动压气体止推轴承及组件

技术领域

本发明涉及空气轴承技术领域，特别涉及一种动压气体止推轴承及组件。

背景技术

典型的波箔型动压气体止推轴承的结构如图1所示，该波箔型动压气体止推轴承2a包括轴承壳体21a、波箔片22a和顶箔片23a。波箔片22a和顶箔片23a作为扇形推力块在周向均匀分布。波箔片22a具有波纹结构，充当类似弹簧的弹性支承作用，是止推轴承刚度和阻尼的主要来源。顶箔片23a安装在波箔片22a之上，两者构成了波箔型动压止推轴承的柔性支撑表面。波箔片22a与顶箔片23a一样，一端固定在轴承壳体21a上，另一端可以在承载力作用下发生自由滑动。箔片与箔片之间，箔片与轴承壳体之间的摩擦会对其滑动产生一定的限制作用并以热量的形式产生能量耗散，箔片中的阻尼就是由此产生。另外，顶箔片23a的前端与轴承壳体之间产生一定的夹角，顶箔片23a的后端与轴承壳体平行，在上述夹角的作用下形成楔形区域进而与推力盘12a之间形成动压气膜。

由动压气膜形成原理可知，楔形结构是形成气膜的三大因素之一。而由前面描述可知，现有动压气体止推轴承的楔形区域主要由顶箔片23a的前端与轴承壳体的夹角形成的。但由于箔片厚度小，一般不超过0.5mm，所以一方面，箔片受力后会变形，直接影响夹角的大小，进而导致楔形区域不稳定，这对于转子平衡是不利的；另一方面，箔片厚度小意味着不能随意减小上述夹角以达到增加楔形空间的目的，因为夹角越小，楔形结构跨度越大，箔片越容易变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动压气体止推轴承及组件，以改善现有动压气体止推轴承的受力均匀性。

本发明第一方面提供一种动压气体止推轴承，包括：

轴承壳体，在与转子配合的一侧设置有沿圆周方向分布的多个扇形段；以及

多个支撑箔片，分别对应安装于多个扇形段上且支撑箔片包括波箔和顶箔。在一些实施例中，在圆周方向上扇形段的第一端至第二端倾斜设置。

在一些实施例中，在转子的旋转方向上，扇形段与轴承壳体的底面之间的距离逐渐变大。

在一些实施例中，扇形段与轴承壳体之间的夹角范围为0.1～1.5°。

在一些实施例中，多个扇形段中第一部分扇形段围绕形成第一环形区，第二部分扇形段围绕形成第二环形区，第一环形区和第二环形区同轴并沿径向分布。

在一些实施例中，第一环形区和第二环形区的在径向方向上的相邻的扇形段错位设置。

在一些实施例中，多个支撑箔片包括安装于第一环形区的第一支撑箔片和安装于第二环形区的第二支撑箔片，第一环形区位于径向内侧，第一支撑箔片的刚度小于第二支撑箔片的刚度。

在一些实施例中，第一支撑箔片的波箔的刚度小于第二支撑箔片的波箔的刚度；和/或，第一支撑箔片的顶箔的刚度小于第二支撑箔片的顶箔的刚度。

在一些实施例中，扇形段设置有用于通入冷却气体且沿径向间隔设置的多个通气孔。

在一些实施例中，通气孔的轴线与轴承壳体的轴线之间呈锐角。

在一些实施例中，波箔上设置有与多个通气孔对应设置的多个冷却槽。

在一些实施例中，冷却槽包括沿圆周方向延伸的弧形段和与弧形段连通的直线倾斜段，直线倾斜段与弧形段的切线之间大致呈钝角。

在一些实施例中，多个扇形段中第一部分扇形段围绕形成第一环形区，第二部分扇形段围绕形成第二环形区，第一环形区位于径向内侧，其中，轴承壳体还包括设置于第一环形区和第二环形区之间的第一阻挡圈，第一阻挡圈用于阻挡进入第一环形区的冷却气体流至第二环形区；和/或，轴承壳体还包括设置于第二环形区的径向外侧的第二阻挡圈，第二阻挡圈用于阻挡进入第二环形区的冷却气体流至轴承壳体的外侧。

本发明第二方面提供一种动压气体止推轴承组件，包括转子和如本发明第一方面提供的动压气体止推轴承。

基于本发明提供的动压气体止推轴承及其组件，动压气体止推轴承包括轴承壳体，在与转子配合的一侧设置有沿圆周方向分布的多个扇形段；以及多个支撑箔片，分别对应安装于多个扇形段上且支撑箔片包括波箔和顶箔。本发明的动压气体止推轴承在圆周方向分布多个扇形段从而提高轴承的受力均匀性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为相关技术的动压气体止推轴承的结构示意图；

图2为图1所示的G向剖视结构示意图；

图3为本发明实施例的动压气体止推轴承组件的轴侧结构示意图；

图4为图3所示的动压气体止推轴承组件的主视结构示意图；

图5为图4中的A-A剖视结构示意图；

图6为图5中的Ⅰ部分的放大结构示意图；

图7为图4中的B-B剖视结构示意图；

图8为图7中的Ⅱ部分的放大结构示意图；

图9为图4中的C-C剖视结构示意图；

图10为图9中的Ⅲ部分的放大结构示意图；

图11为本发明实施例的动压气体止推轴承的轴侧结构示意图；

图12为图11所示的动压气体止推轴承的主视结构示意图；

图13为图11所示的动压气体止推轴承去掉顶箔的轴侧结构示意图；

图14为图13所示的动压气体止推轴承去掉顶箔的主视结构示意图；

图15为图14中的Ⅳ部分的放大结构示意图；

图16为图14中的Ⅴ部分的放大结构示意图；

图17为本发明实施例的轴承壳体的立体结构示意图；

图18为图18所示的轴承壳体的主视结构示意图；

图19为图18中的D-D剖视结构示意图；

图20为图18中的E-E剖视结构示意图；

图21为图20中的Ⅵ部分的放大结构示意图；

图22为图18中的F-F剖视结构示意图；

图23为图20中的Ⅶ部分的放大结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

下面根据图3至图23对本发明一具体实施例的动压气体止推轴承组件的结构进行详细说明。

如图3所示，本发明实施例的动压气体止推轴承组件包括转子1和动压气体止推轴承2。其中，转子1包括转轴11和推力盘12。

本实施例的动压气体止推轴承，包括：

如图17所示，轴承壳体21，在与转子1配合的一侧设置有沿圆周方向分布的多个扇形段且在圆周方向上扇形段的第一端至第二端倾斜设置；以及

多个支撑箔片，分别对应安装于多个扇形段上且支撑箔片包括波箔和顶箔。

本发明实施例的动压气体止推轴承通过将扇形段倾斜设置从而形成强制收敛结构，与现有技术中仅依靠箔片来形成收敛夹角相比，提高动压收敛区域的稳定性。在本实施例中，在转子1的旋转方向上，扇形段与轴承壳体21的底面之间的距离逐渐变大。且本实施例的扇形段的倾斜角度由机加工保证，因此其加工精度更高。

本实施例的扇形段与轴承壳体21之间的夹角范围为0.1～1.5°。

如图11至17所示，为了保证轴承受力均匀，本实施例的多个扇形段中第一部分扇形段围绕形成第一环形区，第二部分扇形段围绕形成第二环形区，第一环形区和第二环形区同轴并沿径向分布。

优选地，本实施例的第一环形区和第二环形区的扇形段的个数为偶数。

如图11至17所示，第一环形区和第二环形区的相邻的扇形段错位设置。在圆周方向上，相邻的扇形段互相错开角度以实现多向承载受力。

如图11所示，多个支撑箔片包括安装于第一环形区的第一支撑箔片和安装于第二环形区的第二支撑箔片，第一环形区位于径向内侧，第一支撑箔片的刚度小于第二支撑箔片的刚度。如此设置使得在径向方向上轴承的刚度不同，具体地，如图10所示，在径向方向上，轴承与转子之间的配合间隙形成低刚度楔形区域P和高刚度楔形区域Q。其中，低刚度楔形区域P的间隙为L2，高刚度楔形区域Q的间隙为L1，L2＞L1。在工作时，转子1转速低，所需刚度小，由于L2＞L1，此时优先低刚度楔形区域P起作用，主要由第一支撑箔片提供支撑；当转子转速高时，所需刚度增加，此时第一支撑箔片所提供的支撑力不足，发生变形，L2变小，当减小至小于L1后，高刚度楔形区域Q开始起作用，第一支撑箔片和第二支撑箔片一起提供支撑。本实施例的止推轴承通过在径向方向上设置不同刚度的楔形区域以适应转子的不同转速变化从而提高轴承的承载力和承载适应能力。

为实现不同刚度箔片的支撑，第一支撑箔片的波箔的刚度小于第二支撑箔片的波箔的刚度。第一支撑箔片的顶箔的刚度小于第二支撑箔片的顶箔的刚度。

具体在本实施例中，如图10所示，第一支撑箔片包括低刚度波箔25和低刚度顶箔26。第二支撑箔片包括高刚度波箔22和高刚度顶箔23。

为有效控制轴承温度，如图17和图18所示，本实施例的扇形段设置有用于通入冷却气体且沿径向间隔设置的多个通气孔213。

如图15和16所示，本实施例的波箔上设置有冷却槽，冷却槽包括弧形段，通气孔与弧形段相通。当冷却气体通过通气孔213流入时，通过弧形段沿着转子旋转方向呈现圆周流动从而对轴承进行冷却最终流向下一个支撑箔片。

冷却槽还包括与弧形段连通的直线倾斜段，直线倾斜段与弧形段的切线之间大致呈钝角。冷却气体沿着弧形段流通后再通过直线倾斜段流向下一个支撑箔片，钝角的设置可以减少冷却气体因流道改变而形成漩涡造成的能量损失。而且本实施例的冷却槽的弧形段的端部为圆角，进一步减少能量损失。如图17和18所示，为了防止冷却气体沿径向流动而导致轴承冷却不均，本实施例的轴承壳体21还包括设置于第一环形区和第二环形区之间的第一阻挡圈214，如图15所示，第一阻挡圈214用于阻挡进入第一环形区的冷却气体流至第二环形区；和/或，轴承壳体21还包括设置于第二环形区的径向外侧的第二阻挡圈215，第二阻挡圈215用于阻挡进入第二环形区的冷却气体流至轴承壳体21的外侧。

优选地，为了实现冷却气体从通气孔213流入后，流向与转子旋转方向相同，对通气孔213进行预置旋转处理，通气孔213的轴线与水平线之间呈锐角。

下面根据图3至图22对本发明一具体实施例的动压气体止推轴承组件的结构进行详细说明。

如图3所示，本实施例的动压气体止推轴承组件包括转子1和动压气体止推轴承2。其中，转子1包括转轴11和推力盘12。转子1的旋转方向如图中箭头所示。如图10所示，本实施例的动压气体止推轴承1包括轴承壳体21、高刚度波箔22、高刚度顶箔23、低刚度波箔25以及低刚度顶箔26。推力盘12与动压气体止推轴承2的配合间隙形成了低刚度楔形区域P和高刚度楔形区域Q。工作时，转子1在电磁场作用下做高速旋转运动，当达到设定转速时，在低刚度楔形区域P和高刚度楔形区域Q均形成动压气膜，支撑转子1运转。

如图17和图18所示，本实施例的轴承壳体21为环形空心零件。对支撑箔片起到支撑和固定作用。本实施例的轴承壳体21上沿着圆周均布了8个扇形段。且每个扇形段沿着旋转方向在圆周上倾斜设置以形成强制楔形收敛结构。形成的楔形收敛结构如图6至图8所示，如图6所示，对于高刚度楔形区域Q，在旋转方向R上，楔性的间隙θ1大于θ2。如图7和图8所示，对于低刚度楔形区域P，在旋转方向上，楔性的间隙θ3大于θ4。因此本实施例的轴承在径向上和圆周上均具有楔型，因此形成多楔区域变向设计的动压气体轴承，从而减少轴系振动，提高轴系稳定性。

具体为实现上述强制收敛结构，如图17所示，本实施例的扇形段倾斜设置。具体地，如图21所示，在尺寸上体现为间隙θ7大于θ8。如图23所示，间隙θ9大于θ10。在本实施例中，上述扇形段的倾斜由机加工保证，与现有楔形收敛夹角相比，其结构稳定、加工精度高。

而且本实施例的扇形区是由轴承壳体表面挖槽形成的。

如图17所示，本实施例的轴承壳体21包括沿径向上分布的第一环形区和第二环形区。第一环形区包括至少两个第一扇形段211。第二环形区包括至少两个第二扇形段212。第一扇形段211和第二扇形段212上均安装有支撑箔片从而对转子系统形成多个支撑，提高轴承的受力均匀性。

如图17所示，本实施例的相邻的第一扇形段211和第二扇形段212错位设置。在圆周方向上，沿着径向方向相邻的扇形段互相错开角度，以实现多向承载受力。

为有效控制轴承温度，如图17所示，在轴承壳体21上沿着径向布置了多个通气孔213，用于通入冷却气体。为了与通气孔213配合，如图15和图16所示，高刚度波箔22、低刚度波箔25上布置了多个冷却槽。冷却槽与通气孔213配合。具体地，如图15所示，高刚度波箔22上设置有多个第一冷却槽221。如图16所示，低刚度波箔25上设置有多个第二冷却槽251。

为了防止冷却气流沿径向流通而导致轴承冷却不均，如图17所示，本实施例的轴承壳体21还包括位于第一环形区和第二环形区之间的第一阻挡圈214以及设置于第二环形区的径向外侧的第二阻挡圈215。上述阻挡圈的设置对径向气流起阻挡作用。

本实施例的轴承壳体21还包括设置于第一环形区的径向内侧的内圈，该内圈既起到阻挡冷却气体流向转轴，又起到支撑转子的作用。

如图19所示，为实现冷却气体从通气孔213流入后，流向与转子旋转方向相同，对通气孔213做预置旋转处理。通气孔213的轴线与水平线呈θ6角度布置。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。