承座上表面时，其顶箔部分搭接在下一相邻箔片的底箔部分的弹性单元上，这样在维持自身悬臂结构的同时由下一相邻箔片的底箔部分进行支承，最终由各个箔片的顶箔部分依次搭接形成完整的轴承表面。若干悬臂结构弹性箔片首尾搭接依次焊接在轴承座上，上一片悬臂结构弹性箔片的底箔部分被下一片悬臂结构弹性箔片的顶箔部分完全覆盖，在止推轴承座表面形成仅由各悬臂结构弹性箔片的顶箔部分构成的独立瓦块区域，独立瓦块区域的内周与止推轴承座的内孔外周重合，悬臂结构弹性箔片的折弯处与过止推轴承座内孔圆心的径向直线呈一定夹角。

进一步的，所述悬臂结构弹性箔片的外轮廓为不规则四边形，由上下两个同心的圆弧及两侧两个不过圆心且呈一定角度的直线边构成。

进一步的，所述底箔部分上设有一排与折弯处相平行的焊接点。

进一步的，所述底箔部分上设有与悬臂结构弹性箔片上下圆弧同心的开槽。

进一步的，所述若干弹性单元为若干纵向设置且相互平行的波浪结构或鼓泡结构，弹性单元的长度方向与折弯处相平行。所述弹性单元与止推轴承座固定装配后，底箔部分下侧与止推轴承座上表面相接触，止推轴承座上表面为底箔部分上的弹性单元提供刚性支撑，确保弹性单元在顶箔部分的挤压作用下可产生弹性形变，从而给止推盘以及动压气膜提供具有一定刚度和阻尼支承环境。

进一步的，所述顶箔部分位于折弯处的上端一侧，底箔部分位于折弯处的下端另一侧，折弯处的高度等于弹性单元的高度，通过控制折弯处的高度可确保底箔和顶箔进行悬臂搭接后的总高度一致，完成搭接成型后可确保轴承表面为平面。所述顶箔部分、折弯处和底箔部分采用毛坯带材一体冲压成型，毛坯带材的厚度为0.07～2mm，毛坯带材的材料为高温合金、不锈钢或铍青铜。

进一步的，所述顶箔部分上设有固体润滑镀层，以降低在轴承启停阶段动压气膜未完全形成或即将消失时接触面的干摩擦系数，可保护止推盘表面及顶箔表面以提升可靠性。所述固体润滑镀层可选用聚四氟、二硫化钼等商用自润滑涂料。

和现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明将波箔型动压气浮止推轴承的顶箔部分与底箔部分进行整合设置于同一箔片上，并在交界处设置折弯处形成悬臂结构，减少了传统波箔型轴承制作过程中需要单独分割波箔片和平箔片的工艺步骤，仅需分割悬臂结构弹性箔片一种箔片，使加工过程简化，在保留弹性箔片单元的同时减少了轴承中的箔片种类，降低了生产成本，具备悬臂型轴承结构简单以及波箔型轴承弹性支承稳定好的双重优势。

(2)本发明所述的气浮止推轴承不同于传统悬臂止推轴承平箔堆叠时会形成高点，其初始工作表面为平面，在转子启动或停止过程中，当轴承表面与与止推盘摩擦接触形成对偶件时，较大的接触面积可有效的降低止推盘表面与轴承顶箔表面的接触应力，从而避免轴承顶箔表面及止推盘表面出现局部磨损，可大幅提升轴承的启停可靠性。同时，弹性箔片上设置的弹性单元部分具有更好的阻尼特性，可有效地吸收振动能量，且波箔型弹性单元下的空间有利于空气流动，可强化高速运行下的散热，可缓解轴承在高速运行过程中因摩擦生热无法有效冷却导致的轴承高温烧毁问题。

(3)本发明在实际使用中，可通过调节箔片内外圆直径及止推盘直径、箔片数量、弹性单元类型和尺寸(波高、波跨度、波间距、单元数量等)、箔片毛坯材料厚度等参数以适应不同工作转速和支承载荷，且在同样工况下通过对弹性单元的优化可进一步提升轴承性能。

附图说明

图1是现有技术中的动压气浮止推轴承的工作原理示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是悬臂结构弹性箔片的俯视图；

图4是悬臂结构弹性箔片的侧视图；

图5是悬臂结构弹性箔片的装配过程示意图；

图6是本发明的使用状态示意图。

其中：

1、止推轴承座，2、悬臂结构弹性箔片，3、止推盘，4、顶箔部分，5、焊接点，6、底箔部分，7、折弯处，8、弹性单元，9、开槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，文中提到的左右、上下等位置关系仅仅是对附图中给出的图片示意的零件方位的相对关系说明，便于介绍和指代，并不代表实际使用时。

如图6所示，本发明提供了一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，包括止推轴承座1、若干悬臂结构弹性箔片2和止推盘3。所述止推轴承座1，用于为悬臂弹性箔片2和止推盘3提供刚性支撑结构。所述悬臂结构弹性箔片2，用于为止推盘提供弹性承载单元和固体润滑表面，维持转子及止推盘3高速旋转时动压气膜的稳定，并提供一定的刚度和阻尼承载力以支承转子及吸收转子运转时自身产生的振动能量或外界环境传递给转子的振动能量，维持转子高速稳定运转。所述悬臂结构弹性箔片2通过焊接的方式与止推轴承1固定装配，形成整体。所述止推盘3是止推轴承所支撑的转子与箔片接触并发生滑动摩擦的部分，用于平衡转子的气动轴向力或惯性轴向力及在动压气膜的支撑下维持自身与转子的高速旋转。当包含止推盘3的高速转子在受到向下的轴向力作用时，止推盘3与悬臂结构弹性箔片2的间隙变小，两者间隙内的气体在粘性的作用下会随着推力盘旋转及依附于悬臂结构弹性箔片2的表面静止，在间隙内形成极高的速度梯度，从而形成气体动压效应使得间隙内的气体压强升高，最终可平衡转子轴向力(转子竖直放置时含重力)，使止推盘及转子浮起。

在本实施例中，悬臂结构弹性箔片的数量为8片。如图2所示，由8片悬臂结构弹性箔片组成8块相对独立的瓦块区域置于止推轴承座1的一侧表面。8片悬臂结构弹性箔片依次焊接于止推轴承座表面，各个悬臂结构弹性箔片装配好后围成的内侧小圆与轴承座内孔重合。悬臂结构弹性箔片的折弯处与过圆心的直线呈一定角度。如图5所示，保持悬臂箔片内侧小圆弧与轴承座内孔重合的状态下，在悬臂结构弹性箔片的折弯处进行焊接，使之与轴承座1形成整体。完成第一片悬臂结构弹性箔片的装配及焊接后，将第二片悬臂结构弹性箔片旋转一定角度后，使其顶箔部分4搭接在第一片悬臂结构弹性箔片的底箔部分6上方，并在该底箔部分的支承下使得第二片悬臂结构弹性箔片的顶箔部分4具备一定的轴向支承强度。随后第三片到第八片悬臂箔片按照上述方式依次排布，最终形成如图2所示的由8片悬臂结构弹性箔片的顶箔部分4形成的8片独立瓦块区构成的止推轴承表面。

如图3所示，悬臂结构弹性箔片的外形为轮廓为不规则四边形，由上下两个同心的圆弧及两侧两个不过圆心且呈一定角度的直线边构成。所述悬臂结构弹性箔片以折弯处7为界限，分为左侧顶箔部分4和右侧底箔部分6，整体为悬臂结构。折弯处7沿图3所示的竖直方向，在折弯处右侧的底箔部分6侧平行设置有若干焊接点5。所述底箔部分6上设置有与折弯处7平行的若干弹性单元8，并在圆周方向上设置有与悬臂结构弹性箔片上下圆边同心的开槽9，将弹性单元8沿竖直方向划分为多个独立的弹性单元，使其在止推盘轴向力的作用下产生自适应形变以建立更好的刚度特性。在图3中，顶箔部分位于左侧，底箔部分位于右侧，8个悬臂结构弹性箔片装配时的旋转方向是如图5所示的逆时针方向。将如图3所示的悬臂结构弹性箔片整体沿外部的中心面镜像布置，得到另外一种形式的悬臂结构弹性箔片，此时顶箔部分位于右侧，底箔部分位于左侧，8个悬臂结构弹性箔片装配时的旋转方向由逆时针变成了顺时针。本发明中的悬臂结构弹性箔片及与其呈镜像关系的箔片，都可以构成动压气浮止推轴承，这样就满足了止推盘不同运转方向的应用要求。

图4为悬臂结构弹性箔片高度方向的示意图，位于左侧顶箔部分4的高度与位于右侧底箔部分上的弹性单元8的高度相同，在如图2所示的8片首尾搭接焊接成型时，可确保其顶箔部分4的底面与位于上一片悬臂结构弹性箔片的底箔部分上的弹性单元8的顶部相切，从而使其下方得到弹性支承。折弯处7为左侧顶箔部分4和右侧底箔部分6的分界处，其折弯高度即为悬臂结构弹性箔片的高度。顶箔部分4在折弯处的支承作用下呈悬空状态，其上表面镀有固体润滑涂层，可在止推盘的起转和停止状态起到有效的减摩作用，从而保护基体表面提升可靠性，固体润滑涂层可选聚四氟乙烯、二硫化钼等商用耐磨涂料。所述弹性单元8为沿纵向平行布置的若干波浪结构或鼓泡结构，在受到其支承的位于上一片悬臂结构弹性箔片2的顶箔部分4的挤压作用时会发生形变，并通过水平方向延展时与止推轴承座1表面相对滑移产生的库伦摩擦消耗外部振动能量及自激振动能量，从而具备一定的刚度和阻尼特性，以维持高速运行的止推盘3与静止的顶箔部分4之间的空隙处气体动压效应的稳定。在上述弹性箔片的变形和空隙处的气体动压效应的共同作用下，来自止推盘3的轴向推力可被有效平衡，从而对止推盘3及其所在转子起到轴向支承固定作用。所述顶箔部分4、折弯处7、底箔部分6及其弹性单元8由毛坯带材一体冲压成型，毛坯带材的厚度优选为0.07-2mm之间的任意尺寸，毛坯带材的材料可选高温合金、不锈钢或铍青铜等。

如图5所示，各片悬臂结构弹性箔片依次焊接于止推轴承座表面，内侧小圆与轴承座内孔重合，折弯处与过圆心的直线呈一定角度，保持悬臂箔片内侧小圆弧与轴承座内孔重合的状态下，在折弯处进行焊接使之与轴承座1形成整体。完成第一片悬臂结构弹性箔片装配及焊接后，将第二片悬臂结构弹性箔片旋转一定角度后，使其顶箔部分4搭接在第一片悬臂结构弹性箔片的底箔部分6上方，并在其支承下使得第二片悬臂结构弹性箔片的顶箔部分4具备一定的轴向支承强度。随后第三片到第八片悬臂结构弹性箔片按照上述方式依次排布，最终形成如图2所示的由8片悬臂结构弹性箔片的顶箔部分4形成的8片独立瓦块区构成的止推轴承表面。在轴承工作时，外界环境气体在自身粘性的作用下被止推盘从轴承表面的折弯处卷入瓦块区域表面和止推盘之间的间隙内，在极大的速度梯度下形成动压效应产生高压从而为止推盘提供支反力。

综上所述，本发明所述的悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，具有结构简单、箔片种类少、无需注油维护、容错性高等特点，同时具备弹性支承单元和更好稳定性，可适用于机载高速涡轮机械等军用或工业领域，满足环境适应性好、可靠性高、维护简单、批量化容易的使用的要求。

针对传统悬臂型轴承和传统波箔型轴承的各自缺点和问题，本发明设计了一种新型箔片轴承形式。传统的波箔轴承的底箔(上面有弹性单元)和顶箔为分开独立的两种零件，两种零件采用不同的制造工艺分别加工成型后，要先通过焊接的方式形成一个组件后，再将6个或8个组件焊接在轴承座上，工艺过程相对比较繁琐，但是由于顶箔下面有底箔支撑，而底箔上又具备弹性单元，再受外力时形变量较大，具备较高的容错性。传统的悬臂轴承箔片种类较为单一，仅为一种平箔，箔片的制备较为简单，多个平箔在轴承座上堆叠焊接工艺过程也比波箔轴承简单，但是由于悬臂轴承没有像波箔轴承中底箔那样的弹性单元，造成悬臂轴承的容错性和稳定性不如波箔轴承。

本发明将波箔轴承的底箔和顶箔置于同一个箔片的两侧，形成一种悬臂结构的弹性箔片，在装配中采用悬臂轴承上一箔片与下一箔片搭叠的形式，具备波箔轴承和悬臂轴承的双重特性，同时又具备两者的优势，是本发明的创新点。将波箔轴承的顶箔和底箔设置在同一个箔片上，按照悬臂轴承的箔片自堆叠思路设计并制造波箔轴承，将两种不同的传统轴承形式整合到一种新的轴承形式上，对于本领域技术人员来说，不付出创造性劳动，是难以想到的。而且将底箔和顶箔设置在同一箔片上后，如何实现相邻两个箔片的左右部分能完美堆叠，需要经过大量的试算和设计，最终在箔片轮廓左右直线边的角度、位置尺寸、圆弧边的直径满足一定的数学关系后才能达到上述效果。

对于本发明的轴承箔片而言，将若干个(本实施例中为8个)悬臂结构弹性箔片依次堆叠形成一个整圆，上一个箔片的顶箔能刚好完全覆盖住下一片底箔，同时下一片的底箔又能完全支撑住上一片的顶箔，使其不至于有悬空的地方，是存在较大技术难度的。上一片顶箔在覆盖下一片底箔的时候又不能盖住折弯处的焊点，否则没法焊接。要实现上述效果，悬臂结构弹性箔片的两个直边必须互相垂直，右边直线边与竖直线夹角45°(针对8个箔片搭接形成整圆的实施案例而言)，左右两边的顶点的距离参照内外圆圆弧的直径按照特定数学关系选定，折弯处的位置相对于左右轮廓的顶点也存在特定的数学关系，满足上述一系列条件后，才能达到依次堆叠形成圆，相邻两片各自的左右部分又可以完美搭接。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：包括止推轴承座和安装在止推轴承座上的若干悬臂结构弹性箔片，所述悬臂结构弹性箔片包括依次相连的顶箔部分、折弯处和底箔部分，底箔部分设有若干等高的弹性单元；若干悬臂结构弹性箔片首尾顺次相接，上一悬臂结构弹性箔片的顶箔部分搭接在下一相邻悬臂结构弹性箔片底箔部分的弹性单元上。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：若干悬臂结构弹性箔片首尾搭接依次焊接在轴承座上，上一片悬臂结构弹性箔片的底箔部分被下一片悬臂结构弹性箔片的顶箔部分完全覆盖，在止推轴承座表面形成仅由各悬臂结构弹性箔片的顶箔部分构成的独立瓦块区域，独立瓦块区域的内周与止推轴承座的内孔外周重合，悬臂结构弹性箔片的折弯处与过止推轴承座内孔圆心的径向直线呈一定夹角。

3.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：所述悬臂结构弹性箔片的外轮廓为不规则四边形，由上下两个同心的圆弧及两侧两个不过圆心且呈一定角度的直线边构成。

4.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：所述底箔部分上设有一排与折弯处相平行的焊接点。

5.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：所述底箔部分上设有与悬臂结构弹性箔片上下圆弧同心的开槽。

6.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：所述若干弹性单元为若干纵向设置且相互平行的波浪结构或鼓泡结构，弹性单元的长度方向与折弯处相平行。

7.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：所述顶箔部分位于折弯处的上端一侧，底箔部分位于折弯处的下端另一侧，折弯处的高度等于弹性单元的高度，所述顶箔部分、折弯处和底箔部分采用毛坯带材一体冲压成型，毛坯带材的厚度为0.07～2mm，毛坯带材的材料为高温合金、不锈钢或铍青铜。

8.根据权利要求1所述的一种悬臂结构弹性箔片动压气浮止推轴承，其特征在于：所述顶箔部分上设有固体润滑镀层。

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