一种平箔片以及织构化波箔动压气体推力轴承

摘要

本发明涉及一种平箔片以及织构化波箔动压气体推力轴承，该轴承主要是在平箔片上构建一种织构化的结果，其包括轴承底盘、平箔片、波箔片；织构化波箔动压气体轴承平箔上有沿半径方向和圆周方向分布的凹坑，每片平箔上的凹坑分布方式以及凹坑参数均相同，凹坑参数为凹坑深度，凹坑形状，凹坑面积率；本发明将表面织构加工于波箔动压气体推力轴承平箔形成一种新型织构化波箔动压气体推力轴承，减小了波可靠性箔动压气体推力轴承运行时的摩擦磨损，提高了波箔动压气体推力轴承的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种平箔片以及一种能够承受一定轴向载荷的织构化波箔动压气体推力轴 承，属于气体动压润滑领域。

背景技术

长期以来液体润滑轴承在工业应用中有着举足轻重的地位，然而由于受到高温高速、超 高精度、对周围环境污染程度、工作寿命以及成本等方面的影响，液体润滑轴承的应用受到 限制。在近代超精密、超高速技术领域内，气体润滑技术应运而生，20世纪中期气体润滑技 术得到迅速发展。

气体润滑有着这样一些特点：气体的粘度滴只有液体的1％-0.01％，气体润滑相比于液体 润滑产生的热量要小得多，并且可以认为气体润滑没有摩擦而极度灵敏，因此对于超精密和 超高速的场合只有气体润滑能够胜；气体润滑安全可靠，采用氮、氦等惰性气体作为润滑剂 可以应用于易爆易燃危险场所；气体润滑对环境无污染，噪声较低；气体润滑的成本比较低， 气体润滑不仅供应装置简单，而且润滑气体无需回收，尤其是使用空气作为润滑剂时，可谓 取之不尽用之不竭。

根据气体润滑承载机理可分为三类：气体静压轴承、气体动压轴承和气体挤压膜轴承， 气体动压轴承又可以分为刚性轴承和弹性箔片轴承。气体静压轴承虽然有较好的运行效果和 较长的使用寿命，但需要外部供压装置维持稳定的工作能力，因此结构复杂，使用成本较高， 不能在一些空间有限的场合使用。气体动压轴承中的刚性轴承无需外部供压装置，刚性轴承 在工作时推力盘和轴承座之间的距离一般在10μm左右，对轴承的装配精度和加工精度要求 较高，安装对中难度大，轴承运行稳定性比较低，在振动冲击情况下刚性轴承极易发生气膜 破裂，运行失稳现象。相比于刚性轴承波箔动压气体轴承在轴承座上安装了弹性箔片，箔片 在受载时会发生弹性变形，因而吸收多余的能量，具有良好的自适应性。与传统轴承相比箔 片轴承具有以下优点：承载力相对较高，由于箔片结构的弹性变形，推力盘在最小气膜厚度 为几个微米的情况下仍然能稳定运行。当转轴上有脉冲波动时，其能量转换成波箔的弹性变 形，使气膜维持稳定，转轴的涡动动能被箔片吸收，抑制自激涡动的形成，为轴承稳定工作 提供良好的条件；环境适应性强，以气体作为润滑介质，其物理性质比较稳定，所以在高温、 低温、辐射的情况下仍然能够正常工作；使用寿命长，轴承正常工作时推力盘和箔片被气膜 分开，可以认为是没有磨损的，然而在轴承启停过程中，气膜未完全形成，容易轴承的摩擦 磨损，影响轴承寿命，因此启停次数很大程度上决定了轴承的寿命。

波箔轴承运行时摩擦磨损严重，限制了波箔动压气体寿命，制约轴其应用。目前波箔动 压气体仍然需要进口，国产波箔动压气体轴承尚未成功投入使用，与国外相差甚远，因此研 究波箔动压气体轴承有着十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种平箔片以及一种使 用寿命长，且磨损小的织构化波箔气体推力轴承。

本发明提供的平箔片，在其上表面均匀开有若干微米级的凹坑，形成表面织构化的平箔 片。

一种织构化波箔动压气体推力轴承，包括轴承底盘、平箔片、波箔片，平箔片和波箔片 安装在轴承底盘上，平箔片呈扇形沿周向均匀分布在波箔片上方；在所述平箔片上表面均匀 开有若干微米级的凹坑，形成表面织构化的平箔片；所述凹坑成排设置在平箔片表面上，所 述凹坑的深度在3至30微米之间，所述凹坑总面积在平箔片上的占比在1％至90％之间。 6.根据权利要求2所述的一种复合型主减周期撑杆，其特征在于，所述凹坑形状为矩形、三 角形、圆形或者椭圆形。

作为一种优选，所述凹坑为矩形，其沿着平箔片径向和周向排列。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

与现有技术相比，本发明的优点是：(1)利用凹坑在波箔动压气体推力轴承运行时产生 的额外的流体动压润滑效果，减小波箔动压气体推力轴承气体阶段的摩擦磨损，提高其寿命； (2)平箔上的凹坑能收集波箔动压气体推力轴承运行过程中产生的磨屑，避免磨屑浸入润滑 表面，损伤轴承。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明提供的织构化波箔动压气体推力轴承结构示意图；

图2为本发明提供的织构化波箔动压气体推力轴承结构示意图；

图3为实施例中计算区域的示意图；

图4为织构平箔表面无量纲气膜压力分布；

图5为无量纲气膜厚度分布；

图6为光滑平箔表面无量气膜压力分布；

图7为显微镜下织构的形貌；

图中，1-凹坑；2-织构化平箔；3-轴承底盘；4-波箔片；5-波箔箔拱；6-计算区域

具体实施方式

本发明提供一种平箔片以及织构化波箔动压气体推力轴承，为使本发明的目的，技术方 案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此 处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提供的平箔片，如图7所示，在其上表面均匀开有若干微米级的凹坑，形成表 面织构化的平箔片。

将上述平箔片应用到轴承上，使其成为一种织构化波箔动压气体推力轴承，如图1、图2 所示，该轴承包括轴承底盘3、平箔片2、波箔片4，平箔片2和波箔片4安装在轴承底盘3 上，平箔片2呈扇形沿周向均匀分布在波箔片4上方；在平箔2片上表面均匀开有若干微米 级的凹坑1，形成表面织构化的平箔片2。凹坑1面积率即单个凹坑面积与凹坑数目的乘积与 平箔承载区面积的比值，凹坑1的具体参数可以通过建立并求解具体情况下的织构化波箔动 压气体推力轴承气膜压力分布模型得到。

实施例1

在本实施例中，该凹坑1为矩形，其沿着平箔片2径向的方向排列在平箔片2表面上， 凹坑1的深度为3微米，凹坑1长度150μm，宽度60μm的矩形凹坑；凹坑1总面积在平箔 片2上的占比为15.8％。

实施例2

在本实施例中，该凹坑1为圆形，其沿着平箔片2径向的方向排列在平箔片2表面上， 凹坑1的深度为30微米；凹坑1总面积在平箔片上的占比为1％。

实施例3

在本实施例中，该凹坑1为三角形，其沿着平箔片2径向的方向排列在平箔片2表面上， 凹坑1的深度为15微米；凹坑1总面积在平箔片上的占比为90％。

以实施例1中的数据参数进行详细计算说理，凹坑1的加工方法可以选择激光加工，光 刻微细电解加工，压刻加工等等。发明人还成功在平箔片2上加工出多种形式的凹坑1，例 如，发明人曾在平箔上加工出面积率15.8％，凹坑1深度分别5μm，10μm，20μm，关于平箔 片2半径对称，沿平箔片2半径方向均匀分布的矩形凹坑。

在设计、制造织构化的平箔片2时，首先，建立数学模型；在建模之前首先给出建模所 需要的参数名称及符号，具体参照表1

表1

考虑到垂直于速度方向以及平行于速度方向的凹坑均存在着影响，而国内外学者研究对 象多以垂直于速度方向的单排凹坑为主，因此选取如图3(示意图)所示计算区域内进行计算， 计算区域6内包含5(径向)×6(周向)，共30个凹坑，计算区域跨越两个波箔箔拱5，这样既 完整地考虑了平箔片的弹性变形，同时计在算区域内有足够多的凹坑，有利于分析凹坑之间 的相互作用和引入凹坑后的气膜压力分布规律，也大大节约了计算成本。凹坑面积率Sp定义 为计算区域内凹坑的面积与计算区域面积的比值S_p＝(2nbl/(R1²θ-R2²θ))，定义凹坑长宽比 α_p＝l/b。

考虑到要将气体方程无量纲化，略去小项，去如下无量化关系式：

$\bar{r}=\frac{r}{R_3},\bar{h}=\frac{h}{\delta },\bar{p}=\frac{p}{p_a},{\bar{h}}_2=\frac{h_2}{\delta },{\bar{h}}_p=\frac{h_p}{\delta },w_b=\frac{w_b}{\delta },w_t=\frac{w_t}{\delta }---\left(1\right)$

由N-S方程和连续性方程得定常流动气体推力波箔轴承雷诺方程，将Reynolds方程无量纲 化后可得：

$\frac{1}{\bar{r}}\frac{\partial }{\partial \bar{r}}r\left(\bar{p}{\bar{h}}^3\bar{r}\frac{\partial \bar{p}}{\partial \bar{r}}\right)+\frac{1}{\bar{r}2}\frac{\partial }{\partial \theta }\left(\bar{p}{\bar{h}}^3\frac{\partial \bar{p}}{\partial \theta }\right)=\lambda \frac{\partial }{\partial \theta }\left(\bar{p}\bar{h}\right)---\left(2\right)$

从Reynolds方程可以看出，要求气膜压力分布，还需推导气膜厚度方程，气膜厚度方程 有轴承结构和箔片变形，凹坑尺寸共同决定。将膜厚度方程无量纲化可得：

对建立模型进行气弹耦合数值求解，织构表面无量纲气膜压力如图4所示，无量纲气膜厚 度如图5所示，光滑表面无量纲气膜压力分布如图6所示。观察图3可以发现，在静止的平箔上 做合适的表面处理确实可以带来额外的流体动压润滑效果。

采用光刻微细电解加工方法在平箔上加工出表面织构。加工步骤包括(1)表面预处理； (2)涂胶；(3)曝光(4)显影；(5)电解；(6)去胶。随后将加工有表面织构的波箔型材 经线切割，折弯成织构化平箔。最后将织构平箔安装在轴承推力盘上形成织构化波箔动压气 体推力轴承并在实验台上进行轴承性能测试，观察轴承推力盘及平箔的磨损情况，测试轴承 静动特性参数。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理 可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。