CN109764057A - 一种多级弹性支撑机构及动压气体止推轴承 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种多级弹性支撑机构及动压气体止推轴承。现有的鼓泡径向动压气体轴承，其支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，而鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击。本申请提供了一种多级弹性支撑机构，包括依次排列的平箔组件和弹性筒箔片组件，所述平箔组件包括若干平箔，所述弹性筒箔片组件包括若干弹性筒箔片；所述弹性筒箔片包括弹性筒表面，所述弹性筒表面上设置有若干通孔，所述通孔与弯卷部一侧相连接，所述弯卷部呈凸起状，所述弯卷部为多层弯卷。分级承担刚度与载荷。增加绕流增大换热面积，更有利于长时间承载后的热量散失，进一步提高运行性能。

Description

一种多级弹性支撑机构及动压气体止推轴承

技术领域

本申请属于机械设备技术领域，特别是涉及一种多级弹性支撑机构及动压气体止推轴承。

背景技术

动压式气体轴承是在转轴和轴承两相对运动的表面之间形成楔形间隙，气体因本身粘性被带动在此楔形间隙中被压缩而产生压力场，从而支承转子的高速旋转。显然动压气体轴承的气膜刚度较静压气体轴承为低，但其动压效果将随转速的增加而明显增大。其突出优点是无需外带压力气源，这对降低装置的复杂性，提高透平机械的经济性及扩大其使用范围是十分有利的。随着科学技术的不断发展，由于传统刚性轴承表面形变有限，柔性表面气体轴承以其稳定性高，面接触摩擦损失小，能随时调整工作间隙等优点受到了广泛应用。应用较多的是弹性箔片动压气体轴承，分为径向轴承和止推轴承两种。其中弹性箔片动压气体止推轴承支承在弹性组件的柔性箔片上的，能较好地适应止推盘的扭曲变形及不对中，使箔片轴承具有稳定性高、耐振动、耐冲击、对转子不同心度不敏感、对热变形、放射性不敏感等优点，同时发生轴承事故时轴承产品的修复性好，因此被广泛应用于航空航天领域的高速轻载旋转机械上。

目前弹性箔片动压气体止推轴承的结构形式主要有螺旋槽型、管支承型、波箔型及平箔型，其中悬臂型及波箔型箔片止推轴承已广泛应用于透平膨胀机、燃气涡轮、涡轮增压器、涡轮制冷机、离心式压缩机、高速离心泵、高速风机等高速旋转机械，取得了良好的经济效益。传统波箔轴承是由构成轴承表面的平箔和具有许多弹性波结构的波箔组成，平箔支承在波箔上，波箔为顶层平箔提供了弹性基础并控制了轴承表面刚度，具有一定的承载力和稳定性，但存在结构设计复杂、制造精度要求及成本高的缺点，同时刚度和阻尼不是轴向、周向和径向任意位置完全可调的。

现有的鼓泡径向动压气体轴承，其支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于现有的鼓泡径向动压气体轴承，其支承箔片是由带鼓泡的弹性箔片和平箔组成，鼓泡弹性箔片具有良好的刚度及阻尼，具有吸收震动能力强、稳定性高等优点。但鼓泡体积小支撑刚度有限，在启停及运行过程中容易发生摩擦损毁和不确定性冲击的问题，本申请提供了一种多级弹性支撑机构及动压气体止推轴承。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种多级弹性支撑机构，包括依次排列的平箔组件和弹性筒箔片组件，所述平箔组件包括若干平箔，所述弹性筒箔片组件包括若干弹性筒箔片；

所述弹性筒箔片包括弹性筒表面，所述弹性筒表面上设置有若干通孔，所述通孔与弯卷部一侧相连接，所述弯卷部呈凸起状，所述弯卷部为多层弯卷。

可选地，所述弯卷部另一侧与平箔相接触。

可选地，所述弯卷部排布方式包括径向顺排、径向叉排、周向顺排或周向叉排。

可选地，所述平箔为扇形，所述平箔的数量为三个或者三个以上，所述平箔组件横截面为圆环状；所述弹性筒箔片为扇形，所述弹性筒箔片的数量为三个或者三个以上，所述弹性筒箔片组件横截面为圆环状。

可选地，所述弯卷部与所述通孔固定连接。

可选地，所述通孔呈长方形。

可选地，所述平箔上设置有第一连接板，所述第一连接板与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片上设置有第二连接板，所述第二连接板与所述弹性筒表面一端相连接，所述弹性筒表面另一端自由。

本申请还提供一种动压气体止推轴承，包括所述多级弹性支撑机构和轴承座，所述多级弹性支撑机构通过卡槽与所述轴承座相连接，所述卡槽设置于所述轴承座上。

可选地，所述多级弹性支撑机构通过定位元件与所述卡槽固定连接。

可选地，所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种多级弹性支撑机构及动压气体止推轴承的有益效果在于：

本申请提供的多级弹性支撑机构，通过弯卷部的双侧面接触，降低了转子的启动摩擦力矩，减小了转子和轴承表面的摩擦损伤，在小摩擦力矩下，库伦阻力小便于滑移；在主轴转动过程中，结构阻尼小能量损耗小；阻尼作用可以使弯卷部只发生径向变形，也可以既变形又滑移以增强轴承的稳定性，适应微小尺寸变化与更大范围的承载力。弯卷部由裁剪出的矩形钢板或铜板多层弯卷而成，相当于拱径不同的弯卷叠放在一起。各层弯卷拱径大的弯卷刚度最小，其余各级刚度依次增大。在较小的轴承载荷下，最顶层弯卷最先变形，当载荷大到一定值时，与下一级弯卷相接触，分级承担刚度与载荷。载荷越大，产生弹性变形的层数越多，轴承的结构刚度越大。弹性筒箔片上含有相互独立的壳型凸起与弯卷后的通孔，通过改变弯卷部布置方式、位置等改变轴承内气体流通性能，增加绕流增大换热面积，更有利于长时间承载后的热量散失，进一步提高运行性能。

附图说明

图1是本申请的一种多级弹性支撑机构弯卷部结构示意图；

图2是本申请的弹性筒箔片弯卷部第一排布方式示意图；

图3是本申请的弹性筒箔片弯卷部第二排布方式示意图；

图4是本申请的弹性筒箔片弯卷部第三排布方式示意图；

图5是本申请的弹性筒箔片弯卷部第四排布方式示意图；

图6是本申请的弹性筒箔片弯卷部第五排布方式示意图；

图7是本申请的弹性筒箔片组件结构示意图；

图8是本申请的弹性筒箔片结构示意图；

图9是本申请的一种动压气体止推轴承结构示意图；

图10是本申请的一种动压气体止推轴承装配示意图；

图11是本申请的一种动压气体止推轴承预变形示意图；

图中：1-平箔、2-弹性筒箔片、3-弹性筒表面、4-通孔、5-弯卷部、6-第一连接板、7-第二连接板、8-转子止推板、9-轴承座、10-卡槽、11-主轴、12-定位元件。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

正在低温透平膨胀机上应用气体轴承，具有***简单、安全可靠、使用温度范围宽广、能长期运转等特点。迄今为止，在空气液化、分离装置透平膨胀机上应用气体轴承已有近40年的历史。应用于低温透平膨胀机上的气体轴承主要分为静压式和动压式两种。静压气体轴承需要一套供气***，增加了装置的复杂性，且需耗费一定数量的压力气体，降低了其经济性，这在许多场合下限制了它的应用。

参见图1～8，本申请提供一种多级弹性支撑机构，包括依次排列的平箔组件和弹性筒箔片组件，所述平箔组件包括若干平箔1，所述弹性筒箔片组件包括若干弹性筒箔片2；

所述弹性筒箔片2包括弹性筒表面3，所述弹性筒表面3上设置有若干通孔4，所述通孔4与弯卷部5一侧相连接，所述弯卷部5呈凸起状，所述弯卷部5为多层弯卷。

弯卷部5为双侧面接触，小摩擦力矩下便于滑移变形；同时沿形变方向弯卷部5逐级连接，拱向半径减小刚度依次增大；底层处理后为具有弯卷长度镂空孔隙即通孔4的平箔，承载时绕流强化气体换热，改善润滑特性。

弯卷部5支承刚度介于波箔箔片与鼓泡箔片之间，安全性高启动摩擦力小。对应用于同一半径主轴的波箔型、鼓泡型和弹性筒型轴承，弯卷部5的拱向曲率半径与鼓泡相同均小于波箔，拱向曲率半径越大，拱向刚度越小，因而弯卷部5的刚度明显高于波箔；同时弯卷部5为双侧面接触，相比于鼓泡的点接触与波箔的单侧线接触，面接触大大降低了转子的启动摩擦力矩，减小了转子和轴承表面的摩擦损伤，有较高的耐磨性、耐疲劳性和使用寿命，其较大的可变形裕度使其弹性高于鼓泡型轴承。采用多圈旋绕弯卷的弹性筒箔片2，承担分级载荷，刚度依次减小，进一步提升承载力范围。同时由于弯卷部5为多层弯卷，改变弹性范围，实现分级承载。

进一步地，所述弯卷部5另一侧与平箔1相接触。

弹性筒箔片2的底部与轴承座9上端面贴合，弯卷部5凸起顶端与顶层平箔1底侧相接触，平箔1置于弹性筒箔片2与转子止推板8之间。多级弹性支撑机构在轴承座9上具有轴承抬起、轴向变形和周向滑移的空间。

进一步地，所述弯卷部5排布方式包括径向顺排、径向叉排、周向顺排或周向叉排。

也改变弯卷部5支承点位置，从而改善箔片轴承整体刚度与弹性变化量，改善阻尼特性。其中可调整弯卷部5的弯卷方向，交错组合多种排布方式；也可通过改变弯卷部5弯卷数目、大小和分布密度改变支承面积，调节刚度阻尼，提升轴承的承载力。

进一步地，所述平箔1为扇形，所述平箔1的数量为三个或者三个以上，所述平箔组件横截面为圆环状；所述弹性筒箔片2为扇形，所述弹性筒箔片2的数量为三个或者三个以上，所述弹性筒箔片组件横截面为圆环状。

每个扇形弹性筒箔片2是由带有平箔延长段的扇形钢片冲压而成，与顶层平箔1叠合固定在轴承座上，弹性筒箔片2与轴承座9形成夹角，通过调整弹性筒箔片2首个弯卷部5的形状、大小及位置来调节所述夹角大小，进而调节动压气体止推轴承的启动性能及承载特性。

进一步地，所述弯卷部5与所述通孔4固定连接。

进一步地，所述通孔4呈长方形。

这里的通孔4也可以根据工况设计成其他的形状。

进一步地，所述平箔1上设置有第一连接板6，所述第一连接板6与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片2上设置有第二连接板7，所述第二连接板7与所述弹性筒表面3一端相连接，所述弹性筒表面3另一端自由。

第一连接板6与平箔表面的连接方式可以是固定连接，也可以是活动连接；第二连接板7与弹性筒表面3的连接方式可以是固定连接，也可以是活动连接。

也就是说是第一连接板6可以由平箔1弯折形成，也即第一连接板6可以是平箔1的延长段；第二连接板7可以由弹性筒箔片2弯折形成，同理，第二连接板7为弹性筒箔片2的延长段。

图7是扇形弹性筒箔片2布置示意图；图8是单个扇形弹性筒箔片2分条布置，也就是说可以将弹性筒箔片2进行一条一条的加工，然后组合成扇形，再进一步组合成弹性筒箔片组件。

参见图9～11，本申请提供一种动压气体止推轴承，包括所述多级弹性支撑机构和轴承座9，所述多级弹性支撑机构通过卡槽10与所述轴承座9相连接。

轴承座9上端面被分隔为多个周向均布的扇形，多级弹性支撑机构根据轴承座9上端面的结构分布。轴承座9上端面分隔处加工有卡槽10即楔型槽，轴承座9底侧开设有4个定位孔，多级弹性支撑机构一端通过定位元件12即铆钉或者销钉固定在轴承座的楔形槽内，一端自由。多级弹性支撑机构的延展及滑移方向与主轴旋转方向相同，并可根据轴的旋转方向调整定位元件12的位置。

进一步地，所述多级弹性支撑机构通过定位元件12与所述卡槽10固定连接。

进一步地，所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。

参照图9及图11对轴承工作原理进行描述：

(1)在轴承受载荷时，顶层平箔1的变形与滑移可使载荷转移到下层弹性筒箔片2上，弹性筒箔片2分级承压，超出单级承载力范围便会接触到弯卷部5的下级弯卷，将力传递下去，相当于多个弯卷沿形变方向依次连接，刚度逐渐增大，载荷作用下周向和径向形变与滑移特性较单层弹性筒箔片2有较大幅度的提高。轴承上依次分布的弯卷部5能将承载力重新分配、均匀转移到轴承座9上，同时产生适应性刚度和阻尼使得承担载荷范围更宽，及时消耗轴向的不稳定涡动而达到减振的效果。

(2)在转子启、停初期与主轴11高速运转过程中，轴和轴承表面易发生干摩擦，或出现主轴11倾斜使得振幅加大，造成磨损。在安装初期，可根据承载力大小选择弯卷部5并确定箔片预紧力。载荷较大时选择弯卷部5弯卷个数或弯卷层数较多的箔片，并提供较小预紧力，此时轴承弹性形变加大自对中性增强，防止发生刚性碰撞；载荷较小时选择较少个数或层数的弯卷部5弹性筒箔片2并提高预载荷，调整运转中的转动精度与支撑刚度，轴承稳定性增强。

(3)当转子止推面与轴承座9以相对速度u运动时，楔形空间进口h1处的空气会对间隙h2区域内的气膜进行挤压，气体因其自身的粘性作用被带动并被压缩到楔形空间内，从而产生动压效应支承载荷，轴向动压力得到显著增强。其中h1>h2，改变h1、h2可以得到不同支承性能的动压气体止推轴承。同时弯卷部5为绕流元件，空气为润滑剂，起到润滑和散热的作用，提高动压气体止推轴承的整体性能。

改变参数的影响：由平箔1和多级弹性筒箔片2构成的多级弹性支撑机构在轴承座9上具有轴承抬起、轴向变形和周向滑移的空间，具有良好的静、动态特性和自对中性。主要是依靠多级弯卷的弯卷部5弹性筒箔片2的结构改变、重组布置以及与平箔1的配合来实现的：

(1)通过改变弯卷部5布置方向与排布方式来调整轴承刚度和阻尼。弯卷部5可按设计要求沿径向及周向分布。采用径向顺排，径向叉排，周向顺排，周向叉排等，如图2～5，其中周向排布使承载力由中向外分布更均衡，比径向排布更影响箔片变形。也可调整弯卷部5的弯卷方向，交错组合多种排布方式，改变弯卷部5支承点位置，从而改善箔片轴承整体刚度与弹性变化量，改善阻尼特性。

(2)通过适当增减弯卷部5的数量、密度及弯卷级数对轴承支承特性进行局部和整体调节。弯卷部5数量越多轴向可承载力越大载荷分布越均匀，但弯卷部5过多时加工复杂，阻尼作用使其易发生轴向变形而不易滑移形变，降低了轴承对主轴偏心振动的调节。一定范围内弯卷级数增多，可分级承压使承载力均匀传递到轴承座9上。但弯卷级数较多时弹性筒箔片2上间隙增大，箔片自身刚度降低，不利于形成强支撑高速运转轴承的稳定润滑气膜。

(3)装配中产生有效弹性预变形，进一步提高轴承的承载能力及稳定性。分段布置预紧螺母时增加了轴承预载荷，提高轴的刚度有助于降低轴的绕曲，也提高轴的旋转与导向精度，有助于预防振动降低噪声。平箔1与轴承座9间的夹角决定了动压气体止推轴承的厚度与受力分布，通过调整弹性筒箔片2首个弯卷部5的形状大小及相对位置来改变夹角，从而改变动压气体止推轴承的启动性能及承载性能。

加工方法及组合方式：弹性筒箔片2一般采用铜板或钢板，其中弯卷部5由锉刀冲压或激光切割弯折机将箔片沿矩形长度方向受热弯卷而成，保证各级间弯卷半径不同，切割后含有矩形通孔的底箔与弯卷部5相连，起固定元件、均衡轴向力和流通散热的作用。为防止启、停时由于气膜还未形成转子与止推轴承间发生干摩擦，出现摩擦损毁，可在平箔片表面加涂层以达到润滑效果。

布置方法及固定方法：箔片采用分段分条布置，改善轴承自对中性及装配时的预紧力。为将弹性支承组件更好地固定在轴承座9上，产生气隙保证轴承高速旋转，弹性筒箔片组件被分隔为至少三个周向均布的扇形，轴承座9上端面分隔处加工有楔形槽，扇形弹性筒箔片2一端被螺钉固定在槽内，另一端随轴的旋转方向布置且不固定，有效抑制转子的不稳定涡动。同时也可将扇形弹性筒箔片2加工成条状依次分段固定在楔形槽内，能更好地适应转子的不对中及止推盘的扭曲变形。

本申请提供的多级弹性支撑机构，通过弯卷部5的双侧面接触，降低了转子的启动摩擦力矩，减小了转子和轴承表面的摩擦损伤，在小摩擦力矩下，库伦阻力小便于滑移；在主轴转动过程中，结构阻尼小能量损耗小；阻尼作用可以使弯卷部5只发生径向变形，也可以既变形又滑移以增强轴承的稳定性，适应微小尺寸变化与更大范围的承载力。弯卷部5由裁剪出的矩形钢板或铜板多层弯卷而成，相当于拱径不同的弯卷叠放在一起。各层弯卷部拱径大的弯卷刚度最小，其余各级刚度依次增大。在较小的轴承载荷下，最顶层弯卷最先变形，当载荷大到一定值时，与下一级弯卷相接触，分级承担刚度与载荷。载荷越大，产生弹性变形的层数越多，轴承的结构刚度越大。弹性筒箔片2上含有相互独立的壳型凸起与弯卷后的通孔4，通过改变弯卷部5布置方式、位置等改变轴承内气体流通性能，增加绕流增大换热面积，更有利于长时间承载后的热量散失，进一步提高运行性能。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种多级弹性支撑机构，其特征在于：包括依次排列的平箔组件和弹性筒箔片组件，所述平箔组件包括若干平箔(1)，所述弹性筒箔片组件包括若干弹性筒箔片(2)；

所述弹性筒箔片(2)包括弹性筒表面(3)，所述弹性筒表面(3)上设置有若干通孔(4)，所述通孔(4)与弯卷部(5)一侧相连接，所述弯卷部(5)呈凸起状，所述弯卷部(5)为多层弯卷。

2.如权利要求1所述的多级弹性支撑机构，其特征在于：所述弯卷部(5)另一侧与平箔(1)相接触。

3.如权利要求1所述的多级弹性支撑机构，其特征在于：所述弯卷部(5)排布方式包括径向顺排、径向叉排、周向顺排或周向叉排。

4.如权利要求1所述的多级弹性支撑机构，其特征在于：所述平箔(1)为扇形，所述平箔(1)的数量为三个或者三个以上，所述平箔组件横截面为圆环状；所述弹性筒箔片(2)为扇形，所述弹性筒箔片(2)的数量为三个或者三个以上，所述弹性筒箔片组件横截面为圆环状。

5.如权利要求1～4中任一项所述的多级弹性支撑机构，其特征在于：所述弯卷部(5)与所述通孔(4)固定连接。

6.如权利要求5所述的多级弹性支撑机构，其特征在于：所述通孔(4)呈长方形。

7.如权利要求6所述的多级弹性支撑机构，其特征在于：所述平箔(1)上设置有第一连接板(6)，所述第一连接板(6)与所述平箔表面一端相连接，所述平箔表面另一端自由；所述弹性筒箔片(2)上设置有第二连接板(7)，所述第二连接板(7)与所述弹性筒表面(3)一端相连接，所述弹性筒表面(3)另一端自由。

8.一种动压气体止推轴承，其特征在于：包括所述多级弹性支撑机构和轴承座(9)，所述多级弹性支撑机构通过卡槽(10)与所述轴承座(9)相连接，所述卡槽(10)设置于所述轴承座(9)上。

9.如权利要求8所述的动压气体止推轴承，其特征在于：所述多级弹性支撑机构通过定位元件(12)与所述卡槽(10)固定连接。

10.如权利要求9所述的动压气体止推轴承，其特征在于：所述固定方式包括销钉定位和焊条焊接。