一种包含自适应阻尼器的空气轴承的制作方法

本发明涉及轴承技术领域，具体涉及一种包含自适应阻尼器的空气轴承。

背景技术：

非接触式轴承，由于其摩擦系数和摩擦力矩小、运动精度高等特点，在一些高转速的场合使用越来越普遍。但是相比于接触式的机械轴承，非接触式轴承的轴承间隙很小，加工难度较高。

例如，对于非接触式的径向轴承，其轴承与定子之间的间隙很狭小，这就要求定子和轴承均具有很高的加工精度和装配精度，否则很容易产生碰撞、卡死现象，对轴承造成磨损和损坏。

在非接触式轴承，如空气轴承刚启动时，轴承和转子之间的空气是被压缩状态，存在压力，当转子不平衡力产生的激振频率与转子及其支承系统的固有频率一致时会引起共振，共振轻则造成系统噪音、振动严重，重则零部件报废。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种包含自适应阻尼器的空气轴承，其可解决轴承和定子之间碰撞、卡死、如何调节阻尼及消除共振的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种包含自适应阻尼器的空气轴承，用于安装于转轴和定子之间，所述空气轴承和定子之间套设有空心的筒状中间连接件，所述空气轴承和中间连接件之间设置至少一个第一阻尼器，所述中间连接件和定子之间设置至少一个第二阻尼器。

进一步的，所述第一阻尼器或第二阻尼器为具有弹性的o型环、空心圆柱形橡胶阻尼器、金属阻尼器中的一种。

进一步的，所述第一阻尼器为具有弹性的o型环，所述第二阻尼器为金属阻尼器；

所述空气轴承的外壁上设置环形气腔，所述环形气腔两侧分别环绕轴承外壁开设至少一个容置槽，所述容置槽内设置所述o型环，所述o型环环向套于容置槽内、且高于所述容置槽；所述o型环的顶部支撑中间连接件的内壁；

所述金属阻尼器包括箔片，所述箔片包括至少一个凸起部和支撑部，所述箔片的凸起部和支撑部分别支撑中间连接件外壁和定子内壁。

进一步的，所述中间连接件与定子之间设有轴向限位件；

所述轴向限位件为销钉，所述销钉一端固定于中间连接件外壁，穿过所述箔片，另一端设置在定子外，且与定子外壁之间留有间隙。

进一步的，所述o型环未压缩时截面为圆形或矩形或梯形或椭圆形。

进一步的，所述转轴直径为20～30mm时，所述o型环线径为1.2～1.8mm，o型环内径a与容置槽外径b之间的比例关系为a/b＝0.7～0.85，o型环的径向压缩量为0.25～0.35mm，容置槽宽度c的值为1.7～1.8mm，容置槽外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.35mm。

进一步的，所述转轴直径为30～50mm时，所述o型环线径为1.3～2mm，o型环内径a与容置槽直径b之间的比例关系为a/b＝0.7～0.85，o型环的径向压缩量为0.25～0.35mm，容置槽宽度c的值为1.7～1.8mm，容置槽外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.35mm；

或者，所述o型环线径为2mm，o型环内径a与容置槽外径b之间的比例关系为a/b＝0.6～0.85，o型环的压缩量为0.15～0.4mm，容置槽宽度c的值为2.2～2.3mm，容置槽外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.5mm。

进一步的，所述转轴直径为36～50mm时，所述o型环线径为2～3.5mm，o型环内径a与容置槽外径b之间的比例关系为a/b＝0.6～0.9，o型环径向压缩量为0.2～0.5mm，容置槽宽度c的值为2.7～2.9mm，容置槽外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.5mm。

进一步的，所述环形气腔一侧的o型环径向厚度大于环形气腔另一侧的o型环径向厚度。

进一步的，所述空气轴承一侧的轴承外壁外径大于另一侧的轴承外壁外径，对应的，所述空气轴承一侧的o型环及容置槽的内径和外径大于另一侧的o型环及容置槽的内径和外径。

进一步的，所述o型环材质为橡胶或金属橡胶。

本发明的有益效果：

1、本发明的空气轴承结构，可以在不改变空气轴承结构与尺寸的情况下，使定子与空气轴承之间的配合间隙自动匹配，其可解决轴承和定子之间碰撞、卡死、如何调节阻尼及消除共振的技术问题：例如，当本发明第一阻尼器为o型环时能够通过形变调整空气轴承和空心圆柱形压筒之间的距离，进而调整空气轴承和转轴之间的距离；第二阻尼器为金属阻尼器时能够通过变形调节空心圆柱形压筒和定子之间的距离，进而调整空气轴承和空心圆柱形压筒之间的距离，进而调整空气轴承和转轴之间的距离。

2、本发明的第一阻尼器为o型环时能够起到封气作用，在静压轴承中作用非常大，可以保证外界的供气可以通过节流孔进入轴承内，且能够保持一定的供气压力不至于泄露。

3、本发明的阻尼器可以通过自身的形变吸收振动能量，安装合适的阻尼器可以将转子振动和涡动(转子自身导致的振动，比如因为动平衡问题或者通过临界转速导致的振动)完全吸收或大部分吸收，帮助转子顺利度过临界转速或者降低动平衡等级要求，或者在外界有干扰振动的时候能够起到减震作用，保持转子和轴承之间的不碰撞，起到保护作用。

4、空气轴承因为工作间隙很小，所以对同轴度要求极高，因此对加工要求极高，当空气轴承开始工作的时候，转子和轴承之间是有一定的压力的，当阻尼器设计与选型合适，轴承内的空气压力高于阻尼器变形压力的时候，转子就可以自动校正同轴度，因此，阻尼器大大降低了空气轴承对同轴度的要求，也即降低了对加工设备和加工工艺的要求，大大降低了生产成本；

当静压轴承开启时，由于轴承和转子间的刚度较高，导致轴承强制性地与转子保持了同轴，而与定子之间的公差，靠阻尼器的压缩量抵消了，这样可以不必人为地在精加工层面强行保证同轴度和圆度，大幅降低了轴承的加工精度要求和难度。

5、本发明中，转子通过力的相互作用将力传递给阻尼器，阻尼器通过自己的变形将转子共振的能量吸收，使得振动能量减少，帮助转子快速通过共振模态。

6、采用本发明的阻尼器制造一个浮动平台(浮台效应)，使其不光可以沿着与定、转子同轴的方向平移，还可以自由的翘动。轴承和定子之间的间隙大于轴承和转子之间的间隙，同时轴承和定子间的支撑刚度比轴承和转子之间的支撑刚度低很多，2个轴承位于定子上的同轴度或圆度等精度因工艺条件原因不可能完全同轴，在静态状态下转子-轴承-定子之间事实上是卡住的，这种状态实现了当转子不需要旋转时就可以自锁的功能，避免例如在运输过程中受到外部振动而使转子反复磕碰轴承，大幅提高了系统的静态可靠性和总寿命。

附图说明

图1为自适应阻尼器的结构示意图；

图2为空气轴承上设有o型环的一种实施例结构示意图；

图3为空气轴承上设有o型环的另一种实施例结构示意图；

图4为空气轴承上设有o型环的再一种实施例结构示意图；

图5为o型环的尺寸说明示意图；

图6为空气轴承支撑臂直径不同时的阻尼器结构示意图；

图7为空心圆柱形橡胶阻尼器的安装结构示意图；

图8为自适应阻尼器的具体结构示意图；

图9为不同阻尼作用下转子转速和振动频率的关系图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种包含自适应阻尼器的空气轴承。

空气轴承1和定子之间套设一中间连接件83，所述空气轴承1和中间连接件83之间设置至少一个第一阻尼器81，中间连接件83和定子之间设置至少一个第二阻尼器82。

第一阻尼器81或第二阻尼器82为具有弹性的o型环2、空心圆柱形橡胶阻尼器4、金属阻尼器中的一种。则包含了以下九种实施方式：

(1)所述第一阻尼器81为o型环2，所述第二阻尼器82为o型环2：在空气轴承1外壁和中间连接件83的外壁均开设容置槽12，并在容置槽12内嵌套o型环2。

(2)所述第一阻尼器81为空心圆柱形橡胶阻尼器4，第二阻尼器82为o型环2：在中间连接件83的内壁固定有轴承座，所述轴承座两头凸起、中间凹陷，所述空心圆柱形橡胶阻尼器4嵌套于轴承座的中间凹陷部内；中间连接件83的外壁开设容置槽12，并在容置槽12内嵌套o型环2。

(3)所述第一阻尼器81为金属阻尼器，特别是金属箔片阻尼器5，第二阻尼器82是o型环2：所述金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部和支撑部；所述金属箔片阻尼器5的凸起部和支撑部分别支撑空气轴承1外壁和中间连接件83内壁，中间连接件83的外壁开设容置槽12，并在容置槽12内嵌套o型环2。

(4)所述第一阻尼器81为o型环2，第二阻尼器82为空心圆柱形橡胶阻尼器4：空气轴承1外壁开设容置槽12，并在容置槽12内嵌套o型环2；定子内固定有轴承座，所述轴承座两头凸起、中间凹陷；所述空心圆柱形橡胶阻尼器4嵌套于轴承座的中间凹陷部内。

(5)所述第一阻尼器81和第二阻尼器82均为空心圆柱形橡胶阻尼器4：定子和中间连接件83内壁均固定有轴承座，所述轴承座两头凸起、中间凹陷；所述空心圆柱形橡胶阻尼器4嵌套于轴承座的中间凹陷部内。

(6)所述第一阻尼器81为金属阻尼器，特别是金属箔片阻尼器5，第二阻尼器82是空心圆柱形橡胶阻尼器4：所述金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部和支撑部，所述金属箔片阻尼器5的凸起部和支撑部分别支撑空气轴承1外壁和中间连接件内壁；定子内固定有轴承座，所述轴承座两头凸起、中间凹陷，所述空心圆柱形橡胶阻尼器4嵌套于轴承座的中间凹陷部内。

(7)所述第一阻尼器81为o型环2，第二阻尼器82为金属阻尼器，特别是金属箔片阻尼器5：空气轴承1外壁开设容置槽12，并在容置槽12内嵌套o型环2；所述金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部和支撑部，所述金属箔片阻尼器的凸起部和支撑部分别支撑中间连接件83外壁和定子内壁。

(8)所述第一阻尼器81为空心圆柱形橡胶阻尼器4，第二阻尼器82为金属阻尼器，特别是金属箔片阻尼器5：在中间连接件83的内壁固定有轴承座，所述轴承座两头凸起、中间凹陷，所述空心圆柱形橡胶阻尼器4嵌套于轴承座的中间凹陷部内；所述金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部和支撑部，所述金属箔片阻尼器5的凸起部和支撑部分别支撑中间连接件83外壁和定子内壁。

(9)所述第一阻尼器81、第二阻尼器82为金属阻尼器，特别是金属箔片阻尼器5：所述第一阻尼器81的金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部和支撑部，其凸起部和支撑部分别支撑空气轴承外壁和中间连接件82内壁；所述第二阻尼器82的金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部和支撑部，其凸起部和支撑部分别支撑中间连接件83外壁和定子内壁。

进一步地，金属箔片阻尼器5为一片式波纹状结构，以上金属箔片阻尼器5的凸起部和支撑部的所述“支撑”的方式为固定。例如：其凸起部51和支撑部52分别固定于空心圆柱形压筒6外壁和定子内壁上。

对于上述实施例中的各种情况，通过中间连接件83的设置，可以在不改变空气轴承1结构与尺寸的情况下，使定子与空气轴承1之间的配合间隙自动匹配。

作为优选，所述中间连接件83为空心圆柱形压筒。

为防止中间连接件83发生轴向窜动，可将中间连接件83与定子及空气轴承1进行轴向限位，以保证中间连接件83在轴向限位的同时可在径向传递形变力，起到调节阻尼的作用。

本发明实施例还提供有自适应弹性材料阻尼器结构，即o型环2结构。

具体是，空气轴承1的外壁上设置环形气腔11，所述环形气腔11两头分别环绕轴承外壁开设至少一个容置槽12，所述容置槽12内设置o型环2，该o型环2环向套于容置槽12内、且高于所述容置槽12。

o型环2的位置可以根据结构设计的具体要求确定。

如图2所示，为本发明提供的o型环2设置方式的一种实施例。本实施例中，在空气轴承1的两侧边缘各设置一个o型环2，可以同时起到封气作用和减震阻尼作用，同时也能够降低同轴度要求。具体地，图2为对称设置的空气轴承1，环形气腔11两头各设置一个o型环2。环形气腔11通过气孔(图中未示出)连通转轴与空气轴承之间的间隙。

如图3所示，为本发明提供的o型环2设置方式的另一种实施例。本实施例中，为不对称设置的空气轴承1，环形气腔11两头分别设置一个和两个o型环2。

如图4所示，为本发明提供的o型环2设置方式的再一种实施例。本实施例中，为对称设置的空气轴承1，环形气腔11两头各设置两个o型环2。

优选的，o型环2未压缩时截面可为圆形，也可以是矩形、梯形、椭圆形等。

图5所示的o型环2截面为圆形，压缩后变为椭圆形。根据该图所示：

对于转轴3直径20～30mm的空气轴承1，可使用线径1.2～1.8mm的o型环2，o型环2内径a与容置槽12外径b之间的比例关系a/b＝0.7～0.85，o型环2的径向压缩量为0.25～0.35mm，容置槽12宽度c的值为1.7～1.8mm。容置槽12外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.35mm之间，该间隙的大小与机器要求转子3的径向振动幅值大小有关，间隙越小，转轴3的径向振动幅值越小，间隙越大，转轴子3的径向振动幅值越大。

对于转轴3直径30～50mm的空气轴承1，可以使用线径1.3～2mm的o型环2，o型环2内径a与容置槽12直径b之间的比例关系a/b＝0.7～0.85，o型环2的径向压缩量为0.25～0.35mm，容置槽12宽度c的值为1.7～1.8mm。容置槽12外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.35mm。也可以使用线径2.0mm的o型环2，o型环2内径a与容置槽12外径b之间的比例关系a/b＝0.6～0.85，o型环2的压缩量为0.15～0.4mm，容置槽12宽度c的值为2.2～2.3mm。容置槽12外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.5mm之间。

对于转轴3直径36～50mm的空气轴承1，可以使用线径2～3.5的o型环2，o型环2内径a与容置槽12外径b之间的比例关系大概在a/b＝0.6～0.9，o型环2径向压缩量为0.2～0.5mm,容置槽12宽度c的值为2.7～2.9mm。容置槽12外侧高度与定子之间的间隙d为0.1～0.5mm之间。

进一步地，本发明实施例还提供了调节阻尼大小的方式。

1、改变o型环数量

在一些特殊场合下，比如根据转子动力学要求需要增加阻尼的情况下，可以在轴承的相关位置设置多个o型环2(参见图3、4)(o型环2的个数与o型环2提供的阻尼正相关)，提高该轴承的阻尼特性。

2、改变o型环直径

(1)两侧o型环2径向厚度增加：同时增大两侧o型环2外径，可以使o型环2压缩量增加，提高其阻尼。

(2)只增加单侧o型环2径向厚度：只增大单侧o型环2外径，这样在同一直径定子的作用下，当非扩大侧的o型环2被正常压缩时，扩大侧o型环2被压缩的量大于非扩大侧，可以提高其阻尼。

(3)两侧o型环2径向厚度均不变：参见图6，增大空气轴承1的单侧支撑臂外径，扩大单侧o型环2及容置槽12的内径和外径，这样在同一直径定子的作用下，当非扩大侧的o型环2被正常压缩时，扩大侧o型环2被压缩的量大于非扩大侧，可以提高阻尼。反之，则可以减小阻尼。

3、改变o型环轴向长度

由于o型环2轴向长度增大，其与定子之间压缩的体积也增大，可以提高其阻尼。当轴向长度足够大时，o型环2会转变为圆柱环，可以得到空心圆柱形橡胶阻尼器4：

如图7所示，在空气轴承1和空气轴承座之间设置一圈空心圆柱形橡胶阻尼器4，空心圆柱形橡胶阻尼器4的厚度和材料需要根据轴承性能来设计。空心圆柱形橡胶阻尼器4选取不同的厚度和不同的选材时能够产生不同的刚度阻尼特性。

优选地，本实施例还包括轴承座13，空心圆柱形橡胶阻尼器4固定在空气轴承1的轴承座13内，轴承座13固定在定子内壁。

本发明上述实施例中，o型环2或空心圆柱形橡胶阻尼器4材质为橡胶或金属橡胶。具体地，橡胶可选丁晴橡胶、氟胶、硅胶，优选氟胶。

本发明实施例还提供有自适应金属阻尼器结构。

如图8所述，金属阻尼器采用金属箔片阻尼器5。

具体的是，空气轴承1的外壁上设置环形气腔11，所述环形气腔11两头分别环绕轴承外壁开设至少一个容置槽12，所述容置槽12内设置o型环2，该o型环2套于容置槽12内、且高于所述容置槽12；定子内套设金属阻尼器，空气轴承1设置在金属阻尼器内，且空气轴承1上的o型环2和金属阻尼器之间存在空隙，所述金属阻尼器为金属箔片阻尼器5。

本实施例中，所述金属箔片阻尼器5包括至少一个凸起部51和支撑部52。

参见图8，由外向内依次为相互嵌套的定子、金属箔片阻尼器5和空心圆柱形压筒6，空心圆柱形压筒6内设置空气轴承1，空气轴承1内套设转轴3，空气轴承1的外壁上设置环形气腔11，所述环形气腔11两头分别环绕轴承外壁开设至少一个容置槽12，所述容置槽12内设置o型环2，该o型环2设置于容置槽12内、且高于所述容置槽12，金属箔片阻尼器5的凸起部51和支撑部52别支撑空心圆柱形压筒6外壁和定子内壁。

本实施例中，o型环2能够通过形变调整空气轴承1和空心圆柱形压筒6之间的距离，进而调整空气轴承1和转子3之间的距离；金属箔片阻尼器5能够通过变形调节空心圆柱形压筒6和定子之间的距离，调整空气轴承1和空心圆柱形压筒6之间的距离，进而调整空气轴承1和转子3之间的距离。

为防止金属箔片阻尼器5和空心圆柱形压筒6发生轴向窜动，可将金属箔片阻尼器5与定子及空心圆柱形压筒6进行轴向限位。

优选地，该限位方式为销钉连接，以保证金属箔片阻尼器5在轴向限位的同时可在径向发生变形、起到阻尼器作用。具体地，所述销钉7沿某一横截面均布设置为一圈。销钉7一头固定在空心圆柱形压筒6外壁，穿过金属箔片阻尼器5，另一头钉帽设置在定子外，且与定子外壁之间留有间隙。

本发明上述实施例中所提供的阻尼器，具有如下特点：

上述实施例的阻尼器应用于空气轴承1，在转轴3上套设空气轴承1，空气轴承1外部套设定子，空气轴承1和定子之间通过弹性材料变形/结构变形起到阻尼作用。

在空气轴承1启动前，阻尼器靠近定子顶部的部分与定子之间存在间隙、位于定子底部的部分由于重力作用与定子接触、挤压变形。

在空气轴承1启动前，阻尼器靠近定子顶部的部分与定子之间存在间隙、位于定子底部的部分由于重力作用与定子接触、挤压变形。

在空气轴承1刚启动时，空气轴承1和转轴3之间的空气是被压缩状态，存在压力f1。阻尼器形变力f2。即将达到共振模态的时候，转轴3会向轴承靠近，导致f1剧烈上升，使得f1>>f2。当f1>f2时，阻尼器会发生变形，使得轴承“主动”向着转轴3运动的方向移动，“躲开了”转轴3，避免了碰撞。转轴3通过力的相互作用将力传递给阻尼器，阻尼器通过自己的变形将转轴3共振的能量吸收，使得振动能量减少，帮助转轴3快速通过共振模态。

阻尼器在转轴3振动时，还能起到吸收转轴3振动能量的作用。并且当有转轴3偏心发生的情况下，由于轴承可以在一定范围内活动，可以最大程度上避免转轴3与轴承直接碰撞。转轴3在碰到轴承前，轴承会“主动”先往转轴3运动的方向移动一段距离，躲开了与转轴3的碰撞。这种协动的特性非常有助于转轴3快速通过共振模态。

图9显示了不同阻尼下的振动频率。其中，横坐标rpm代表转轴3转速，纵坐标amp代表振幅，曲线c0为无阻尼状态，曲线c1、c2、c3的阻尼由小到大。可见随着阻尼的增大，转轴3在c3情况下通过临界转速时最平稳。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。