一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承的製作方法
2023-09-11 16:19:45 2
本發明涉及空氣動壓軸承技術領域，具體涉及一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承。
背景技術：
空氣動壓箔片軸承是利用楔形效應，隨著轉速的升高由於氣體的粘性周圍環境中的氣體被拖入楔形中，轉速升到一定時楔形中的氣體氣壓增大到支承起轉子。常見的波箔型推力軸承如圖1所示，其中推力空氣箔片軸承頂箔一端固定於推力軸承座底板上，處於自由狀態的另外一端由頂箔與推力軸承座底板之間的波箔支承起來，頂箔兩端製造出高度差形成楔形。推力盤高速旋轉將周圍環境中的空氣拖入楔形中，隨著轉速升高楔形中氣壓不斷增大，當轉速升到一定時楔形中氣體氣壓增大到支承起推力盤。
氣體箔片軸承由於其耐高溫、轉速高、無油潤滑、摩擦損耗小等特點廣泛應用於空氣循環機、空壓機、微型燃氣輪機等渦輪機械中。但由於其承載能力有限，美國MITI公司提出一種雙波箔型箔片軸承。US005902049A示出了一種雙層波箔的空氣箔片徑向軸承來增大其承載能力。但在推力氣體箔片軸承中由於其瓣數多，製造過程中雙層波箔相對位置難以保證其精度，產生相對錯位。如圖2所示，雙波箔產生相對錯位後部分區域上下層間隙為h1,另一部分間隙為h2,上層波箔發生變形一部分先與下層波箔接觸，使得接觸區域波箔剛度遠大於上下層波箔未接觸區域，造成波箔剛度分布與氣膜所需支承剛度相悖，致使承載能力會受其製造精度的影響大打折扣。另外傳統推力箔片軸承楔形下面支撐剛度較小，在受到大推力作用後楔形變形嚴重，很大程度上減小了推力箔片軸承的承載能力。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有的技術不足，而提供解決多層波箔之間相對位置和大載荷下楔形變形嚴重的問題同時首次提出具有雙楔形的一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承。
本發明的推力空氣箔片軸承具有多層波箔，每一層波箔有多瓣，每一瓣都通過外圓箔片連接成一個整體以保證每一瓣之間的相對位置，每一層波箔的每一瓣都連接外圓環箔片，外圓環箔片上開有定位銷孔粗略定位於推力軸承座上，粗略定位的同時起到限位作用。下層波箔的每一瓣在圓周方向的尺寸都大於上層波箔，對齊每一層波箔的一端後另外一端由箔片的厚度造成高度差形成第一楔形。這樣即使波箔變形嚴重，但由于波箔箔片的厚度基本不變高度差依然存在避免楔形變形嚴重。波箔靠近每瓣對齊端一段區域波箔完全重合，這樣軸承各瓣分為三段區域——第一楔形區、靠近對齊端各層波箔完全重合的大剛度區和中間各層波箔間有微小間隙的小剛度區。利用波箔軸承每瓣區域的剛度不同，在大載荷作用下大剛度區完全重合的波箔起到精密定位作用，同時大剛度區與小剛度區波箔形變不同造成第二高度差，形成第二楔形，進一步提高氣膜壓力，從而增大載荷。
為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案：一種具有高承載能力的推力箔片軸承，包括：軸承座、定位銷、第一層波箔、第二層波箔、第三層波箔、頂箔。軸承座上開有定位孔，定位銷固定其中。第一層波箔、第二層波箔、第三層波箔外圓環上開有銷孔，用以粗略定位三層波箔之間的相對位置。每一層波箔一端對齊後下層波箔弧長大於上層波箔即波箔每一瓣弧長第一層波箔大於第二層波箔大於第三層波箔，用以形成第一楔形。靠近對齊端波箔的幾個波各層疊在一起後完全重合形成大剛度區，在載荷的作用下同時起到精確定位各層波箔相對位置尺寸作用。中間區域各層波箔設有微小間隙形成相對大剛度區的小剛度區。在大載荷作用下由於兩區域剛度差別致使形變不同形成第二楔形。
進一步，所述軸承座上開有定位銷孔。
進一步，各波箔層的每一瓣起始端沿徑向方向向外設有凸起，外端凸起與外圓環連接，使每層各瓣連接成一個整體，外圓環上開有銷孔用於初步定位各層波箔。
進一步，軸承每一瓣分為三段區域，第一楔形區、小剛度區、大剛度區。
進一步，每層波箔中的各瓣波箔弧長相等，下層波箔各瓣弧長長與上層波箔。即第一層波箔各瓣的弧長大於第二層波箔，第二層波箔各瓣的弧長大於第三層波箔。波箔的每瓣一端對齊，由於上下層各瓣的弧長不同一端對齊後另外一端形成高度差。
進一步，頂箔各瓣固定端與前一瓣波箔對齊端對齊，與第三層波箔固定在一起，這樣頂箔靠近固定端由于波箔的高度差形成第一楔形區。
進一步，靠近對齊端波箔的幾個波各層疊在一起後完全重合，在載荷作用下各層波箔間的貼合會越來越小，每個波的相對位置公差會越來越小，從而形成大剛度區同時對各層波箔起精確定位作用。
進一步，每一瓣的中間區域各層波箔之間設有微小間隙，只有在上層波箔在載荷作用下發生形變與下層波箔接觸後，下層波箔與上層波箔開始同時起支承作用。從而形成有階躍剛度特性的相對大剛度區剛度的小剛度區。
進一步，在大載荷作用下，小剛度區發生的形變大於大剛度區形成高度差，從而形成第二楔形，進一步增大氣膜壓力。
本發明所採用的技術方案具有以下有益效果：本發明提供解決多層波箔之間相對位置和大載荷下楔形變形嚴重的問題並且首次提出具有雙楔形的一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承。軸承各瓣分為三個區域，第一楔形區、小剛度區、大剛度區。第一楔形區通過波箔箔片的厚度產生高度差，保證了在大載荷作用下楔形依舊存在。小剛度區通過各層波箔之間設有間隙形成剛度階躍的小剛度區。大剛度區由於設計波箔的波疊在一起後相互重合，三層箔片同時起支承作用，在載荷作用下各層間每個波貼合會越來越緊，相對位置公差會越來越小，從而形成大剛度區同時對各層波箔起精確定位作用。由於大剛度區與小剛度區形變的不同形成高度差，支承頂箔後形成第二楔形，氣體從第剛度區帶入高剛讀取時氣膜會進一步壓縮，從而增加了氣膜壓力，提高了軸承的承載能力。
附圖說明
圖1為推力軸承原理示意圖；
圖2為雙波箔由於加工精度影響相互錯開示意圖；
圖3為本發明多層波箔推力軸承本發明爆炸圖；
圖4為本發明多層波箔推力軸承整體結構示意圖；
圖5為本發明多層波箔推力軸承頂箔結構示意圖；
圖6為本發明多層波箔推力軸承第一層波箔結構示意圖；
圖7為本發明多層波箔推力軸承第二層波箔結構示意圖；
圖8為本發明多層波箔推力軸承第三層波箔結構示意圖；
圖9為本發明多層波箔推力軸承楔形支承結構示意圖；
圖10為本發明多層波箔推力軸承形成兩個楔形及氣壓分布示意圖
圖11為本發明兩層波箔推力軸承結構示意圖
圖12為本發明推力軸承波箔為第二代波箔結構示意圖
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施方式對本發明的一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承做進一步的詳細描述。然而可以理解的是，下述具體實施方式僅僅是本發明的優選技術方案，而不應該理解為對本發明的限制。
如圖3所示，一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承包括軸承座1、定位銷2、第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5、頂箔6、推力盤7。所述軸承座開有定位孔定位銷2嵌入其中，第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5、頂箔6都設有銷孔依次堆疊軸承座之上，定位銷起限位和粗略定位作用。第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5、頂箔6均為模具衝壓成型。如圖5所示，每瓣頂箔固定端到自由端為順時針，如圖6所述第三層波箔5的每瓣從起始端到自由端為逆時針，使每瓣頂箔6的起始端與第三層波箔5的後一瓣通過焊接固定在一起。如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示，所述推力軸承內經Ri、外徑Ro、外圓環半徑Rh，外圓環寬度為a，各瓣起始端箔片寬度為b，定位銷孔直徑Φ。如圖6所示，所述第一層波箔3前一瓣與後一瓣距離為L1；如圖7所示，所述第二層波箔4前一瓣與後一瓣距離為L2；如圖8所示，所述第三層波箔5前一瓣與後一瓣距離為L3；L1小於L2小於L3。
如圖9所示，各層波箔起始端對齊並且與頂箔起始端位於相反方向，對齊第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5的起始端後，由於長度的不同波箔的自由端由箔片厚度造成高度差，形成第一楔形區。
如圖9所示，小剛度區中的第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5之間具有Δh的間隙；大剛度區堆疊在一起後完全重合。這樣使得小剛度區只有當位於最上面的第三層波箔5在載荷作用下產生Δh的形變與中間層第二層波箔4接觸後第二層波箔4開始起支承作用，提供剛度支撐。對齊第一層波箔3產生支承作用如同第二層波箔4。在大剛度區第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5堆疊在一起後三層箔片同時起到支承作用。
如圖9所示，大剛度區堆疊在一起後完全重合，即使裝配時第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5相對位置有一定的錯移，在載荷作用小，大剛度區的波箔由于波形的導向作用產生自適應位置調整，使得第一層波箔3、第二層波箔4、第三層波箔5自適應精確定位以保證之間的相對位置。
如圖10所示，在載荷作用下第一楔形區波箔發生變形，由於箔片厚度造成的高度差Δh1依舊存在確保了第一楔形區的楔形。第一楔形區產生楔形效應擠壓進入楔形的空氣產生壓力，在大載荷作用下小剛度區發生的形變大於大於大剛度區產生Δh2的高度差，使得在大剛度區與小剛度區之間產生第二楔形。第二楔形形成楔形效應進一步壓縮氣膜增大了氣膜的壓力，從而提升推力軸承的承載能力。
除了以上提出的實例，一種具有高承載能力的推力空氣箔片軸承可以有其它不同形式。圖11所示的推力軸承，採用兩層波箔支承頂箔形式。如圖12所示，此外，箔片也可以為第二代箔片形式。波箔瓣數和結構的形式可以根據具體情況進行設計。以上所舉實例僅為本發明的優選實例，但凡依本發明權利要求及本發明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應屬本發明專利覆蓋的範圍。