柔性动压气体止推轴承及其组装方法与流程

本发明涉及一种动压止推轴承，特别涉及使用柔性的平面表面作为轴承工作面的动压止推轴承及其组装方法。

背景技术：

动压气体轴承按照限制转子位移的方向不同，分为动压气体径向轴承与动压气体止推轴承，其中动压气体径向轴承限制转子径向位移并承担来自径向的载荷，而动压气体止推轴承限制转子轴向位移并承担来自轴向的载荷。动压气体轴承又可按照轴承表面为刚性或柔性，分为刚性表面动压气体轴承和柔性表面动压气体轴承，其中柔性表面动压气体轴承由于具有高速稳定性好、不易抱死、制造精度与装配精度要求低等优势，在高速及超高速回转机械中有广泛应用前景。

柔性表面动压气体轴承在工作时，在高速运转的转子表面与轴承表面之间形成动压气膜，由动压气膜分离转子与轴承表面因此消除接触摩擦，但在转子转速较低的启动阶段，转速不足以形成有效的动压气膜，从而使转子与轴承表面间存在接触摩擦，造成启动力矩大、转轴及转子工作面磨损。工程上可用的柔性表面动压气体轴承需要具有较低的启动阻力矩和足够的启停次数寿命。

本发明涉及一种柔性动压气体止推轴承。柔性动压气体止推轴承采用多个垫片的结构设计，垫片的数量从4片到8片不等并按圆周方向均匀布满整个轴承工作表面。目前的柔性动压气体止推轴承的垫片都采用了有入口斜坡的结构设计，这种设计使止推盘与轴承工作表面间形成初始的楔形气膜，理论上有利于气体动压效应在气膜间隙入口附近的形成，并提高动压气体止推轴承的承载能力。然而，实际制造过程中发现由于入口斜坡的斜坡角度非常小且轴承表面为柔性而难以加工，使得加工出理想的入口斜坡结构非常困难。不理想的入口斜坡结构不仅不会增大轴承的承载能力，反而会造成轴承启动力矩大、局部磨损严重、难以起飞等诸多问题，进而影响到轴承的正常使用。

本发明在继承传统柔性止推动压气体轴承柔性的特征的基础上，提出无入口斜坡的平面表面柔性动压气体止推轴承，克服传统柔性动压止推轴承难以加工且性能不理想的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种柔性动压气体止推轴承，包括轴承座、连接在轴承座上的弹性支撑体和连接在弹性支撑体上的顶层平箔片，所述顶层平箔片由多个平箔片固定连接在弹性支撑体上以形成轴承工作面。

优选的是，所述弹性支撑体一体成型，其为橡胶、金属橡胶和波箔片中的任意一种；所述弹性支撑体的厚度0.5～3mm。

优选的是，在止推轴承工作时由动压效应自作用使所述顶层平箔片变形而产生入口斜坡。

优选的是，所述弹性支撑体与轴承座的连接方式为采用耐高温金属胶粘接连接。

优选的是，所述多个平箔片为4～10块扇形平箔片；所述平箔片的厚度为0.05～0.10mm；所述平箔片为弹性金属平箔片；所述弹性金属平箔片为铍青铜平箔片、65锰钢平箔片和GH145/GH4145高温弹性合金平箔片中的一种。

优选的是，所述平箔片上表面涂覆聚四氟乙烯涂层；所述平箔片与弹性支撑体的固定连接方式为采用耐高温金属胶粘接连接；所述平箔片与弹性支撑体的连接表面上采用喷丸粗糙化处理。

优选的是，所述轴承工作面可实现转子止推盘双向旋转。

本发明还提供一种上述的柔性动压气体止推轴承的组装方法，包括以下步骤：

步骤一、在轴承座上表面均匀的涂覆一层耐高温金属胶，并将弹性支撑体的下表面粘结在轴承座上，采用压合压强1～5MPa，压合10～15s进行压合，压合完成后放置12～24h；

步骤二、将将弹性支撑体的上表面进行喷丸粗糙化处理，喷丸为0.2-0.4mm粒径的白刚玉砂，喷射距离为50-80mm，喷射压力为0.3-0.6Mpa；在弹性支撑体的上表面均匀涂覆一层耐高温金属胶，并将多个平箔片粘接在弹性支撑体的上表面，采用压合压强1～5MPa，压合10～15s进行压合，压合完成后放置12～24h；

步骤三、在多个平箔片的上表面涂覆聚四氟乙烯涂层，放置12～24h，得到组装完成的柔性动压气体止推轴承。

优选的是，所述弹性支撑体为橡胶；所述橡胶的制备方法为：按重量份，将30～50份环氧橡胶和80～100份天然橡胶加入炼胶机中混炼10～30分钟，然后加入5～10份氧化锌、5～8份炭黑、5～8份碳酸钙、3～5份凹凸棒土和6～10份聚丙烯腈碳纤维，混合均匀，混炼1.5～3小时，再加入1～3份己二酸乙二醇酯、2～5份异噻唑啉酮、3～5份羟乙基纤维素、1～3份邻氨基苯甲酸甲酯、5～8份二甲基硅油、1～3份四苯基锡、3～5份三聚氰胺和3～5份聚乳酸，混炼30～60分钟，得到胶料，将胶料模压成型，得到一体成型的橡胶。

优选的是，所述耐高温金属胶的制备方法为：按重量份，依次将聚氨酯丙烯酸酯10～30份、F-51酚醛环氧树脂50～80份、甘油醚10～20份和液体羧基丁腈橡胶5～10份加入真空双行星搅拌机中，高速搅拌速率1500r/min±50r/min，低速搅拌速率50r/min±5r/min，真空度0.05～0.08MPa,时间60±2min，温度控制在60±5℃，搅拌分散均匀；再依次将二氧化硅5～8份、氧化锆3～5份、丙氨酸3～5份、1-丁基-3-甲基氯化咪唑3～5份、流平剂6～8份、3～5份三氧化二铬、硼酸锌1～3份和环烷酸铋1～3份加入，高速搅拌速率2000r/min±50r/min，低速搅拌速率80r/min±5r/min，真空度0.05～0.09MPa，时间120±5min,温度控制在30±5℃搅拌分散均匀；再加入异佛尔酮二胺5～8份、聚醋酸乙烯树脂5～8份、硅烷偶联剂6～8份和乙基丙烯酸丙酯3～5份，高速搅拌速率1500r/min±50r/min，低速搅拌速率50r/min±5r/min，真空度0.02～0.05MPa，时间60±2min，温度控制在25±5℃，搅拌分散均匀即得耐高温金属胶。

本发明提供了一种加工制造容易、且性能优异的柔性动压气体止推轴承，该动压气体止推轴承利用柔性表明自适应变形能力构建入口斜坡结构，使轴承充分继承了传统柔性动压气体止推轴承柔性表面特点的同时，使加工制造更为容易。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)平面的轴承工作面可由平面的平箔片直接形成，而平面的平箔片比带初始斜坡的顶箔片在加工方面容易许多，且表面形状精度容易保证；

(2)弹性支撑体为整体结构，省去分割为多个扇形结构所需的切割工艺步骤，使加工过程简化，同时整体的弹性支撑体粘接至轴承座上仅需要一次粘接步骤，比分割为多个扇形结构的弹性支撑体的多次粘接更为容易，且安装精度容易保证；

(3)本发明轴承的初始工作表面为平面，这意味着接触摩擦时轴承表面与转子表面接触面积更大，从而使轴承表面单位面积的接触应力更小，避免轴承出现局部严重磨损，使轴承获得更长的使用寿命；

(4)本发明轴承没有预先加工的入口斜坡结构，其入口斜坡是在轴承工作时自作用形成的，因此本发明轴承不限制转子止推盘的转向，即转子止推盘沿不同方向旋转，本发明轴承均能够正常工作，而传统的柔性动压气体轴承只允许转子止推盘沿一个方向旋转。

(5)本发明的动压气体止推轴承的柔性特征调整十分简单，可通过改变弹性支撑体弹性方便的调整轴承的刚度特性，以适应不同应用条件对轴承刚度的需求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明所述柔性动压气体轴承结构图；

图2为本发明柔性动压气体止推轴承与转子的位置关系结构图；

图3为本发明柔性动压气体轴承的工作原理图。

图1～图3中，1.顶层平箔片，2.弹性支撑体，3.轴承座，4.转子止推盘。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了本发明的一种柔性动压气体止推轴承，包括轴承座3、连接在轴承座3上的弹性支撑体2和连接在弹性支撑体2上的顶层平箔片1，其特征在于，所述顶层平箔片1由多个平箔片11固定连接在弹性支撑体2上以形成轴承工作；

图2示出了本发明的柔性动压气体止推轴承与转子的装配位置关系，在上述方案中，如图3所示，当转子止推盘4相对于顶层平箔片1形成的轴承工作面按图中逆时针方向运动时，左侧的轴承间隙边界为气膜入口，入口处的动压效应使轴承间隙右侧边界附近的气膜压力升高，右侧边界附近的顶层平箔片在气膜压力的作用下向下弯曲，形成入口斜坡。同理，当转子止推盘4相对于顶层平箔片1形成的轴承工作面1按图中顺时针方向方向运动时，右侧的轴承间隙边界成为气膜入口，右侧边界附近的顶层平箔片1在气膜压力的作用下向下弯曲，形成在右侧的入口斜坡。

在上述技术方案中，所述弹性支撑体为一体成型的圆环状，其为橡胶、金属橡胶和波箔片中的任意一种，所述弹性支撑体的厚度0.5～3mm；采用这种技术方案，能够选择不同结构和厚度的弹性支撑体来调节轴承的结构刚度。

在上述技术方案中，在止推轴承工作时由动压效应自作用使所述顶层平箔片变形而产生入口斜坡，采用无入口斜坡的平面表面柔性动压气体止推轴承，克服了传统柔性动压止推轴承难以加工且性能不理想的问题。

在上述技术方案中，所述弹性支撑体与轴承座的连接方式为采用耐高温金属胶粘接连接，采用这种技术方案，能够将弹性支撑体牢固的与轴承座连接，并且能够防止粘结后胶体在高温环境下易老化的问题。

在上述技术方案中，所述多个平箔片为4～10块扇形平箔片；所述平箔片的厚度为0.05～0.10mm，平箔片的大小根据轴承尺寸大小而定，有由弹性金属箔片剪裁成形而成，采用多个平箔片的方式有利于在止推轴承工作时使所述顶层平箔片变形而产生入口斜坡。

在上述技术方案中，所述平箔片为弹性金属平箔片；所述弹性金属平箔片为铍青铜平箔片、65锰钢平箔片和GH145/GH4145高温弹性合金平箔片中的一种，采用这些弹性金属平箔片有利于在止推轴承工作时使弹性金属平箔片变形而产生入口斜坡。

在上述技术方案中，所述平箔片上表面涂覆聚四氟乙烯涂层，涂覆聚四氟乙烯涂层作为固体润滑剂降低轴承启动时的摩擦力并减少平箔片磨损。

在上述技术方案中，所述平箔片与弹性支撑体的固定连接方式为采用耐高温金属胶粘接连接，能够将平箔片牢固的与弹性支撑体连接，并且能够防止粘结后胶体在高温环境下易老化的问题；所述平箔片与弹性支撑体的连接表面上采用喷丸粗糙化处理，以此提高平箔片与弹性支撑体间的粘接力。

在上述技术方案中，所述轴承工作面可实现转子止推盘双向旋转，由于本发明轴承没有预先加工的入口斜坡结构，其入口斜坡是在轴承工作时自作用形成的，因此本发明轴承不限制转子止推盘的转向，即转子止推盘沿不同方向旋转，本发明轴承均能够正常工作，而传统的柔性动压气体轴承只允许转子止推盘沿一个方向旋转。

本发明还提供一种上述的柔性动压气体止推轴承的组装方法，包括以下步骤：

步骤一、在轴承座上表面均匀的涂覆一层耐高温金属胶，并将橡胶弹性支撑体的下表面粘结在轴承座上，采用压合压强1MPa，压合10s进行压合，压合完成后放置12h；

步骤二、将橡胶弹性支撑体的上表面进行喷丸粗糙化处理，喷丸为0.2mm粒径的白刚玉砂，喷射距离为50mm，喷射压力为0.3Mpa；在弹性支撑体的上表面均匀涂覆一层耐高温金属胶，并将6个扇形平箔片粘接在橡胶弹性支撑体的上表面，采用压合压强1MPa，压合10s进行压合，压合完成后放置12h；所述扇形平箔片的厚度为0.05mm；所述平箔片为弹性金属平箔片；所述弹性金属平箔片为铍青铜平箔片；

步骤三、在6个扇形平箔片的上表面涂覆聚四氟乙烯涂层，放置12h，得到组装完成的柔性动压气体止推轴承。

在上述技术方案中，所述弹性支撑体为橡胶；所述橡胶的制备方法为：将50g环氧橡胶和100g天然橡胶加入炼胶机中混炼10分钟，然后加入5g氧化锌、6g炭黑、8g碳酸钙、4g凹凸棒土和8g聚丙烯腈碳纤维，混合均匀，混炼1.5小时，再加入1g己二酸乙二醇酯、2g异噻唑啉酮、5g羟乙基纤维素、3g邻氨基苯甲酸甲酯、8g二甲基硅油、3g四苯基锡、4g三聚氰胺和5g聚乳酸，混炼60分钟，得到胶料，将胶料模压成型，得到一体成型的橡胶。采用这种技术方案得到的橡胶，其弹性可以适应不同应用条件对轴承刚度的需求。

在上述技术方案中，所述耐高温金属胶的制备方法为：依次将聚氨酯丙烯酸酯20g、F-51酚醛环氧树脂60g、甘油醚10g和液体羧基丁腈橡胶10g加入真空双行星搅拌机中，高速搅拌速率1500r/min，低速搅拌速率50r/min，真空度0.08MPa,时间60min，温度控制在60℃，搅拌分散均匀；再依次将二氧化硅7g、氧化锆3g、丙氨酸3g、1-丁基-3-甲基氯化咪唑4g、流平剂7g、3g三氧化二铬、硼酸锌2g和环烷酸铋2g加入，高速搅拌速率2000r/min，低速搅拌速率80r/min，真空度0.06MPa，时间120min,温度控制在30℃搅拌分散均匀；再加入异佛尔酮二胺6g、聚醋酸乙烯树脂5g、硅烷偶联剂7g和乙基丙烯酸丙酯4g，高速搅拌速率1500r/min，低速搅拌速率50r/min，真空度0.02MPa，时间60min，温度控制在25℃，搅拌分散均匀即得耐高温金属胶。采用这种技术方案得到的耐高温金属胶，其能够将弹性支撑体牢固的与轴承座和平箔片连接，并且其耐高温性能优异，能够防止粘结后胶体在高温环境下易老化的问题。

本发明还提供一种上述的柔性动压气体止推轴承的组装方法，包括以下步骤：

步骤一、在轴承座上表面均匀的涂覆一层耐高温金属胶，并将橡胶弹性支撑体的下表面粘结在轴承座上，采用压合压强3MPa，压合12s进行压合，压合完成后放置24h；

步骤二、将橡胶弹性支撑体的上表面进行喷丸粗糙化处理，喷丸为0.3mm粒径的白刚玉砂，喷射距离60mm，喷射压力为0.5Mpa；在弹性支撑体的上表面均匀涂覆一层耐高温金属胶，并将6个扇形平箔片粘接在橡胶弹性支撑体的上表面，采用压合压强2MPa，压合12s进行压合，压合完成后放置24h；所述扇形平箔片的厚度为0.05mm；所述平箔片为弹性金属平箔片；所述弹性金属平箔片为65锰钢平箔片；

步骤三、在6个扇形平箔片的上表面涂覆聚四氟乙烯涂层，放置12h，得到组装完成的柔性动压气体止推轴承。

在上述技术方案，所述橡胶的制备方法为：按重量份，将40份环氧橡胶和90份天然橡胶加入炼胶机中混炼20分钟，然后加入8份氧化锌、6份炭黑、6份碳酸钙、4份凹凸棒土和8份聚丙烯腈碳纤维，混合均匀，混炼2小时，再加入2份己二酸乙二醇酯、3份异噻唑啉酮、4份羟乙基纤维素、2份邻氨基苯甲酸甲酯、6份二甲基硅油、2份四苯基锡、4份三聚氰胺和4份聚乳酸，混炼50分钟，得到胶料，将胶料模压成型，得到一体成型的橡胶。

在上述技术方案中，所述耐高温金属胶的制备方法为：按重量份，依次将聚氨酯丙烯酸酯20份、F-51酚醛环氧树脂60份、甘油醚15份和液体羧基丁腈橡胶8份加入真空双行星搅拌机中，高速搅拌速率1500r/min，低速搅拌速率50r/min，真空度0.06MPa,时间60min，温度控制在60℃，搅拌分散均匀；再依次将二氧化硅6份、氧化锆4份、丙氨酸4份、1-丁基-3-甲基氯化咪唑4份、流平剂7份、4份三氧化二铬、硼酸锌2份和环烷酸铋2份加入，高速搅拌速率2000r/min，低速搅拌速率80r/min，真空度0.06MPa，时间120min,温度控制在30℃搅拌分散均匀；再加入异佛尔酮二胺6份、聚醋酸乙烯树脂6份、硅烷偶联剂7份和乙基丙烯酸丙酯4份，高速搅拌速率1500r/min，低速搅拌速率50r/min，真空度0.03MPa，时间60min，温度控制在25℃，搅拌分散均匀即得耐高温金属胶。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。