CN1730959A - 磁气混合轴承及弹性箔片制作方法 - Google Patents

磁气混合轴承及弹性箔片制作方法 Download PDF

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    • F16C32/048—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of two degrees of freedom, e.g. radial magnetic bearings

Abstract

一种磁气混合轴承，是主动磁悬浮轴承和动压气体轴承的混合轴承，包括主动磁悬浮径向轴承(1)和嵌入在磁悬浮轴承磁极间的弹性箔片(2)及其由锁紧楔块(3)、斜块(4)和(9)、垫块(5)、压板(6)、螺钉(7)、止动垫圈(8)组成的锁紧机构。弹性箔片在磁极内表面设置有预楔角，箔片的一端压紧在磁极上，由于箔片具有弹性，比刚性支承具有更好的静、动态性能和稳定性。运转时，由于磁力作用，转子悬浮于平衡位置，避免箔片和转子表面之间的严重摩擦，由于流体动力作用，箔片受到压力作用而变形，该变形又与气膜间隙耦合，最终转子－轴承达到稳定的平衡。因此该轴承结构简单，充分发挥了主动磁悬浮轴承和箔片轴承的优点，突现了弹性支承结构良好的阻尼特性，改善了轴承的结构刚度和动态特性。

Description

磁气混合轴承及弹性箔片制作方法
一、技术领域
本发明的磁气混合轴承及弹性箔片制作方法属于机械领域的磁悬浮轴承和动压气体轴承。
二、背景技术
磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空间、使转子与定子之间实现无机械摩擦支承的一种新型高性能轴承。目前最常用的类型是主动磁悬浮轴承(Active Magnetic Bearing，简称AMB)。气体轴承是一种采用气体作为润滑介质的流体膜润滑轴承，即使轴和轴承之间形成气膜，运动面和静止面避免发生直接接触，气体轴承所采用的方法是利用气体的粘性来提高轴承间隙中的压力，从而使物体浮起。动压式气体轴承副有两个相对移动的表面，并有楔形的间隙，在工作时，当间隙的形状沿着移动方向逐渐或总体趋势变窄时，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，由此产生了压力场。与静压式气体轴承相比，动压气体轴承不需要外部气源，但要求构成楔形间隙的两表面间存在相对运动，而且其动压效果将随相对运动速度的增加而愈加明显。这种特性对于相对运动表面的结构是十分有利的。所谓箔片气体轴承，它是用弹性箔片体来形成轴承的内表面，当轴高速旋转时，在轴和弹性箔片体之间形成了动压气膜。国外提出了平箔型、悬臂型、波箔型、多楔型和螺旋槽型的箔片气体轴承。60年代末70年代初为了满足高速透平机械，特别是航空航天用高速透平机械对轴承稳定型及寿命的要求，ASAC(Allied Signal Aerospace CO.)在美国空军NASA的支持下成功的开发出一种悬臂型箔片径向轴承Garrett箔片轴承，并成功的应用于麦道DC-10、波音727、757、767民航客机、F4、F15、F18战斗机、A7E舰载飞机、A300B、A-7E歼击机的飞机座舱空气制冷系统透平机械中。1994年该公司的资料报道西方国家90％商用飞机的空气制冷系统采用了该种Garrett形式的箔片动压气体轴承透平机。Garrett箔片轴承还于1971-1976年间被分阶段改装到几种航空用小型燃气轮机上。这种轴承表面有成对的箔片和箔片组件组成。这些箔片沿轴承座内孔孔壁顺次均匀重叠排列，箔片一侧刚性的固装或铰装在轴承座内孔纵向凹槽内，另一侧则自由的迭搭在相邻箔片上。为了调节箔片元件搭接角度和改变轴承表面弹性变形，可在箔片元件下方放置弹簧片，它们还可以起到控制轴承预载荷及轴承表面刚度的作用。主动磁悬浮轴承和动压气体箔片轴承都可以独立的作为低功耗、高速、高精度的支承。但单独使用时都存在着一些问题，如箔片气体轴承在启动和停车时的低速运行阶段，箔片表面的涂层容易剥落并损坏箔片。而主动磁悬浮轴承需要辅助轴承、承载力低、动态刚度低、阻尼小，控制系统复杂等缺点。将它们两者结合在一起，利用它们各自的优点并克服其缺点，将是轴承领域的新技术，其性能要远比单独使用主动磁悬浮轴承或箔片气体轴承优越。国外已经注意到这个问题，ErikE.Swansonb博士4年前就发表了对磁气混合轴承的研究结果。他将磁轴承和箔片气体轴承结合在一起，以提高磁轴承系统的阻尼、刚度和承载力。从理论和实验两个方面计算、测试了箔片气体轴承的阻尼、刚度和承载力，研究了这种轴承作为磁轴承的辅助轴承的可行性。虽然国内外对磁气混合轴承进行了研究，但其最大的缺点是箔片气体轴承要占据很大的轴向空间，降低了转子动力学性能，而其应用研究，目前还处于探索阶段。
三、发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单、体积小、能改善主动磁悬浮轴承在高速运转状态下的动态性能和稳定性，并改善气体动压轴承的低速性能的磁气混合轴承。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：将气体动压轴承嵌入主动磁悬浮径向轴承和轴间的气隙中，包括主动磁悬浮径向轴承，嵌入主动磁悬浮轴承磁极间的弹性箔片，该弹性箔片通过集成在主动磁悬浮径向轴承磁极间的锁紧机构固定在主动磁悬浮轴承磁极和轴间的气隙内。所述锁紧机构包括用于压紧弹性箔片一端的锁紧楔块，与锁紧楔块另一平面相接触的第一块具有楔角的斜块，该斜块的斜面与第二块具有楔角斜块的斜面相接触，使两块斜块相对滑动顶紧锁紧楔块后，可以采用焊接、螺纹等紧固件方法固定两斜块的相对位置，例如在第二块斜块的楔角顶端有一块压在底部垫块上的压板，螺钉通过压板旋入该斜块的楔角顶端的端部内。
由于本发明是一种主动磁悬浮径向轴承和弹性箔片动压气体径向轴承结合在一起的并联式结构。采用这种结构，不仅缩短了轴承的轴向长度，而且提高了轴承的综合性能。一方面，气体轴承可以作为主动磁悬浮轴承的辅助轴承，改善了主动磁悬浮轴承在高速运转状态下的动态特性和稳定性；另一方面，气体动压轴承在低速时，动压气膜尚未建立，用磁悬浮轴承使转子起浮，改善了气体动压轴承的低速性能。
四、附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，1.主动磁悬浮径向轴承，2.弹性箔片，3.锁紧楔块，4.第一块斜块，5.底端垫块，9.第二块斜块，10.轴；
图2是本发明的锁紧机构示意图，图2中的标号名称：6.压板，7.螺钉，8.止动垫圈，9.第二块斜块；
图3是本发明的弹性箔片结构示意图；
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明的机构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，2，3本发明的组成包括主动磁悬浮径向轴承1，弹性箔片2通过集成在主动磁悬浮轴承磁极的锁紧机构固定在主动磁悬浮轴承磁极和轴间的极小气隙内。弹性箔片动压气体轴承可以采用多种形式，如平箔型，悬臂型，波箔型等，关键是在主动磁悬浮径向轴承和轴间的极小气隙内将弹性箔片的位置固定，由于主动磁悬浮径向轴承空间结构特点，弹性箔片的锁紧装置只能集成在主动磁悬浮轴承的磁极间。本发明主要是针对悬臂型箔片气体轴承设计的锁紧机构和弹性箔片。锁紧机构如图2所示，由锁紧楔块3、两块具有楔形角的斜块4和9，压板6，止动垫圈8和螺钉7所构成。弹性箔片如图3所示，弹性箔片是先弯曲成形，经表面处理后的具有预楔角的圆弧形弹性金属箔片(以下简称箔片)。由八块具有预楔角的圆弧形弹性箔片2组成，箔片的一端由锁紧楔块3压紧于磁极的一侧，同时，箔片的另一端与相邻箔片贴合。箔片的径向位置由锁紧楔块的形状决定，因此要保证楔块的圆弧面径向位置不能高于或低于磁极。旋紧螺钉7使斜块4、9产生相对滑动，并锁紧楔块。工作时主动磁悬浮轴承首先使轴起浮，当轴开始旋转后，在弹性箔片和轴表面之间建立起润滑膜，箔片因受到此压力作用而变形，该变形又与气膜间隙耦合，最终转子-轴承达到稳定的平衡。
本发明的优点主要体现在结构简单，所占据轴向空间小，能充分发挥了主动磁悬浮轴承和箔片轴承的优点，并实现了弹性支承结构良好的阻尼特性，改善了轴承的结构刚度和动态特性。
弹性箔片(2)可采用下列步骤制成：
1、将箔带材裁成矩形片状体；
2、根据箔片形状的要求，设计箔片定形模具；
3、把矩形箔片体平放于箔片定形模具中的凸模和凹模之间，对凸模加一推力使凸模滑动并最终压紧箔片；
4、将上述模具和箔片的整体放入干燥箱中半小时加热至700-950摄氏度，并保温6-8小时后空冷。
5、线切割去除箔片两端多余的部分；
6、卸除凸模推力，取出已成形的箔片体，检查箔片表面质量，在轴承装配前，箔片表面涂擦一层二硫化钼粉末。

Claims (4)

1、一种磁气混合轴承，包括主动磁悬浮径向轴承(1)，，其特征在于还包括嵌入在主动磁悬浮轴承磁极间的弹性箔片(2)，该弹性箔片(2)通过集成在主动磁悬浮轴承磁极间的锁紧机构固定在主动磁悬浮轴承和轴间的气隙内。
2、根据权利要求1所述的磁气混合轴承，其特征在于锁紧机构包括用于压紧弹性箔片(2)一端的锁紧楔块(3)，与锁紧楔块(3)另一平面相接触的第一块具有楔角形的斜块(4)，该斜块(4)的斜面与第二块具有楔角形斜块(9)的斜面相互接触，两块斜块(4)、(9)相互滑动顶紧锁紧楔块(3)后，其相对位置通过其中一块斜块楔角顶端的紧固件固定。
3、根据权利要求2所述的磁气混合轴承，其特征在于，所述紧固件是在第二块斜块(9)的楔角顶端有一块压在底部垫块(5)上的压板(6)，螺钉(7)通过压板(6)旋入斜块(9)的楔角顶端的端部内。
4、一种弹性箔片的制作方法，其特征在于：
a、将箔带材裁成矩形片状体；
b、根据箔片形状的要求，设计箔片定形模具；
c、把矩形箔片体平放于箔片定形模具中的凸模和凹模之间，对凸模加一推力使凸模滑动并最终压紧箔片；
d、将上述模具和箔片的整体放入干燥箱中半小时加热至700-950摄氏度，并保温6-8小时后空冷。
e、线切割去除箔片两端多余的部分；
f、卸除凸模推力，取出已成形的箔片体，检查箔片表面质量，在轴承装配前，箔片表面涂擦一层二硫化钼粉末。
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