一种动压气体轴承及调节方法

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种动压气体轴承及调节方法。

背景技术

气体动压轴承的气动承载力主要来源于转轴在偏心状态下的高速旋转带动气体进入楔形区域形成的高压支承力，使得动压气体轴承在低转速时承载力极低，并且动压气体轴承在转子起动过程中会有一段与支承表面的干摩擦阶段，该摩擦阶段的时间长短和轴承的承载状态直接影响着气体动压轴承的起动性能和使用寿命。

对于动压气体轴承而言，与转轴转速同样重要的直接影响轴承的承载性能的关键参数是轴承气膜间隙，气膜间隙越小，承载力越大。但是，受加工精度、难度以及装配工艺的限制，轴承的初始气膜间隙不能设计过小，并且轴承在低速起动状态时，转轴转速较低，需要较小的轴承初始气膜间隙获得更大的起动承载力，而在高转速工作状态，承载力随着转速的增加而显著增大，同时转轴在离心载荷和温度载荷作用下产生的结构膨胀将导致轴承工作气膜间隙的变小，此时轴承则需要较大初始气膜间隙，使得轴承在不同工况下对气膜间隙的需求存在差异。

因此，如何设计一种可以满足不同转速工况需求的可调气膜间隙的动压气体轴承，是本领域亟待解决的重要问题之一。

同时，作为一种高速轻载支承形式，动压气体轴承所支承的微转子系统工作转速一般高达十数万甚至上百万r/min，在升速过程中不可避免地需要通过多阶临界转速，因此，如何平稳通过各阶临界转速，降低全转速工况范围内的振动幅值，是本领域亟待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动压气体轴承及调节方法，以解决不同转速工况下动压气体轴承气膜间隙和支承刚度无法调节的问题。

本发明提供了一种动压气体轴承，包括轴承套、第一支承件、第二支承件以及调节装置，第二支承件设在轴承套与第一支承件之间，调节装置设在轴承套内；

调节装置包括：第一安装座、调节件以及行程调整机构，调节件的一端与第一安装座连接，调节件的另一端与行程调整机构连接，行程调整机构与第二支承件连接；

当转轴穿过轴承转动时，转轴与第一支承件间具有间隙，间隙内气体动压刚度和第一支承件的结构刚度、第二支承件的结构刚度构成了动压气体轴承的支承刚度，若轴承的间隙厚度或轴承的支承刚度不满足工况需求，调节件用于带动行程调整机构运动，行程调整机构带动第二支承件运动，第二支承件运动可以调整轴承的间隙厚度和轴承的支承刚度。

优选的，第二支承件包含多个子支承件以及连接件，每个子支承件通过连接件串联。

优选的，行程调整机构包括摆件、旋转件以及第二安装座，摆件的一端与调节件连接，摆件的另一端与旋转件连接，旋转件设在第二安装座上。

优选的，当调节件带动摆件摆动时，摆件摆动驱动旋转件带动连接件调整间隙的厚度和第二支承件的结构刚度。

优选的，调节件为记忆合金弹性调节件。

优选的，若调节件状态改变时，调节件用于改变第二支承件的结构刚度和间隙内气体动压刚度。

优选的，动压气体轴承包括调节装置盖，调节装置盖设在轴承套上，调节装置盖可拆卸的设在轴承套上。

优选的，一种动压气体轴承的调节方法应用于上述的动压气体轴承，动压气体轴承的调节方法包括：

基于第一支承件与转轴之间的间隙确定轴承的间隙厚度，或基于轴承间隙内气体动压刚度、第一支承件的结构刚度以及第二支承件的结构刚度确定动压气体轴承的支承刚度；

若轴承的间隙厚度或轴承的支承刚度不满足工况需求，调节件用于带动行程调整机构运动，行程调整机构带动第二支承件运动，第二支承件运动可以调整轴承的间隙厚度和轴承的支承刚度。

优选的，动压气体轴承的调节方法还包括：

通过控制调节件导通或者切断电源，给调节件通电加热和断电冷却的方式改变调节件的状态。

优选的，动压气体轴承的调节方法还包括：若调节件状态改变时，调节件用于改变第二支承件的结构刚度和间隙内气体动压刚度。

与现有技术相比，本发明提供的动压气体轴承中，转轴穿过轴承转动，在转轴转动的过程中，由于转轴与第一支承件间具有间隙，间隙厚度不同导致轴承的承载力不同，基于此，为了实现对间隙的调整，在轴承套内设置调节装置，同时，在轴承套与第一支承件之间还设有第二支承件，通过控制器对调节装置进行调节，改变调节件的状态，并且调节件的一端与第一安装座连接，调节件的另一端与行程调整机构连接，行程调整机构与第二支承件连接，调节件状态的改变带动行程调整机构状态的改变，行程调整机构状态的改变使得与行程调整机构连接的第二支承件的状态改变，从而实现控制器对第二支承件结构的调节，若轴承的间隙厚度或支承刚度不满足工况需求，调节件用于带动行程调整机构运动，行程调整机构带动第二支承件运动，第二支承件运动可以调整轴承的间隙厚度和轴承的支承刚度，有效解决了不同转速工况下的动压气体轴承气膜间隙和支承刚度无法调节的问题。

在此基础上，上述动压气体轴承还提供了一种动压气体轴承的调节方法，该动压气体轴承的调节方法包括了上述动压气体轴承的有益效果，同时，通过对上述方法的应用，可以改变轴承与转轴之间的气膜间隙和轴承的支承刚度，从而改变上述轴承的承载力，有效增强了轴承的刚度特性。

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，构成本发明的一部分，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示出了本发明示例性实施例的动压气体轴承的结构图；

图2示出了本发明示例性实施例的调节装置的结构图；

图3示出了本发明示例性实施例的调节装置的调节原理示意图；

图4示出了本发明示例性实施例的动压气体轴承的调节方法的流程图。

附图标记：

101-轴承套，102-第一支承件，103-第二支承件，104-调节装置，1041-第一安装座，1042-调节件，1043-行程调整机构，105-调节装置盖，201-摆件，202-旋转件，203-第二安装座。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

气体动压轴承的气动承载力主要来源于转轴在偏心状态下的高速旋转带动气体进入楔形区域形成的高压支承力，使得动压气体轴承在低转速时承载力极低，并且动压气体轴承在转子起动过程中会有一段与支承表面的干摩擦阶段，该摩擦阶段的时间长短和轴承的承载状态直接影响着气体动压轴承的起动性能和使用寿命。

对于动压气体轴承而言，与转轴转速同样重要的直接影响轴承的承载性能的关键参数是轴承气膜间隙，气膜间隙越小，承载力越大。但是，受加工精度、难度以及装配工艺的限制，轴承的初始气膜间隙不能设计过小，并且轴承在低速起动状态时，转轴转速较低，需要较小的轴承初始气膜间隙获得更大的起动承载力，而在高转速工作状态，承载力随着转速的增加而显著增大，同时转轴在离心载荷和温度载荷作用下产生的结构膨胀将导致轴承工作气膜间隙的变小，此时轴承则需要较大初始气膜间隙，使得轴承在不同工况下对气膜间隙的需求存在差异。

因此，如何设计一种可以满足不同转速工况需求的可调气膜间隙的动压气体轴承，是本领域亟待解决的重要问题之一。

同时，作为一种高速轻载支承形式，动压气体轴承所支承的微转子系统工作转速一般高达十数万甚至上百万r/min，在升速过程中不可避免地需要通过多阶临界转速，因此，如何平稳通过各阶临界转速，降低全转速工况范围内的振动幅值，是本领域亟待解决的重要问题之一。

针对上述问题，本发明示例性实施例提供一种动压气体轴承及调节方法，以解决不同转速工况下的轴承气膜间隙和支承刚度无法调节的问题。

图1示出了本发明示例性实施例的动压气体轴承的结构图。如图1所示，本发明示例性实施例提供的动压气体轴承，包括轴承套101、第一支承件102、第二支承件103以及调节装置104，第二支承件103设在轴承套101与第一支承件102之间，调节装置104设在轴承套101内，调节装置104包括：第一安装座1041、调节件1042以及行程调整机构1043，调节件1042的一端与第一安装座1041连接，调节件1042的另一端与行程调整机构1043连接，行程调整机构1043与第二支承件103连接；当转轴穿过轴承套101转动时，转轴与第一支承件102间具有间隙，间隙内的气动动压刚度和第一支承件102的结构刚度、第二支承件103的结构刚度共同构成了动压气体轴承的支承刚度，若轴承的间隙厚度或轴承的支承刚度不满足工况需求，调节件1042用于带动行程调整机构1043运动，行程调整机构1043带动第二支承件103运动，第二支承件103运动可以调整轴承的间隙厚度和轴承的支承刚度。

具体实施时，如图1所示，本发明示例性实施例提供的动压气体轴承中，转轴穿过轴承套101转动，在转轴与轴承套101转动的过程中，由于转轴与第一支承件102间具有间隙，间隙厚度不同导致轴承的承载力不同，基于此，为了实现对间隙的调整，在轴承套101内设置调节装置104，同时，在轴承套101与第一支承件102之间还设有第二支承件103，通过控制器对调节装置104进行调节，控制调节装置104中的调节件1042，改变调节件1042的状态，并且调节件1042的一端与第一安装座1041连接，调节件1042的另一端与行程调整机构1043连接，行程调整机构1043与第二支承件103连接，调节件1042状态的改变带动行程调整机构1043状态的改变，行程调整机构1043状态的改变就会使得与行程调整机构1043连接的第二支承件103的状态改变，从而实现对第二支承件103状态的调节，若轴承的间隙厚度或轴承的支承刚度不满足工况需求，调节件1042用于带动行程调整机构1043运动，行程调整机构1043带动第二支承件103运动，通过调节第二支承件103运动可以调整间隙的厚度，有效解决了不同转速工况下的轴承气膜间隙无法调节的问题，同时，第二支承件103运动可以调整轴承的支承刚度，从而调整微转子系统临界转速，为解决微转子系统升速过程中跨越多阶临界转速的振动问题提供了一种有效技术途径。

示例性的，如图1所示，第二支承件103包含多个子支承件以及连接件，每个子支承件通过连接件串联，在实际应用中，多个子支承件环设在第一支承件102的外表面侧壁，多个子支承件通过连接件连接，可以理解的是连接件可以为牵引丝等连接件、多个子支承件可以为管箔片状的支承环、也可以为其他结构形式的支承环，此处不做赘述，以管箔片状的支承环为例，牵引丝将多个管箔片状的支承环串联在一起构成了完整的第二支承件103。

示例性的，图2示出了本发明示例性实施例的调节装置的结构图，如图2所示，调节装置包括：第一安装座1041、调节件1042以及行程调整机构1043，调节件1042的一端与第一安装座1041连接，调节件1042的另一端与行程调整机构1043连接，行程调整机构1043与第二支承件103连接。行程调整机构1043包括摆件201、旋转件202以及第二安装座203，摆件201的一端与调节件1042连接，摆件201的另一端与旋转件202连接，旋转件202设在第二安装座203上。

在实际应用中，第一安装座用于固定调节件，调节件的另一端与行程调整机构中的摆件连接，调节件在改变状态时带动摆件摆动，摆件摆动带动旋转件转动，可以理解的是，摆件可以为L型摆杆等其他绝缘材料的摆件，也可以为其他形状的摆件，利用L型摆杆的摆动可以改变旋转件的转动角度，此处以L型摆杆与旋转导杆举例来说，上述行程调整机构可以为L型摆杆与旋转导杆组成的行程调整机构，通过设计L型摆杆的不同结构尺寸获得不同的行程放大比例，利用上述行程调整机构可以使得旋转件在转动时带动连接多个子支承件的连接件开始伸缩，将调节件的驱动行程进行数倍调整后作用于连接件，连接件拉伸可以改变第二支承件的状态，实现对第二支承件的状态调整，从而满足了大范围轴承弹性支承结构调整对连接件行程的要求，进一步降低了调节件的驱动行程需求。

示例性的，当调节件带动摆件摆动时，摆件摆动驱动旋转件带动连接件调整轴承的间隙厚度，调节件为记忆合金弹性调节件。

具体实施时，当调节件带动摆件摆动时，可以理解的是，基于一些简单的电控原理实现对调节装置的控制，例如：控制器。将控制器与调节装置电连接，在控制器给调节装置供电或者断电时，由于调节件为记忆合金弹性调节件，因此，在调节件通电或者断电时，会使得调节件自身的状态发生改变，调节件自身的状态改变后带动与之连接的摆件摆动，摆件摆动就会驱动旋转件转动，旋转件带动与之连接的连接件改变第二支承件的状态，第二支承件状态的改变导致第二支承件的刚度发生变化，第二支承件的状态改变会导致第一支承件和第一支承件与转轴之间的间隙发生改变，从而通过摆动驱动旋转件带动连接件调整轴承的间隙厚度和轴承的支承刚度。

同时，上述调节件为记忆合金弹性调节件，应理解，记忆合金弹性调节件可以为记忆合金丝以及限位弹簧组成的调节件，在实际应用中，通过对记忆合金丝通电加热和断电冷却的方式改变记忆合金丝的状态，记忆合金丝的状态改变导致限位弹簧实现压紧或释放的状态，限位弹簧实现压紧或释放带动摆件实现摆动，可知，将记忆合金丝作为驱动部件，可以减小记忆合金丝的体积，提高记忆合金丝的加热效率，从而显著提高驱动响应速率。在此基础上，采用限位弹簧与记忆合金丝共同实现调节件的驱动调节功能，避免了常规使用方法中记忆合金的冷却复位需求，简化了记忆合金驱动调节机构的结构，利用不同规格限位弹簧与多组记忆合金丝组合可实现调节件的多种状态和功能的调节。

示例性的，如图2所示，在控制器通电或者断电时，会改变调节件的状态，当调节件拉紧状态时，可以理解为调节件中的限位弹簧在压缩时，调节件带动摆件201开始摆动，摆件201摆动带动旋转件202转动，此时，第二支承件的结构状态改变，与第二支承件接触的第一支承件径向位置发生变化，从而改变第一支承件与转轴之间的间隙厚度，同时，第二支承件结构的改变导致第二支承件结构刚度发生变化，间隙厚度的改变导致间隙内气体动压刚度的变化，由此，实现动压气体轴承支承刚度的改变。图3示出了本发明示例性实施例的调节装置的调节原理示意图，如图3所示，通过对调节件的状态改变，实现对动压气体轴承的间隙和支承状态的调整。

如图3所示，当调节件处在初始状态时，转轴与第一支承件之间的间隙厚度为h

示例性的，动压气体轴承包括调节装置盖，调节装置盖设在轴承套上，调节装置盖可拆卸的设在轴承套上，方便维修，同时，还可以对调节装置有一个保护作用。

本发明示例性实施例还提供了一种动压气体轴承的调节方法，图4示出了本发明示例性实施例的动压气体轴承的调节方法的流程图，如图4所示，一种动压气体轴承的调节方法应用于上述的动压气体轴承，动压气体轴承的调节方法包括：

S401：基于第一支承件与转轴之间的间隙确定轴承的间隙厚度，或基于轴承间隙的气体动压刚度、第一支承件的结构刚度以及第二支承件的结构刚度确定轴承的支承刚度；

S402：若轴承的间隙厚度或支承刚度不满足工况需求，调节件用于带动行程调整机构运动，行程调整机构带动第二支承件运动，第二支承件运动可以调整轴承的间隙厚度和支承刚度。

示例性的，上述动压气体轴承的调节方法还包括：通过控制调节件导通或者切断电源，给调节件通电加热和断电冷却的方式改变调节件的状态，可以理解的是，通过一些简单的电控原实现对控制调节件导通或者切断电源，例如:温控开关或控制器等。

示例性的，动压气体轴承的调节方法还包括：若调节件状态改变时，调节件用于改变第二支承件的刚度和间隙内气体动压刚度，实现对动压气体轴承的刚度调节，应理解，上述调节件的状态发生改变时，多个子支承件串联在一起，受到挤压或释放，从而改变第二支承件的刚度，同时轴承的间隙厚度发生改变，导致其内气体流动状态发生变化，实现间隙内气体动亚刚度的调节。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。