止推箔片气体轴承的制作方法

1.本公开属于气体轴承领域，尤其是一种止推箔片气体轴承。


背景技术：

2.止推箔片气体轴承是一种采用弹性支撑结构的自作用式动压气体轴承，结构上主要是由底片、支撑波箔和顶层箔片组成。由于采用空气作为润滑介质并融合弹性支撑结构，该轴承属于被动调节式轴承，与传统的油膜轴承和滚动轴承相比，具有自适应性强、干净无污染、转速高、摩擦功耗小、抗振动能力强、使用温度范围宽和维护成本低等优点，在氢燃料电池空压机、制冷压缩机、空气悬浮离心鼓风机、微型燃气轮机、涡轮发电机和飞机环控系统等高速旋转机械等领域得到了广泛的应用。
3.止推箔片气体轴承是利用顶层箔片与止推盘间的楔形间隙气膜的压缩效应来支撑转子高速运转的，为保证转子在一定轴向载荷下稳定运行，必须确保形成稳定的楔形压缩气膜，一方面要求作为弹性支撑结构的波箔和顶层箔片具有良好的一致性，同时要求在大载荷或振动工作载荷下具有良好的抗振动抗冲击能力。
4.目前，传统的止推箔片气体轴承的顶层箔片一般是由4～12片单独的箔片组成，每片箔片单独焊接到轴承底板上，这一方面增加了制造工艺的复杂性和加工成本，降低了轴承加工的一致性；同时，轴承运转时，各个顶层箔片与止推盘间气膜的差异会对削弱转子的运行稳定性，降低轴承的使用寿命。


技术实现要素：

5.鉴于以上内容，有必要提供一种止推箔片气体轴承，旨在改善止推箔片气体轴承的顶层箔片的一致性。
6.为此，本公开提供了一种止推箔片气体轴承，包括：
7.第一模组，包括顶层箔片，所述顶层箔片为单片整体成型形成的顶层箔片；
8.第二模组，包括底板和支撑波箔，所述支撑波箔连接于所述底板，所述底板连接于所述顶层箔片。
9.优选地，所述顶层箔片为通过模具一次冲压成型的顶层箔片。
10.优选地，所述第一模组还包括圆环，所述顶层箔片同轴连接于所述圆环，所述底板连接于所述圆环，所述支撑波箔位于所述圆环内并且位于所述顶层箔片和所述底板之间。
11.优选地，所述第一模组还包括受力爪，所述受力爪从所述顶层箔片沿所述顶层箔片的径向方向伸出并连接于所述圆环的端面。
12.优选地，所述受力爪与所述顶层箔片的径向方向具有预设倾角，所述受力爪沿所述预设倾角连接所述顶层箔片和所述圆环。
13.优选地，所述顶层箔片包括多个首尾相连的工作区，所述工作区包括曲面段和承载段，所述曲面段的截面为沿圆周方向倾斜楔形曲面，所述承载段为平面。
14.优选地，所述工作区沿圆周方向均匀分布于所述顶层箔片。
15.优选地，所述顶层箔片的远离所述支撑波箔的侧面设有抗磨损涂层，所述抗磨损涂层为将二硫化钼或聚四氟乙烯至少之一喷涂于所述顶层箔片的远离所述支撑波箔的侧面形成的抗磨损涂层。
16.优选地，所述支撑波箔包括连接段和支撑段，所述连接段连接于所述底板，所述支撑段包括多个沿轴向方向朝向所述顶层箔片凸起的支撑部，所述支撑部的顶部与所述顶层箔片接触，底部与所述底板接触。
17.优选地，所述第二模组还包括支撑片，所述支撑片连接于所述支撑波箔和所述顶层箔片之间，并且所述支撑片的高度低于所述支撑部。
18.相较于现有技术，上述的止推箔片气体轴承通过将单片整体成型的顶层箔片连接于底板，避免使用多片组合、单独固定的箔片，改善了顶层箔片成型的一致性，提高了止推箔片气体轴承的加工质量和效率，同时单片整体式的顶层箔片结构也保证了润滑气膜在圆周方向的连续性和完整性，提高了轴承的承载特性，增强了高速转子运行的稳定性。
附图说明
19.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。
20.图1是止推箔片气体轴承的结构示意图。
21.图2是止推箔片气体轴承在分解状态下的结构示意图。
22.图3是顶层箔片的结构示意图。
23.图4是图3中a-a的剖面结构示意图。
24.图5是支撑波箔的结构示意图。
25.图6是支撑波箔的侧面结构示意图。
26.图7是气膜压力分布示意图。
27.主要元件符号说明
[0028][0029][0030]
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
[0031]
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。
[0032]
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。
[0033]
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。
[0034]
图1是止推箔片气体轴承的结构示意图，图2是止推箔片气体轴承在分解状态下的结构示意图。如图1和图2所示，止推箔片气体轴承包括第一模组和第二模组，通过将第一模组连接于第二模组，组合形成止推箔片气体轴承，具有安装简单方便，一致性好的优点。
[0035]
第一模组包括顶层箔片10和圆环20，顶层箔片10连接于圆环20，可以在转子或者推力盘之间形成承压气膜。
[0036]
图3是顶层箔片10的结构示意图，如图1-3所示，所述顶层箔片10为单片整体成型形成的顶层箔片10，优选为通过模具一次冲压成型的顶层箔片10，加工精度高度，尺寸一致性好并能有效提高生产效率，非常适宜后期产品的批量化生产。在一些实施方式中，顶层箔片10的厚度可以是0.08mm-0.5mm，优选为0.1mm。
[0037]
为了提高顶层箔片10的耐磨损性能，减小转子启动时的摩擦力矩，提高气体轴承的使用寿命，所述顶层箔片10的远离所述支撑波箔40的侧面(即外侧面)设有抗磨损涂层。所述抗磨损涂层优选为将二硫化钼或聚四氟乙烯至少之一喷涂于所述顶层箔片10的外侧面形成的抗磨损涂层，但本领域技术人员也可以根据需要设置其他材料或者其他工艺方式在顶层箔片10的外侧面设置抗磨损涂层。该抗磨损涂层能够有效降低气体轴承启停阶段的摩擦系数并能防止转子和轴承发生短时碰磨时发生烧毁，抗磨损涂层的厚度一般控制在0.01mm-0.05mm之间。
[0038]
所述顶层箔片10作为单片结构整体连接于所述圆环20，优选同轴连接于所述圆环20。在一些实施方式中，顶层箔片10可以通过焊接的方式通过一个或者多个焊接点焊接于圆环20，也可以通过其他方式，例如连接件或者强力胶等方式连接于圆环20。本实施方式中，所述第一模组还可以包括受力爪11，所述受力爪11从所述顶层箔片10沿所述顶层箔片10的径向方向伸出并连接于所述圆环20的端面。在转子启停和运转过程中，止推箔片气体轴承不仅承受轴向作用力，还承受一定的周向摩擦力矩，特别是在启停阶段的干摩擦状态下，转子对止推箔片气体轴承的周向作用力较大。顶层箔片10采用整体式结构，顶层箔片10与底板30不是直接焊接在一起了，为防止顶层箔片10的周向错位，顶层箔片10通过受力爪11连接于圆环20，顶层箔片10受到的周向作用力有效传递到圆环20，这样可以确保气体轴承稳定运行。
[0039]
在一些优选的实施方式中，所述受力爪11与所述顶层箔片10的径向方向具有预设倾角，所述受力爪11沿所述预设倾角连接所述顶层箔片10和所述圆环20。具体的，受力爪11为顶层箔片10沿径向方向并且与径向方向存在一定倾角的方向伸出，外端部(即相对顶层箔片10的端部)具有一圆盘结构，所述圆盘结构通过激光焊接或者粘接等方式固定连接于圆环20的端面，实现将顶层箔片10固定连接圆环20。同时，受力爪11的长度和宽度可以根据气体轴承的使用工况进行灵活调整，保证满足轴承的使用要求。这样，顶层箔片10与圆环20同轴连接，顶层箔片10位于圆环20内并且基本覆盖圆环20的通孔的端面。
[0040]
图4是图3中a-a的剖面结构示意图。如图3和图4所示，所述顶层箔片10包括多个首尾相连的工作区12，例如可以是4-12个工作区12，所述工作区12沿圆周方向均匀分布于所述顶层箔片10，每个工作区12的形状和尺寸完全相同。例如图3示出的实施方式中，顶层箔片10具有6个沿圆周方向配置的工作区12。如图4所示，所述工作区12包括曲面段121和承载段122。所述曲面段121的纵截面为沿圆周方向倾斜楔形曲面，所述楔形曲面大体呈“√”结
构，一端向以较大的弧度向下凹陷，然后从凹陷区的底部432以较小的倾角向上并且斜向倾斜，直至与承载段122连接。当转子高速运转时，曲面段121的倾斜楔形曲面可以形成有效的气膜压缩效应。所述承载段122为沿水平方向延伸的平面，用于承载气膜压力，用于在转子高速转动时，在承载段122确保形成足够的有效承载区域。在工作时，相较于现有的多个顶层箔片10组合式的气体轴承，整个气体轴承的表面存在4-12个独立的楔形压缩，本实施方式提供的气体轴承由于采用整体式顶层箔片10结构，将多个独立的工作气膜变成一个完整的连续气膜，提高了气膜有效承载区域的面积，进一步提升了气体轴承的性能。
[0041]
第二模组包括底板30、支撑波箔40和支撑片50。所述支撑波箔40连接于所述底板30的内侧面(即相对外侧面的侧面)，所述底板30连接于所述顶层箔片10。所述支撑波箔40位于所述圆环20内并且位于所述顶层箔片10和所述底板30之间，用于支撑所述顶层箔片10。所述支撑片50连接于所述支撑端并且顶部低于所述支撑部43，例如可以通过激光焊接的方式焊接于支撑波箔40。
[0042]
图5是支撑波箔40的结构示意图，如图5所示，支撑波箔40大体呈扇形结构，数量可以是3-10片，沿圆周方向配置于底板30上。本实施方式中，支撑波箔40的数量为6片，均匀地沿圆周方向连接于底板30上，对顶层箔片10形成306
°
支撑。具体的，支撑波箔40包括连接段41和支撑段42，所述连接段41大体呈长方形地条状结构，沿底板30的径向方向延伸并且连接于所述底板30，例如可以通过激光焊接或者粘接的方式连接于底板30的侧面，防止支撑波箔40的串动。
[0043]
支撑段42采用弹性材料制作，用于支撑顶层箔片10。在一些实施方式中，支撑段42可以使用波浪形的金属片或者类似结构实现对顶层箔片10的弹性支撑。本实施方式中，支撑段42可以通过波纹形弹性支撑构件且沿径向方向进行不同的分条处理，例如对波纹形弹性金属片进行割缝处理，从而可以改变支撑波箔40的刚度分布特性。形成多条沿径向方向配置的支撑段42，每条支撑段42沿圆周方向延伸，并且端部连接于连接段41。
[0044]
图6是支撑波箔40的侧面结构示意图。如图5和图6所示，所述支撑段42包括多个沿轴向方向朝向所述顶层箔片10凸起的支撑部43，多个支撑部43首尾相连，可以沿圆周方向配置，也可以在水平面内沿单一方向配置，本领域技术人员可以根据需要设置，本技术对此不作限制。本实施方式中，支撑部43为沿轴向方向拱起的圆弧形结构，每个支撑部43的纵截面大体呈“ω”形结构，顶部431朝向顶层箔片10凸起，在支撑波箔40被配置于底板30和顶撑箔片之间后，所述支撑部43的顶部431与所述顶层箔片10接触，底部432与所述底板30接触。在顶层箔片10下压支撑波箔40时，支撑部43的顶部431向下挤压底部432，使得支撑部43形变和/或底部432向两侧外移以弹性支撑顶层箔片10。
[0045]
请重新参阅图2，支撑片50大体呈长条状结构，连接于支撑波箔40的连接段41，例如可以通过激光焊接的方式连接于支撑波箔40的连接段41。在完成焊接后，所述支撑片50的朝向支撑波箔40的侧面可以用于支撑顶层箔片10，并且支撑片50的侧面的高度低于所述支撑部43的顶部431，从而可以防止顶层箔片10在气膜作用力下变形过大，通过在顶层箔片10的下方增加支撑片50，支撑片50能够控制顶层箔片10和支撑波箔40的最大变形量，在顶层箔片10和支撑波箔40形变至预设距离时，支撑片50可以支撑顶层箔片10和支撑波箔40，从而可以防止顶层箔片10和支撑波箔40变形过大而发生永久失效的问题。
[0046]
本实施方式中，底板30大体呈圆盘状结构，为保证气体轴承的厚度具有良好的一
致性，底板30的平面度优先不超过0.01mm，厚度差不超过0.006mm。为了便于气体轴承的安装，在一些实施方式中，圆环20的外圆周平均分布有3-12个第一固定孔21，底板30的外圆周平均分布有3-12个第二固定孔31，用于采用螺钉或定位销固定到其他设备的壳体上。本实施方式中，底板30可以通过激光焊接或者粘接等方式连接于圆环20的端面，将第一模块和第二模块连接在一起，将整个气体轴承的封装成一个整体。
[0047]
图7是气膜压力分布示意图。如图7所示，实线绘制的顶层箔片10为变形前的位置，虚线绘制的顶层箔片10为顶层箔片10变形后的位置61。顶层箔片10承受的气膜压力60通过支撑波箔40的支撑部43得以支撑。在工作时，当转子上的止推盘高速旋转时，位于止推盘和顶层箔片10之间的楔形气膜产生动压效应，压力上升，顶层箔片10和转子之间形成承载气膜以支撑转子高速转动。气膜向顶层箔片10施加的气膜压力60如图7所示，支撑波箔40和顶层箔片10均发生弹性形变，其中支撑波箔40和顶层箔片10底面、支撑波箔40和底板30的表面会发生微小滑动摩擦进而产生热量，该摩擦效应能够将转子的不稳定性能量转化为止推箔片轴承的热量并由轴承冷却空气带走，为整个轴系的高速运转提供足够的阻尼，确保轴系的稳定运行。
[0048]
上述的止推箔片气体轴承通过将单片整体成型的顶层箔片10连接于底板30，避免使用多片组合，单独固定的箔片，一方面提高了气体轴承在圆周方向气膜的连续性和完整性，进一步提高了轴承的承载特性，同时顶层箔片10由模具一次成型加工而成，提高了箔片尺寸的一致性，提升了气体轴承的加工质量和生产效率，进一步提升了轴承的抗冲击载荷能力和高速下的运转稳定性。
[0049]
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。
[0050]
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。