CN113513536B - 一种双特性波箔气体轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双特性波箔气体轴承，其包括轴承套、平箔片和波箔片，平箔片和波箔片的一端作为固定端，另一端作为自由端，且平箔片和波箔片通过固定端固定于轴承套的内孔壁上，波箔片位于平箔片和轴承套之间，其中，平箔片的外壁上间隔设置有若干个沿轴承轴向延伸的压电陶瓷，压电陶瓷与驱动信号源电连接。上述双特性波箔气体轴承结合了动压气体轴承和挤压膜气体轴承的特点，不仅结构简单，设计巧妙；而且能够减少轴承启动时的摩擦，提高轴承的承载力和稳定性，通过调节高频信号的频率和振幅，实现整体轴承的承载力的调整。

Description

一种双特性波箔气体轴承
技术领域
本发明涉及一种气体轴承，尤其是涉及一种双特性波箔气体轴承。
背景技术
气体轴承是一种采用气体为润滑介质的流体膜润滑轴承，因其润滑介质的低粘性使得气体轴承成为高速涡轮机的最佳选择。提高旋转速度可以大规模减少旋转机械的尺寸，进而减少质量，提高工作效率，故自20世纪60年代起，气体轴承就被用在许多旋转机械中，尤其在支承高速转子的精密机械中显示了其特殊价值。与传统的液体润滑轴承和滚动轴承相比，气体轴承在运行过程中具有高转速、低噪声、无污染、可靠性高、运行寿命长、耐冲击、摩擦磨损低、适应温度范围宽广及其较高的耐久性。气体轴承的工作原理与传统的油润滑滑动轴承基本相同，就是利用气体的粘性来提高轴承间隙中的压力，克服物体的重力从而使物体悬浮。
气体挤压膜轴承是气体轴承的一种，其由压电陶瓷或磁致伸缩材料制成的换能器沿支承面法线方向产生高频振动，使间隙内的气体不断受到挤压，形成具有压力的气膜，产生承载力。不过气体挤压膜轴承承载能力较低，因此工程上尚没有得到广泛应用。
动压气体轴承因润滑介质(气体)的低粘性导致气体轴承动力特性与传统轴承特性相比存在以下两方面不足：较低的承载能力和有限的阻尼水平。为了克服这些局限性，1960年中期提出了空气箔轴承的概念，即将弹性结构和耗散结构加入到轴承壳体和轴颈之间。在过去的几十年中，设计出多种类型的箔轴承(盘型，叶型，波箔型等)，波箔型轴承被认为是最有效、最成功的轴承之一。
在过去的40多年间，波箔型气体轴承的研究取得了显著的进步，和滚动轴承相比，采用波箔型气体轴承的高速涡轮机的可靠性提高了十倍以上。随着对飞机性能要求的日益提高，飞机中电子设备的数量在不断增加，进而对制冷功率的要求也愈来愈大，对压力、温度及空气湿度等的要求也在逐渐提高。高速旋转机械空气循环机(ACM)是飞行器中环境控制系统(ECS)的心脏，而环境控制系统用来管理飞行器中气体的制冷、制热及增压过程。因此，在空气循环机中改用波箔型气体轴承透平膨胀机转子的转速可以大幅度提高，而转子转速的提高通过以下两方面来改善飞行器空调系统的综合制冷性能：一方面，波箔型气体轴承改善了气体膨胀机的特性比，进而改变了气体膨胀机的工作效率，从而提高整个冷却系统的循环效率；另一方面，转子的高转速使得气体膨胀机工作轮中的系统膨胀比及气体流动发生了改变，从而导致温降幅度增加、制冷量也随之增大，减少了系统的引气量。另外，转子转速的提高有效降低了飞机的引气阻力、增加了推力进而改善了系统的力学性能，减轻了制冷系统部分组件的重量使得系统部件更加紧凑、轻巧，对附件的要求也随之大大降低，增加了空调系统的使用寿命，飞机的燃油损失也有所降低。
波箔型气体轴承的上述优点可以满足高速透平机械的要求，并得到了广泛应用，目前在美国等西方发达国家的军用、民用飞机及陆地车辆环境控制系统的空气循环机都使用波箔型气体轴承，旧的环境控制系统中的滚动轴承也被替换成了波箔型气体轴承。美国的F-16战斗机，波音747、737客机中的空气循环机均改用波箔型气体轴承。这对现有的波箔型气体轴承的承载力和稳定性就提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双特性波箔气体轴承，以解决现有技术中波箔气体轴承存在承载力低和稳定性差的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种双特性波箔气体轴承，其包括轴承套、平箔片和波箔片，所述平箔片和波箔片的一端作为固定端，另一端作为自由端，且所述平箔片和波箔片通过固定端固定于所述轴承套的内孔壁上，所述波箔片位于平箔片和轴承套之间，其中，所述平箔片的外壁上间隔设置有若干个沿轴承轴向延伸的压电陶瓷，所述压电陶瓷与驱动信号源电连接。
特别地，所述平箔片和波箔片的固定端对齐焊接后再焊接固定于所述轴承套的内孔壁。
特别地，所述平箔片采用矩形轴承钢薄板滚弯后制成。
特别地，所述波箔片采用轴承钢薄板冲压制成，其为整个轴承提供刚度。
特别地，所述波箔片上间隔设置有若干个凸起波纹，相邻两个凸起波纹之间具有平直段，所述压电陶瓷对应所述平直段设置。
特别地，所述凸起波纹的波高为0.2㎜～0.4㎜。
特别地，所述平箔片和波箔片的厚度为0.1㎜。
特别地，所述压电陶瓷通过粘接剂粘接固定于所述平箔片的外壁上。
特别地，所述压电陶瓷沿轴承圆周方向等距或变节距布置。
特别地，所述驱动信号源包括模拟信号源和功率放大器，所述模拟信号源通过功率放大器得到需要的高频信号，所述高频信号的频率与压电陶瓷和挤动压波箔气体轴承的谐振频率相同。
本发明的有益效果为，与现有技术相比所述双特性波箔气体轴承结合了动压气体轴承和挤压膜气体轴承的特点，不仅结构简单，设计巧妙；而且能够减少轴承启动时的摩擦，提高轴承的承载力和稳定性，通过调节高频信号的频率和振幅，实现整体轴承的承载力的调整。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的双特性波箔气体轴承的立体结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的双特性波箔气体轴承的截面图；
图3是本发明具体实施方式提供的双特性波箔气体轴承的平箔片的立体结构示意图；
图4是本发明具体实施方式提供的双特性波箔气体轴承的波箔片的立体结构示意图；
图5是动压式气体轴承工作原理图；
图6是气体挤压膜轴承工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当部件被称为“固定于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者也可以存在居中的部件。当一个部件被认为是“连接”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图4所示，本实施例中，一种双特性波箔气体轴承包括轴承套1、平箔片2和波箔片3，轴承套1为圆轴体，平箔片2和波箔片3卷曲呈圆筒状后安装于轴承套1的内孔，轴颈可以通过内孔插入轴承，平箔片2与轴颈、润滑气体和波箔片3相接触，波箔片3位于平箔片2和轴承套3之间，平箔片2和波箔片3的一端作为固定端，另一端作为自由端，具体的安装方式为：将平箔片2和波箔片3的固定端对齐焊接在一起后，再焊接固定于轴承套3的内孔。
平箔片2采用0.1mm厚的矩形轴承钢薄板滚弯后制成，平箔片2的外筒壁上通过粘接剂粘接固定有六个沿轴承轴向延伸的压电陶瓷4，六个压电陶瓷4等距平行间隔布置，且压电陶瓷4的长度与平箔片2的长度相等，压电陶瓷4与驱动信号源电连接，驱动信号源包括模拟信号源和功率放大器，模拟信号源通过功率放大器得到需要的高频信号，高频信号的频率与压电陶瓷和挤动压波箔气体轴承的谐振频率相同。
波箔片3采用0.1mm厚度的轴承钢薄板冲压制成，其为整个多孔径向波箔气体轴承提供刚度，波箔片3上间隔设置有凸起波纹30，凸起波纹30的波高为0.3㎜，相邻两个凸起波纹30之间具有平直段31，压电陶瓷4在平箔片2的外筒壁的安装位置对应平直段31设置。
需要说明是：压电陶瓷4的数量和排布方式可由具体性能要求决定。
请参阅图5和图6所示，图5为动压式气体轴承工作原理图，动压式气体轴承有相对移动的两个表面，两个表面之间为楔形间隙。当上滑动块移动时，由于摩擦面的相对移动，气体因其本身的粘性作用而被带动，并被压缩到楔形间隙内，形成气膜，由此产生了压力，起到了支承轴颈的作用。
驱动压电陶瓷4需要高的信号源。通常采取一般的模拟信号，通过功率放大器得到需要的高频信号(超声信号)，所以得到的高频信号相同或尽量接近压电陶瓷和波箔气体轴承的谐振频率，以便得到更大的振幅。将得到的高频正弦电压信号施加在压电陶瓷4的两极，在高频信号的作用下，压电陶瓷产生横向振动，促使平箔片2产生变形，使得间隙内气膜持续进行挤压，得到一个持续性的高于大气压的气体压力，即产生承载力。
图6为气体挤压膜轴承工作原理图，对激振板5施加一个高频正弦信号驱动激振板5振动，激振板5的振动挤压间隙内的气体，使压力不断变化，产生的悬浮力支承悬浮板6。承载能力的大小与激振频率、激振振幅等因素有关。
本发明双特性波箔气体轴承结合了动压气体轴承和挤压膜气体轴承的特点，提高了普通波箔气体轴承的承载力。在波箔气体轴承工作前给压电陶瓷4施加信号，使轴体与轴承间产生气膜压力，将轴体悬浮，可减少动压气体轴承启动时的摩擦。当轴体与轴承间产生气膜压力后，可进入正常工作状态，由动压气体轴承原理产生的气膜压力作为主要支承力来源。此时由压电陶瓷4振动产生的气膜压力作为辅助支承力。可通过调节高频正弦信号的频率和振幅，使辅助气膜压力发生变化，从而调整整体轴承的承载力。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种双特性波箔气体轴承，其包括轴承套、平箔片和波箔片，所述平箔片和波箔片的一端作为固定端，另一端作为自由端，且所述平箔片和波箔片通过固定端固定于所述轴承套的内孔壁上，所述波箔片位于平箔片和轴承套之间，其特征在于，所述平箔片的外壁上间隔设置有若干个沿轴承轴向延伸的压电陶瓷，所述压电陶瓷与驱动信号源电连接，所述压电陶瓷能够横向振动，以使所述平箔片发生形变并产生承载力，在所述双特性波箔气体轴承工作前给所述压电陶瓷施加信号，以使轴体悬浮在所述双特性波箔气体轴承内。
2.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述平箔片和波箔片的固定端对齐焊接后再焊接固定于所述轴承套的内孔壁。
3.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述平箔片采用矩形轴承钢薄板滚弯后制成。
4.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述波箔片采用轴承钢薄板冲压制成。
5.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述波箔片上间隔设置有若干个凸起波纹，相邻两个凸起波纹之间具有平直段，所述压电陶瓷对应所述平直段设置。
6.根据权利要求5所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述凸起波纹的波高为0.2㎜～0.4㎜。
7.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述平箔片和波箔片的厚度为0.1㎜。
8.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述压电陶瓷通过粘接剂粘接固定于所述平箔片的外壁上。
9.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述压电陶瓷沿轴承圆周方向等距或变节距布置。
10.根据权利要求1所述的双特性波箔气体轴承，其特征在于，所述驱动信号源包括模拟信号源和功率放大器，所述模拟信号源通过功率放大器得到需要的高频信号，所述高频信号的频率与压电陶瓷和挤动压波箔气体轴承的谐振频率相同。
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