复合型径向箔片气体轴承的制作方法

1.本公开涉及气体轴承领域，尤其是一种复合型径向箔片气体轴承。


背景技术：

2.箔片气体轴承是一种采用弹性支承结构的动压气体轴承，由于其利用楔形气膜的动压效应来为转子提供承载力，因此无需外接气源，具有转速高、摩擦损耗低、维护成本低以及能够在高低温环境下使用等优点，在氢燃料电池空压机、空气悬浮离心鼓风机、飞机环控系统和微型燃气轮机等高速旋转机械中悠着广泛的应用。
3.箔片气体轴承本质上是利用顶层箔片与转子间楔形气膜的动压效应来产生周向的压差从而支承转子高速运行的，周向的楔形压缩气膜可以给转子自重提供支承载荷。由于楔形压缩气膜的压力分布不均匀，降低了气体轴承的承载能力。


技术实现要素：

4.鉴于以上内容，有必要提供一种复合型径向箔片气体轴承，可以改善气体轴承的承载能力。
5.为此，本公开提供了一种复合型径向箔片气体轴承，包括：
6.轴承座，包括轴承孔；
7.底层箔片，套设于所述轴承孔并且与所述轴承孔的内壁接触；
8.上层箔片，整体式套设于所述轴承孔，用于承载转子；
9.支承波箔，包括配置于所述底层箔片和所述上层箔片之间的波箔片，所述波箔片的刚度对应于所述转子形成的压缩气膜对所述波箔片施加的载荷。
10.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述波箔片包括多组波状凸起，所述波状凸起包括沿径向方向弯曲的第一支承片和第二支承片，每组所述波状凸起的所述第一支承片和第二支承片的曲率对应于所述波状凸起所在位置的刚度。
11.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述第一支承片和第二支承片的沿径向方向弯曲的方向相反，所述第一支承片与所述上层箔片接触，所述第二支承片与所述底层箔片接触。
12.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述支承波箔包括多个沿圆周方向配置的所述波箔片，所述波箔片沿所述转子的转动方向依次包括自由端和固定端，所述固定端连接所述轴承座，所述自由端沿所述轴承孔的圆周方向延伸。
13.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述波箔片包括连接部和支承部；所述连接部沿圆周方向的一侧连接多个所述支承部，另外一侧连接所述轴承座，并且中部的支承部的轴向长度大于端部的支承部的轴向长度。
14.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述波箔片包括气膜收敛段和沿圆周方向连接所述气膜收敛段的气膜发散段；
15.所述气膜收敛段的第一支承片和第二支承片的径向高度沿转子的转动方向递增；
所述气膜发散段的第一支承片和第二支承片的径向高度沿转子的转动方向递减。
16.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述气膜收敛段的圆心角x和所述气膜发散段的圆心角y满足：γ＝y/x，且0《＝γ《＝0.4；
17.其中，γ为角系数。
18.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述气膜收敛段的外端的高度为h1，所述气膜收敛段和气膜发散段连接处的高度为h2，所述气膜发散段的外端的高度为h3；
19.所述高度h1和高度h2满足：入口高度差δ1＝h2-h1，且0.05mm《＝δ1《＝0.5mm；
20.所述高度h2和高度h3满足：出口高度差δ2＝h2-h3，且0《＝δ2《＝0.5mm。
21.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述上层箔片包括顶层箔片和中间箔片，顶层箔片和中间箔片整体式与所述轴承孔同轴地嵌入所述轴承孔，并且所述中间箔片位于所述顶层箔片和所述支承波箔之间。
22.根据所述的复合型径向箔片气体轴承，所述轴承孔设有开口沿径向方向延伸的槽体，所述槽体的开口沿所述轴承孔的径向方向延伸；所述底层箔片设有沿径向贯通的通孔；
23.所述顶层箔片采用整体成型的方式卷绕成相同曲率的弧形箔片，两端设有固定凸起，所述固定凸起嵌入所述槽体内，致使所述顶层箔片沿圆周方向整体式嵌入所述轴承孔；
24.所述波箔片的固定端设有固定凸起，所述固定凸起穿过所述通孔嵌入所述槽体内以沿圆周方向固定所述波箔片。
25.相较于现有技术，上述的复合型径向箔片气体轴承的波箔片采用变刚度结构设计，根据转子在高速转动形成的压缩气膜向波箔片施加的载荷来设置波箔片的刚度，在载荷较大的区域对应设置波箔片的刚度也较大，而对应于载荷较小的区域对应设置较小的刚度，从而整体上可以提高气体轴承的承载能力。
附图说明
26.为了更清楚地说明具体实施方式，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是复合型径向箔片气体轴承的结构示意图。
28.图2是复合型径向箔片气体轴承横向剖面结构示意图。
29.图3是轴承座的结构示意图。
30.图4是底层箔片的结构示意图。
31.图5是上层箔片的结构示意图。
32.图6是支承波箔的结构示意图。
33.图7是波箔片的结构示意图。
34.图8是波箔片的波高变形示意图。
35.图9是气体轴承运转时周向气膜压力分布和上层箔片变形的示意图。
36.主要元件符号说明
[0037][0038][0039]
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本公开。
具体实施方式
[0040]
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。
[0041]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施
方式的目的，不是旨在于限制本公开。
[0042]
在各实施例中，为了便于描述而非限制本公开，本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
[0043]
图1是复合型径向箔片气体轴承的结构示意图，图2是复合型径向箔片气体轴承横向剖面结构示意图。如图1和图2所示，复合型径向箔片气体轴承包括轴承座10、底层箔片30、支承波箔50和上层箔片40。底层箔片30、支承波箔50和上层箔片40依次设置于轴承座10内，用于承载转子20高速转动。
[0044]
图3是轴承座10的结构示意图。如图2和图3所示，轴承座10大体呈柱状结构，具有一沿轴向方向贯通的轴承孔14，转子20可以安装至该轴承孔14内，相对轴承座10高速转动。为了安装其他气体轴承的其他部件，本实施方式中，复合型径向箔片气体轴承还包括槽体12。槽体12设置于轴承孔14的内壁，数量为四个。槽体12沿轴承孔14的轴向方向贯通，并且开口沿所述轴承孔14的径向方向延伸，用于固定卡接上层箔片40，也可以用于固定支承波箔50。本领域技术人员可以根据需要设置槽体12的宽度，以便于安装和嵌入上层箔片40和支承波箔50。
[0045]
为了沿轴向方向固定底层箔片30、支承波箔50和上层箔片40，如图1和图3所示，轴承座10的轴向方向的两端分别设有有环形的卡槽15，在两端的卡槽15中分别卡接一卡环11，所述卡环11大体与所述轴承孔14同轴，用于对底层箔片30、支承波箔50和上层箔片40进行轴向限位。
[0046]
图4是底层箔片30的结构示意图。如图4所示，底层箔片30套设于所述轴承孔14并且与所述轴承孔14的内壁接触。具体的，底层箔片30采用整体式弯曲加工形成一弧形片，该弧形片的圆心角小于或者等于360度。底层箔片30的两端被折弯，形成一对固定凸起13。在安装时，将底层箔片30沿轴向方向插入轴承孔14；在插入轴承孔14时，固定凸起13分别对应于两个槽体12，并且嵌入槽体12内。这样，底层箔片30可以通过两端分别与两个槽体12卡接，起到沿圆周方向固定底层箔片30的作用。
[0047]
此外，底层箔片30还还包括多个对应于支承波箔50的通孔31，本实施方式中，通孔31为沿轴向方向延伸的长孔。底层箔片30的通孔31贯通底层箔片30的旋转面且对应于槽体12，与轴承孔14内壁的槽体12连通，用于安装支承波箔50。
[0048]
图5是上层箔片40的结构示意图。如图5所示，上层箔片40包括顶层箔片41和中间箔片42。顶层箔片41和中间箔片42采用整体式结构，与所述轴承孔14同轴地嵌入所述轴承孔14，并且所述中间箔片42位于所述顶层箔片41和所述支承波箔50之间。
[0049]
具体的，顶层箔片41采用整体成型的方式卷绕成与轴承孔14相同曲率的弧形箔片，所述顶层箔片41的两端折弯形成固定凸起13，两个所述固定凸起13分别嵌入两个所述槽体12内，致使所述顶层箔片41沿圆周方向整体式嵌入所述轴承孔14。安装时，中间箔片42和顶层箔片41采用预紧设计，在嵌入轴承孔14内时具有一定的预紧力，确保上层箔片40具有良好的贴合度。
[0050]
为减少转子20启动摩擦力矩和干磨损耗，提高气体轴承的启停寿命，所述顶层箔片41的朝向所述转子20的侧面附有耐磨涂层，所述耐磨涂层采用二硫化钼涂层或聚四氟乙
烯涂层中的一种或者组合形成，耐温一般不超过200℃，所述耐磨涂层的厚度为0.015～0.03mm。
[0051]
中间箔片42为具有与顶层箔片41相同曲率的弹性弧形片，包裹在顶层箔片41的外侧，并且与顶层箔片41同轴设置。类似的，中间箔片42的两端折弯，形成一对固定凸起13。两个所述固定凸起13分别与顶层箔片41一起嵌入两个所述槽体12内，致使所述中间箔片42沿圆周方向跟随顶层箔片41一起整体式嵌入所述轴承孔14。这样，中间箔片42可以通过两端分别与两个槽体12卡接，起到沿圆周方向固定中间箔片42的作用。
[0052]
图6是支承波箔50的结构示意图。如图6所示，支承波箔50包括多个沿圆周方向配置于所述底层箔片30和所述上层箔片40之间的波箔片51。通过多个波箔片50的组合使用，避免整体式波箔片的加工和组装难度高的问题，也有利于后期对气体轴承的维护和保养作业。
[0053]
具体的，波箔片51为波纹状弹性支承构件，位于底层箔片30和中间箔片42之间，波箔片51的两侧分别与底层箔片30和中间箔片42相接触，起到弹性支承上层箔片40的作用。
[0054]
为了安装所述波箔片51，所述波箔片51设置为整体弯曲形成的弧形箔片结构，波箔片51的一端折弯形成固定凸起13，另外一端沿圆周方向自由延伸。为了便于描述，具有固定凸起13的端部为固定端，沿圆周方向的另外一端为自由端。固定端的固定凸起13穿过底层箔片30的通孔31，嵌入轴承孔14的槽体12内，从而可以沿圆周方向固定波箔片51。自由端在底层箔片30和中间箔片42的空间内自由放置，所述波箔片51沿所述转子20的转动方向依次设置所述自由端和所述固定端，这样，支承波箔50的周向静刚度分布沿转子20旋转方向实现先增大后减小的分布结构，提高了气体轴承的低速承载能力，同时也降低了支撑波箔50的加工和安装难度。
[0055]
作为示例性的，本实施方式中，支承波箔50包括三个波箔片51，三个波箔片51沿圆周方向均匀配置于底层箔片30和上层箔片40之间，各波箔片51之间的圆周角为120
°
。但本领域技术人员还可以根据设计参数对支承波箔50沿周向分布的波箔片51的数量以及每一波箔片51的圆心角进行调整。其中，波箔片51的数量优选为2～12个，支承波箔50的每个波箔片51的波箔长度可以是相同的，但也可以是不同的，各波箔片51的设计参数可以是相同的，也可以是不同的。通过多个波箔片51在支承波箔50中组合使用，也提高了支承波箔50的灵活性，本领域技术人员可以根据需要设置不同的波箔片51进行组合使用，提高了支承波箔50的承载性能。
[0056]
图7是波箔片51的结构示意图。如图7所示，所所述波箔片51包括连接部512和支承部511。所述连接部512和所述支承部511至少之一包括多组波状凸起515，每组所述波状凸起515包括沿圆周方向相互连接的第一支承片513和第二支承片514。
[0057]
为了固定所述波箔片51，连接部512的沿圆周方向的相对支承部511的一侧设有两个固定凸起13，所述固定凸起13可以穿过底层箔片30的通孔31嵌入轴承座10的槽体12内，实现将连接部512固定连接轴承座10的作用。
[0058]
在轴向方向上，所述连接部512沿圆周方向的一侧连接多个所述支承部511，另外一侧连接所述轴承座10，并且中部的支承部511的轴向长度大于端部的支承部511的轴向长度。在图7示出的实施方式中，波箔片51包括四个支承部511，四个支承部511的圆周方向的一侧连接所述连接部512，相邻的两个支承部511之间具有一定的间隙，并且每个支承部511
的沿圆周方向的一侧均连接所述连接部512。在图7示出的实施方式中，波箔片51的中部有两个支承部511，轴向方向的两端部各具有一个支承部511。中部的两个支承部511的轴向长度大于端部位置的支承部511的轴向长度。通过将中部的支承部511的轴向长度加大，实现轴向静刚度分布呈现中间大两端小，这样，轴向的静刚度具有与该波箔片51对应气膜压力分布相似的分布规律，进一步提高轴承的性能。
[0059]
在圆周方向上，第一支承片513和第二支承片514为沿径向方向弯曲的弧形弹性构件。本实施方式中，所述第一支承片513和第二支承片514的曲率不同，所述第一支承片513和第二支承片514的凸起方向相反，所述第一支承片513的曲率小于所述第二支承片514，所述第一支承片513与所述上层箔片40接触，所述第二支承片514与所述底层箔片30接触。这样，第一支承片513和第二支承片514形成的波状凸起515类似两个不同刚度的弹簧叠加，可以根据该波状凸起515所在的位置设置第一支承片513和第二支承片514的曲率，使得该波状凸起515的刚度对应于该波状凸起515所在位置的刚度，实现整个波箔片51的变刚度设计。具体的，本领域技术人员可以通过有限次实验得到转子在高度转动过程中，在上层箔片40之间形成的压缩气膜向上层箔片40施加的载荷的大小，根据载荷的大小来设置波箔片51的波状凸起515的第一支承片513和第二支承片514的曲率，从而可以设置该处的波状凸起515的刚度，进而使得整个波箔片51的刚度对应于压缩气膜的载荷，即在载荷较大的区域对应设置波箔片51的曲率较小，刚度较大；而对应于载荷较小的区域对应设置波状凸起515的曲率较大，刚度较小，从而整体上可以提高气体轴承的承载能力。
[0060]
进一步，为了提高气体轴承的高度稳定性，本实施方式提供的波箔片51采用变波高设计，使得波箔片51的每个变波高的范围都能够形成一个对应的楔形的压缩气膜，从而可以提高气体轴承在高度转动过程中的高度稳定性。作为示例性的，本实施方式中，每个波箔片51设置一个变高度设计结构。但本领域技术人员也可以根据需要设置每个波箔片51产生的楔形的压缩气膜的数量，本技术对此不作限制。
[0061]
图8是波箔片51的波高变形示意图。如图8所示，通过对第一支承片513和第二支承片514的波状凸起515的径向高度的调整，实现波箔片51的变波高结构，在波箔片51上形成气膜收敛段和沿圆周方向连接所述气膜收敛段的气膜发散段，从而在转子20高速运转时可以形成一个对应的楔形的压缩气膜。
[0062]
具体的，所述波箔片51按照从自由端向固定端的波箔片51的高度采用先增大后减小的方式，将波箔片51对应的圆弧分成气膜收敛段和气膜发散段其中气膜收敛段段对应的圆心角为x，所述气膜收敛段的外端的高度为h1，所述气膜收敛段和气膜发散段连接处的高度为h2。气膜发散段的另外一端的高度为h3，对应的圆心角为y。
[0063]
为确保转子20高速运转稳定性，定义角系数γ＝y/x。申请人在实施本实施方式的过程中发现，将角系数γ设置为0《＝γ《＝0.4，能够在每片波箔片51形成尽可能大区域的楔形气膜，从而可以改善转子20高速运行的稳定性。
[0064]
此外，通过对波箔片51的高度调整，所述气膜收敛段的第一支承片513和第二支承片514的径向高度沿转子20的转动方向递增，所述气膜发散段的第一支承片513和第二支承片514的径向高度沿转子20的转动方向递减。在设计过程中，波箔片51的高度调整主要是通过控制参数h1、h2和h3来实现的，要求h2》h1，以及h2》h3。
[0065]
定义δ1＝h2-h1为波箔片51的入口高度差，入口高度差δ1决定了该波箔片51的楔形气膜动压效应的强弱程度，一般而言，入口高度差δ1越小，动压效应越强。发明人在实施本实施方式过程中发现，将入口高度差δ1设置为0.05mm≤δ1≤0.50mm，具有更好的动压效应。
[0066]
定义δ2＝h2-h3为波箔片51的出口高度差；出口高度差δ2决定了该波箔片51的楔形气膜发散效应的快慢程度，出口高度差δ2越大，发散效应越快，气膜压力下降越快。但发明人在实施本实施方式过程中发现，将出口高度差δ2设置为0《＝δ2《＝0.5mm具有更好的发散效应。
[0067]
请重新参阅图9，在转子20高速运转时，顶层箔片41与转子20间沿圆周方向形成多个楔形压缩气膜60，根据波箔片51的数量，每个波箔片51对应产生一个楔形压缩气膜。作为示例性的，气体轴承整周形成的三个压缩气膜60分别对应的气膜压力61、62和63分布如图9的阴影部分显示，其中，底部的楔形压缩气膜60具有的气膜压力62具有更大的气膜压力分布值，能够为转子20提供足够的承载力，顶部的两个楔形压缩气膜60对应的气膜压力62和63能够抑制转子20的振动，提高气体轴承高速运行的稳定性。
[0068]
因此，通过对波箔片51的变波高设计可以在波箔片51形成一对应的楔形压缩气膜；对应的，波箔片的高度也与波状凸起515的曲率正相关，即在波箔片51的高度较低的区域(两端的区域)，波状凸起515的第一支承片513和第二支承片514的曲率也较小，对应的刚度也较小，对应的，该区域的楔形气膜施加的载荷也较小；在波箔片51的高度较高的区域(中部的区域)，波状凸起515的第一支承片513和第二支承片514的曲率也较大，对应的刚度也较大，对应的，该区域的楔形气膜施加的载荷也较大。因此，为了能够调整波箔片51的波状凸起515具有合适的刚度值，可以根据波箔片51的跨距以及角系数γ的值来调整波箔片51的高度，直至波箔片51具有合适的刚度值。
[0069]
这样，通过对波箔片51的波状凸起515的第一支承片513和第二支承片514的曲率调整来设置波箔片51的高度，从而可以形成对应于波箔片51的楔形的压缩气膜，并且波箔片51的刚度值对应于楔形的压缩气膜的载荷分布，从而使得波箔片51既有较好的承载能力，又能改善气体轴承高速运转稳定性，获得一种兼顾承载力和高速稳定性的复合型径向箔片气体轴承。
[0070]
此外，如图9所示的a区所示，顶层箔片41和中间箔片42在气膜压力作用产生局部变形，由于支承波箔50的波箔片51采用变波高设计，顶层箔片41和中间箔片42产生的局部变形更加有利于楔形压缩气膜的形成，同时由于顶层箔片41和中间箔片42自身的刚度特性，该区域行程的楔形压缩气膜间隙能够根据转子20实际运行工况进行灵活调节，促使该气体轴承具有良好的自调节特性，提高了气体轴承的自适应性。此外，由于顶层箔片41和中间箔片42均为单片整体式结构，该结构能够有效提高轴承的启停寿命，规避了搭接型箔片气体轴承启停寿命偏少的问题。
[0071]
上述的复合型径向箔片气体轴承综合了传统的整周型波箔气体轴承和搭接型箔片气体轴承的优点，波箔片51采用变刚度和非等高设计，顶层箔片41采用整周式设计，既具有传统波箔气体轴承承载力大、摩擦阻尼好、启停寿命长的优点，同时还具备了搭接型箔片气体轴承超高速运转稳定性好、抗冲击能力强的优良特性。这样，通过将上层箔片40整体式套设于轴承孔14，从而可以提高气体轴承的低速承载力能力，
[0072]
而且，将支承波箔50设置波箔片51的刚度对应于所述转子形成的压缩气膜对所述波箔片施加的载荷曲率，实现支承波箔50的变刚度结构，从而可以提高气体轴承的承载能力。通过对波箔片51的变波高设计，在转子20高速转动过程中，可以在波箔片51处形成对应于波箔片51的楔形的压缩气膜，起到改善气体轴承高速运转稳定性不足的问题，同时，由于波箔片51通过曲率调整波箔片51的高度，在高度较高的区域的波状凸起515具有较大的曲率，而在高度较小的区域的波状凸起515具有较小的曲率，使得波箔片51的刚度对应于产生的楔形压缩气膜的载荷的分布，不仅可以实现支承波箔50的变刚度结构，还可以达到在气体轴承高速运转时，沿轴向具有多个楔形压缩气膜的效果，可以改善气体轴承高速运转稳定性不足的问题，获得一种能够兼顾承载力和高速稳定性的复合型径向箔片气体轴承。
[0073]
在本公开所提供的几个具体实施方式中，对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本公开内。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0074]
以上实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本公开的技术方案的精神和范围。