CN108916217A - 一种悬臂型径向箔片轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种悬臂型径向箔片轴承，包括：轴承座、多个弹性支撑元件、多个悬臂箔片；其中，轴承座内壁开设有多个轴向卡槽，一个卡槽对应一个弹性支撑元件和一个悬臂箔片；在轴承座内按照由外到内的顺序，依次安装弹性支撑元件与悬臂箔片，弹性支撑元件一端与悬臂箔片一端均通过销钉叠合固定在对应的卡槽内，弹性支撑元件另一端与对应的悬臂箔片另一端处于自由状态，每个悬臂箔片另一端均沿周向自由搭接在相邻悬臂箔片上；弹性支撑元件与轴承座内壁贴合，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片线接触或面接触，相邻的悬臂箔片之间分段线接触或面接触。本发明具有多重刚度、载荷力较高、缓和冲击振动的能力较强等特点，可广泛应用于轴承领域。
Description
技术领域
本发明涉及动压气体轴承技术领域，特别是涉及一种悬臂型径向箔片轴承。
背景技术
在实际应用中，承载的动压气体轴承运行时会出现轴的角度偏差，导致其承载力降低、磨损严重。箔片气体轴承是一种具有自作用柔性表面的动压气体轴承，其柔性表面一般采用金属箔片制成。箔片气体轴承因其柔性表面而具有一定的刚度和阻尼，可根据载荷情况自适应地改变轴承内的气膜厚度，从而使轴承可以在一定范围内适应轴的角度偏差，提高轴承的承载能力与缓和冲击振动的能力。但是，传统的悬臂型箔片轴承由于支撑结构单一，故不能很好的通过箔片变形应对运转过程中的冲击载荷和涡动，易造成轴与箔片间的摩擦损坏。
申请号为“2012103828306”、发明名称为“一种多层鼓泡箔片径向动压气体轴承”的中国专利申请公开了多层鼓泡箔片径向动压气体轴承，其在载荷范围内平箔与鼓泡箔片始终保持接触，使得该轴承刚度特性单一。2012年朱建军等在第十届全国气体润滑与干气密封学术交流会上发表的《悬臂型箔片动压气体轴承静动态特性分析研究》中，波箔也只能为轴承提供单一刚度。
由此可见，在现有技术中，箔片只能为悬臂型箔片轴承提供单一刚度，使得悬臂型箔片轴承的载荷力较低，且缓和冲击振动的能力也较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有多重刚度、载荷力较高、缓和冲击振动的能力较强的悬臂型径向箔片轴承。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：
一种悬臂型径向箔片轴承，包括：轴承座、三个以上的弹性支撑元件、三个以上的悬臂箔片；其中，
轴承座内壁沿周向均匀开设有三个以上轴向的卡槽，弹性支撑元件的数目、悬臂箔片的数目与卡槽的数目均相同，一个卡槽对应一个弹性支撑元件和一个悬臂箔片；在轴承座内按照由外到内的顺序，依次安装对应的弹性支撑元件与悬臂箔片，弹性支撑元件一端与悬臂箔片一端均作为固定端通过销钉叠合固定在对应的卡槽内，弹性支撑元件另一端与对应的悬臂箔片另一端均作为自由端处于自由状态，每个悬臂箔片另一端均沿周向自由搭接在相邻悬臂箔片上；弹性支撑元件与轴承座内壁贴合，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片线接触或面接触，相邻的悬臂箔片之间分段线接触或面接触。
综上所述，本发明所述悬臂型径向箔片轴承在轴承座内按照由外到内的顺序，依次安装对应的弹性支撑元件与悬臂箔片，弹性支撑元件与轴承座内壁贴合。在所述悬臂型径向箔片轴承载荷时，弹性支撑元件或悬臂箔片发生延展。当载荷较小时，在气膜压力的作用下仅悬臂箔片延展，也仅有悬臂箔片起支撑作用，这时所述悬臂型径向箔片轴承存在悬臂箔片结构阻尼、弹性支撑元件悬相邻臂箔片之间存在摩擦阻尼。随着载荷的增大，所述悬臂型径向箔片轴承存在悬臂箔片的结构阻尼、弹性支撑元件悬相邻臂箔片之间存在的摩擦阻尼也逐渐增大。随着载荷的进一步增大，在气膜压力的作用下弹性支撑元件和悬臂箔片延展，弹性支撑元件和悬臂箔片共同起支撑作用，这时所述悬臂型径向箔片轴承存在弹性支撑元件结构阻尼、悬臂箔片的结构阻尼、弹性支撑元件与悬臂箔片之间的摩擦阻尼、弹性支撑元件悬相邻臂箔片之间存在摩擦阻尼；而且，随着载荷的增大，上述这些摩擦阻尼也逐渐增大。由此可见，随着载荷的增加，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片线接触或面接触、相邻的悬臂箔片之间分段线接触或面接触进一步加强，弹性支撑元件与悬臂箔片的耦合刚度也逐渐加强，本发明所述悬臂型径向箔片轴承具有明显的非线性分段多重刚性特性与非线性分段阻尼变化特征，使得本发明所述悬臂型径向箔片轴承承载力和运行稳定性有了很大的提高；同时，随着载荷的增加，本发明所述悬臂型径向箔片轴承更能适应轴的角度偏差，在偏差大的一端弹性支撑元件或悬臂箔片产生较大的变形，而在偏差小的一端弹性支撑元件或悬臂箔片产生较小的变形，从而使得本发明所述悬臂型径向箔片轴承具有更好的承载特性和应对冲击的能力。
附图说明
图1是本发明所述悬臂型径向箔片轴承的总体组成结构示意图。
图2是本发明所述悬臂型径向箔片轴承在载荷较小时弹性支撑元件与悬臂箔片仅在固定端处线接触状态下的结构示意图。
图3是本发明所述悬臂型径向箔片轴承在载荷较大时弹性支撑元件与悬臂箔片完全贴合状态下的结构示意图。
图4是本发明所述悬臂型径向箔片轴承在载荷增大的情况下弹性支撑元件与悬臂箔片从固定端起逐渐发生接触的过程示意图。
图5(a)是等高弹性支撑元件的结构示意图。
图5(b)是变高弹性支撑元件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
图1是本发明所述悬臂型径向箔片轴承的总体组成结构示意图。如图1所示，本发明所述悬臂型径向箔片轴承包括：轴承座1、三个以上的弹性支撑元件2、三个以上的悬臂箔片3；其中，
轴承座1内壁沿周向均匀开设有三个以上轴向的卡槽5，弹性支撑元件2的数目、悬臂箔片3的数目与卡槽5的数目均相同，一个卡槽5对应一个弹性支撑元件2和一个悬臂箔片3；在轴承座1内按照由外到内的顺序，依次安装对应的弹性支撑元件2与悬臂箔片3，弹性支撑元件2一端与悬臂箔片3一端均作为固定端通过销钉4叠合固定在对应的卡槽5内，弹性支撑元件2另一端与对应的悬臂箔片3另一端均作为自由端处于自由状态，每个悬臂箔片3自由端均沿周向自由搭接在相邻悬臂箔片3上；每个弹性支撑元件2周向长度略小于相邻卡槽5之间的间距，弹性支撑元件2与轴承座1内壁贴合，弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3线接触或面接触，相邻的悬臂箔片3之间分段线接触或面接触。
实际应用中，弹性支撑元件2的数目、悬臂箔片3的数目与卡槽5的数目可根据实际需要具体确定。
本发明中，所述悬臂型径向箔片轴承的长度为25毫米，轴直径为25毫米。
总之，本发明所述悬臂型径向箔片轴承在轴承座内按照由外到内的顺序，依次安装对应的弹性支撑元件与悬臂箔片，弹性支撑元件与轴承座内壁贴合。在所述悬臂型径向箔片轴承载荷时，弹性支撑元件或悬臂箔片发生延展。当载荷较小时，在气膜压力的作用下仅悬臂箔片延展，也仅有悬臂箔片起支撑作用，这时所述悬臂型径向箔片轴承存在悬臂箔片结构阻尼、弹性支撑元件悬相邻臂箔片之间存在摩擦阻尼。随着载荷的增大，所述悬臂型径向箔片轴承存在悬臂箔片的结构阻尼、弹性支撑元件悬相邻臂箔片之间存在的摩擦阻尼也逐渐增大。随着载荷的进一步增大，在气膜压力的作用下弹性支撑元件和悬臂箔片延展，弹性支撑元件和悬臂箔片共同起支撑作用，这时所述悬臂型径向箔片轴承存在弹性支撑元件结构阻尼、悬臂箔片的结构阻尼、弹性支撑元件与悬臂箔片之间的摩擦阻尼、弹性支撑元件悬相邻臂箔片之间存在摩擦阻尼；而且，随着载荷的增大，上述这些摩擦阻尼也逐渐增大。由此可见，随着载荷的增加，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片线接触或面接触、相邻的悬臂箔片之间分段线接触或面接触进一步加强，弹性支撑元件与悬臂箔片的耦合刚度也逐渐加强，本发明所述悬臂型径向箔片轴承具有明显的非线性分段多重刚性特性与非线性分段阻尼变化特征，使得本发明所述悬臂型径向箔片轴承承载力和运行稳定性有了很大的提高；同时，随着载荷的增加，本发明所述悬臂型径向箔片轴承更能适应轴的角度偏差，在偏差大的一端弹性支撑元件或悬臂箔片产生较大的变形，而在偏差小的一端弹性支撑元件或悬臂箔片产生较小的变形，使轴承间隙、压力分布等沿轴向基本保持一致，从而使得本发明所述悬臂型径向箔片轴承具有更好的承载特性和应对冲击的能力。
图2是本发明所述悬臂型径向箔片轴承在载荷较小时弹性支撑元件与悬臂箔片仅在固定端处线接触状态下的结构示意图。图3是本发明所述悬臂型径向箔片轴承在载荷较大时弹性支撑元件与悬臂箔片完全贴合状态下的结构示意图。图4是本发明所述悬臂型径向箔片轴承在载荷增大的情况下弹性支撑元件与悬臂箔片从固定端起逐渐发生接触的过程示意图。如图2、图3、图4所示，本发明所述弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3线接触或面接触，相邻的悬臂箔片3之间分段线接触或面接触，具体为：
当所述悬臂型径向箔片轴承空载时，弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3在靠近固定端处线接触、弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3在除固定端外的其它部分不接触，相邻的悬臂箔片3之间在自由搭接处线接触。
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷时，随着载荷的逐渐增大，依次会分段出现如下情况：
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷处于第一载荷范围时，弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3在靠近固定端处线接触、弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3在除固定端外的其它部分不接触，相邻的悬臂箔片3之间在其延展搭接处线接触。这时，所述悬臂型径向箔片轴承仅通过悬臂箔片3的形变起承载作用，本发明所述悬臂型径向箔片轴承刚度大小仅由悬臂箔片3的厚度、曲率半径、箔片张角和箔片数目等结构参数决定。
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷处于第二载荷范围时，弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3从固定端开始部分面接触，相邻的悬臂箔片3之间在其延展搭接处部分面接触。这时，较大的载荷使悬臂箔片3发生较大的变形，互相叠加的悬臂箔片3之间发生一定程度的面接触，悬臂箔片3与支撑弹性元件2自固定端起亦逐渐发生一定的面接触，所述悬臂型径向箔片轴承同时通过相邻悬臂箔片3的较小部分形变、弹性支撑元件2的部分形变起承载作用，轴承整体支撑刚度及局部刚度均得到较大的提升。
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷处于第三载荷范围时，弹性支撑元件2与对应的悬臂箔片3完全贴合，相邻的悬臂箔片3之间在其延展搭接处部分面接触。这时，弹性支撑元件2的完全形变、相邻悬臂箔片3之间的较大部分形变构成的多重非线性刚度特性起弹性支撑作用，弹性支撑元件2与其对应弹性支撑元件2完全贴合所起的支撑作用为多重非线性刚度特性起主要支撑作用。
本发明中，第一载荷范围、第二载荷范围、第三载荷范围的区间最大值与最小值依次逐渐增大。在不同的工况条件下，第一载荷范围、第二载荷范围、第三载荷范围会有较大的变化，需要根据实际情况具体确定，举例说明如下：
当所述悬臂型径向箔片轴承载的参数配置为：悬臂箔片数目为M片，悬臂箔片张角为其中，M为自然数。悬臂箔片与作为弹性支撑元件的两层鼓泡箔片厚度均为0.1毫米，悬臂箔片与作为弹性支撑元件的两层鼓泡箔片的材料均为铍青铜，两层鼓泡箔片的鼓泡高度为0.2毫米；两层鼓泡箔片的鼓泡周向插排、轴向顺排，且轴向采用5行鼓泡、周向采用21列鼓泡。在该工况条件下，第一载荷范围为0N＜T≤5N、第二载荷范围为5N＜T≤20N、第三载荷范围为T＞20N；其中，T为所述悬臂型径向箔片轴承的载荷；其中，N表示力的单位牛顿。
当所述悬臂型径向箔片轴承载的参数配置为：悬臂箔片数目为4片，悬臂箔片张角为120°；悬臂箔片与作为弹性支撑元件的两层鼓泡箔片厚度均为0.1毫米，悬臂箔片与作为弹性支撑元件的两层鼓泡箔片的材料均为不锈钢，两层鼓泡箔片的鼓泡高度为0.2毫米；两层鼓泡箔片的鼓泡周向插排、轴向顺排，且轴向采用5行鼓泡、周向采用21列鼓泡。在该工况条件下，第一载荷范围为0N＜T≤4N、第二载荷范围为4N＜T≤15N、第三载荷范围为T＞15N。
当所述悬臂型径向箔片轴承载的参数配置为：悬臂箔片数目为4片，悬臂箔片张角为120°；悬臂箔片与作为弹性支撑元件的两层鼓泡箔片厚度均为0.15毫米，悬臂箔片与作为弹性支撑元件的两层鼓泡箔片的材料均为铍青铜，两层鼓泡箔片的鼓泡高度为0.2毫米；两层鼓泡箔片的鼓泡周向插排、轴向顺排，且轴向采用5行鼓泡、周向采用21列鼓泡。在该工况条件下，第一载荷范围为0N＜T≤8N、第二载荷范围为8N＜T≤40N、第三载荷范围为T＞40N。
上述不同工况条件的举例，只是实验工况中的部分情况，本发明包含上述工况，但不限于上述工况。
本发明中，所述悬臂箔片与所述弹性支撑元件的材质为铍青铜、不锈钢或镍基合金等。实际应用中，可根据实际需要确定所述悬臂箔片与所述弹性支撑元件的材质。
本发明中，悬臂箔片与弹性支撑元件的延展方向与所述悬臂型径向箔片轴承的轴旋转方向相同。
本发明中，弹性支撑元件2为多层鼓泡箔片或波箔，且多层鼓泡箔片的厚度为大于或等于0.05毫米，多层鼓泡箔片的鼓泡高度大于或等于0.15毫米。图5(a)是等高弹性支撑元件的结构示意图。图5(b)是变高弹性支撑元件的结构示意图。如图5(a)、图5(b)所示，本发明中，从弹性支撑元件2的固定端到自由端，弹性支撑元件2的高度相等；或者，从弹性支撑元件2的固定端到自由端，弹性支撑元件2的高度为由低到高。
实际应用中，本发明中所述悬臂型径向箔片轴承还可通过改变弹性支撑元件2的结构特性，优化轴承内楔形间隙，以提高轴承的承载力、保证轴承在大冲击载荷下具有更好的稳定性和抗冲击性、缓解传统悬臂型径向箔片轴承在重载和冲击载荷下的箔片磨损问题。当采用波箔作为弹性支撑元件时，可改变的结构参数包括波箔厚度、波拱半径、单位长度上的波拱数量、波拱角度等；当采用多层鼓泡箔片为弹性支撑元件时，可改变的结构参数包括鼓泡箔片厚度、鼓泡箔片层数、单位面积上鼓泡数量、鼓泡插排或顺排的布置方式、鼓泡的形状、鼓泡的高度等。
本发明中，悬臂箔片3与弹性支撑元件2的材质为铍青铜、镍基合金或不锈钢，悬臂箔片3的厚度为0.05毫米。实际应用中，可根据实际需要确定悬臂箔片与弹性支撑元件的材质。
本发明中，悬臂箔片3的数目为4个，悬臂箔片3的张角为120°。
实际应用中，不同卡槽对应的弹性支撑元件可采用不同结构参数，控制大载荷下所述悬臂型径向箔片轴承的刚度，进一步优化轴承内楔形间隙而使承载区域增大，进一步提高轴承的承载力。另外，本发明中每个卡槽还可以对应多个弹性支撑元件，通过控制弹性支撑元件的刚度分布使轴承的结构刚度沿轴向具有两端刚度小而中间刚度大的特性，进一步提高轴承的承载力。两端刚度小而中间刚度大的特性可通过如下方式实现：当弹性支撑元件采用波箔时，波箔在轴向上的中间片可采用厚度较大的箔片或单位长度上的波拱具有更多的数目等方式；当弹性支撑元件采用多层鼓泡箔片时，鼓泡箔片中轴向上的中间区域可采用比两端区域布置更多的鼓泡、不同的鼓泡形状或者中间区域的箔片厚度更大等方式。
通过实验发现，采用双层鼓泡箔片作为弹性支撑元件，轴直径为25毫米的所述悬臂型径向箔片轴承在转速80千转/分钟、载荷15N的情况下，其主频振幅仅为相同参数下传统悬臂型径向箔片轴承的三分之一左右。这说明本发明所述悬臂型径向箔片轴承具有更好的耗散涡动能量、保持主轴稳定运行的能力。同时，在80千转/分钟80krpm转速下，本发明所述悬臂型径向箔片轴承测得的极限承载力比相同参数下传统悬臂型径向箔片轴承提高约30％。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，所述悬臂型径向箔片轴承包括：轴承座、三个以上的弹性支撑元件、三个以上的悬臂箔片；其中，
轴承座内壁沿周向均匀开设有三个以上轴向的卡槽，弹性支撑元件的数目、悬臂箔片的数目与卡槽的数目均相同，一个卡槽对应一个弹性支撑元件和一个悬臂箔片；在轴承座内按照由外到内的顺序，依次安装对应的弹性支撑元件与悬臂箔片，弹性支撑元件一端与悬臂箔片一端均作为固定端通过销钉叠合固定在对应的卡槽内，弹性支撑元件另一端与对应的悬臂箔片另一端均作为自由端处于自由状态，每个悬臂箔片另一端均沿周向自由搭接在相邻悬臂箔片上；弹性支撑元件与轴承座内壁贴合，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片线接触或面接触，相邻的悬臂箔片之间分段线接触或面接触。
2.根据权利要求1所述的悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，所述弹性支撑元件与对应的悬臂箔片线接触或面接触，相邻的悬臂箔片之间分段线接触或面接触，具体为：
当所述悬臂型径向箔片轴承空载时，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片在靠近固定端线接触、弹性支撑元件与对应的悬臂箔片在除固定端外的其它部分不接触，相邻的悬臂箔片之间在自由搭接处线接触；
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷处于第一载荷范围时，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片在靠近固定端处线接触、弹性支撑元件与对应的悬臂箔片在除固定端外的其它部分不接触，相邻的悬臂箔片之间在其延展搭接处线接触；
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷T处于第二载荷范围时，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片从固定端开始部分面接触，相邻的悬臂箔片之间在其延展搭接处部分面接触；
当所述悬臂型径向箔片轴承载荷处于第三载荷范围时，弹性支撑元件与对应的悬臂箔片完全贴合，相邻的悬臂箔片之间在延展搭接处部分面接触；
其中，N表示力的单位牛顿。
3.根据权利要求1或2所述的悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，所述弹性支撑元件为多层鼓泡箔片或波箔，且多层鼓泡箔片的厚度为大于或等于0.05毫米，多层鼓泡箔片的鼓泡高度大于或等于0.15毫米。
4.根据权利要求3所述的悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，从所述弹性支撑元件的固定端到自由端，所述弹性支撑元件的高度相等。
5.根据权利要求3所述的悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，从所述弹性支撑元件的固定端到自由端，所述弹性支撑元件的高度为由低到高。
6.根据权利要求1-5中的任一所述的悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，所述悬臂箔片与所述弹性支撑元件的材质为铍青铜、镍基合金或不锈钢，所述悬臂箔片的厚度为大于或等于0.05毫米。
7.根据权利要求6中的任一所述的悬臂型径向箔片轴承，其特征在于，所述悬臂箔片的张角为其中，M表示所述悬臂箔片的数目，且M为自然数。
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