一种波箔组件、箔片动压空气轴承及轴系的制作方法

1.本发明涉及箔片轴承领域，尤其涉及一种波箔组件、箔片动压空气轴承及轴系。


背景技术：

2.箔片动压空气轴承是旋转机械轴系的关键支撑部件，尤其适用于高转速、轻负载、高温、低温以及无油工况，其主要由顶箔、波箔和轴承套筒这三个零件构成。
3.波箔是决定整个箔片动压空气轴承性能和可靠性的关键零件，旋转机械轴系要求波箔有较好的承载能力和抗振动冲击能力。其中，抗振动冲击能力体现为利用波箔与顶箔之间、波箔与轴承套筒之间的阻尼将振动冲击的机械能迅速转化为内能。如果箔片动压空气轴承的阻尼性能不足，则容易导致工作转速范围内转子-轴承系统失稳甚至卡死。
4.在现有的箔片动压空气轴承中，出于装配工艺性考虑，通常将顶箔的一端和波箔的一端通过销紧或焊接的工艺固定在轴承套筒上，波箔便形成了典型的一端固定，一端自由的结构。这种结构给箔片动压空气轴承带来了天然的不对称性，造成自由端阻尼效果好，固定端效果差的情况，最终导致箔片动压空气轴承的阻尼性能不足。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种波箔组件。
6.本发明提供如下技术方案：一种波箔组件，包括定位箔片和多个拱波单元；所述定位箔片上开设有多个定位槽，多个所述定位槽沿所述定位箔片的周向排列，并与多个所述拱波单元分别对应；所述拱波单元包括相互连接的第一定位部和变形部，所述第一定位部与所述定位箔片朝向轴承套筒的一侧相抵，所述变形部呈拱形设置，所述变形部穿设于所述定位槽内，且所述定位槽沿所述定位箔片的周向的两侧壁不与所述变形部接触。
7.作为对所述波箔组件的进一步可选的方案，所述变形部远离所述第一定位部的一侧搭接于相邻的所述拱波单元的所述第一定位部上。
8.作为对所述波箔组件的进一步可选的方案，所述变形部远离所述第一定位部的一侧搭接于所述定位箔片背向所述轴承套筒的一侧。
9.作为对所述波箔组件的进一步可选的方案，所述变形部远离所述第一定位部的一侧设有第二定位部，所述第二定位部位于相邻的所述拱波单元的所述第一定位部背向所述定位箔片的一侧。
10.作为对所述波箔组件的进一步可选的方案，所述定位槽沿所述定位箔片的轴向的两侧壁不与所述变形部抵持以避免所述变形部卡住。
11.作为对所述波箔组件的进一步可选的方案，所述定位槽沿所述定位箔片的轴向设有多组。
12.本发明的另一目的是提供一种箔片动压空气轴承。
13.本发明提供如下技术方案：一种箔片动压空气轴承，包括顶箔、轴承套筒和上述波箔组件；所述变形部的拱顶与所述顶箔相抵，所述第一定位部与所述轴承套筒相抵。
14.本发明的又一目的是提供一种轴系。
15.本发明提供如下技术方案：一种轴系，包括上述箔片动压空气轴承。
16.本发明的实施例具有如下有益效果：使拱波单元的第一定位部与定位箔片朝向轴承套筒的一侧相抵，并使变形部穿过定位槽，从而利用定位箔片对拱波单元在定位箔片的周向和轴向进行限制。与此同时，定位槽沿定位箔片周向的两侧壁不与变形部接触，当变形部所受的压力发生变化时，整个拱波单元沿定位箔片周向的两端能够自由移动，发生摩擦。与传统的整片连续波箔结构相比，上述波箔组件中的各个拱波单元相互分离解耦，不会出现相邻拱波之间的内力抵消以致无法移动，进而导致无法产生摩擦阻尼的情况。因此，上述波箔组件中的拱波单元更容易变形，更容易与轴承套筒和顶箔发生相对滑动，摩擦阻尼效果更强，有效提升了箔片动压空气轴承的阻尼性能。
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
19.图1示出了背景技术中箔片动压空气轴承的整体结构示意图；图2示出了背景技术中箔片动压空气轴承沿周向展开后的结构示意图；图3示出了背景技术中单个拱波在受压后的形变示意图；图4示出了背景技术中相邻两个拱波在受压后的形变示意图；图5示出了背景技术中轴承载荷位于波箔自由端的状态示意图；图6示出了背景技术中轴承载荷位于波箔固定端的状态示意图；图7示出了背景技术中冲压模具的结构示意图；图8示出了本发明实施例1提供的一种波箔组件的整体结构示意图；图9示出了本发明实施例1提供的一种波箔组件在另一视角下的结构示意图；图10示出了图9中a处放大示意图；图11示出了本发明实施例1提供的一种波箔组件中拱波单元的结构示意图；图12示出了本发明实施例1提供的一种箔片动压空气轴承的整体结构示意图；图13示出了本发明实施例1提供的一种箔片动压空气轴承沿周向展开后的局部结构示意图；图14示出了本发明实施例1提供的一种箔片动压空气轴承在制作过程中所使用的成型模具的结构示意图；
图15示出了本发明实施例2提供的一种箔片动压空气轴承中定位箔片与拱波单元的配合关系示意图；图16示出了本发明实施例3提供的一种箔片动压空气轴承中定位箔片与拱波单元的配合关系示意图。
20.主要元件符号说明：100-波箔组件；110-定位箔片；111-定位槽；112-连接部；120-拱波单元；121-第一定位部；122-变形部；123-第二定位部；200-顶箔；210-安装部；300-轴承套筒；400-波箔；500-冲压模具；600-成型模具。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。
24.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。
25.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技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.箔片动压空气轴承的刚度和阻尼由两部分组成：气膜刚度和阻尼、箔片结构刚度和摩擦阻尼。一般而言，箔片结构刚度和摩擦阻尼占整个箔片动压空气轴承的主要部分。
27.请参阅图1，现有的箔片动压空气轴承由顶箔200、波箔400和轴承套筒300组成，顶箔200的一端和波箔400的一端均插接于轴承套筒300的内壁上，并通过销紧键与轴承套筒300销接固定，转轴被顶箔200包络。其中，顶箔200和波箔400形成第一摩擦副，波箔400和轴承套筒300形成第二摩擦副。
28.现有的箔片动压空气轴承工作时，在转轴与顶箔200之间会形成一层气膜。对于顶箔200上主要承受轴承载荷的区域而言，气膜压力也更大。前述摩擦阻尼是指在气膜压力作
用下，顶箔200压迫波箔400变形，使得顶箔200和波箔400之间、波箔400和轴承套筒300之间产生微小的相对运动，形成摩擦，并利用摩擦力做功将动能转化为内能。摩擦力做功的功率越大，则摩擦阻尼效果越好，消耗动能的速度越快，从而能够更有效地抑制旋转机械轴系中的振动冲击。
29.请参阅图2，为了更加直观地体现现有的箔片动压空气轴承各结构之间的受力情况，将现有的箔片动压空气轴承沿周向展开。波箔400上有很多个形状类似的拱波b1\b2\...\bi-1\ bi\ bi 1\...\bn，其中，拱波b1作为固定端与轴承套筒300固定在一起，拱波bn则作为自由端沿箔片动压空气轴承的周向自由伸展。
30.请参阅图3，忽略顶箔200与波箔400之间的摩擦，对单个拱波bi（1≤i≤n）进行受力分析。实线代表变形前的拱波，虚线代表变形后的拱波。在气膜压力p作用下，拱波bi的顶部会向下凹陷，对拱波bi的两个底部产生水平推力。当拱波bi的两个底部所受的水平推力大于其与轴承套筒300之间的摩擦力时，拱波bi的两个底部将沿箔片动压空气轴承的周向分别向两侧自由移动。
31.请参阅图4，忽略顶箔200与波箔400之间的摩擦，对相邻两个拱波bi和bi 1进行受力分析。实线代表变形前的拱波，虚线代表变形后的拱波。在相同的气膜压力p作用下，拱波bi和拱波bi 1的顶部同时向下凹陷，分别对拱波bi的两个底部和拱波bi 1的两个底部产生相同的水平推力。
32.一方面，当拱波bi的右侧底部和拱波bi 1的左侧底部所受的水平推力分别大于其与轴承套筒300之间的摩擦力时，拱波bi的右侧底部和拱波bi 1的左侧底部会相对于轴承套筒300移动，产生摩擦。另一方面，拱波bi的左侧底部和拱波bi 1的右侧底部所受的水平推力相互抵消，二者作为整体时所受的合力为零，不足以克服与轴承套筒300之间的摩擦力，故拱波bi的左侧底部和拱波bi 1的右侧底部无法相对于轴承套筒300移动，也就无法贡献摩擦阻尼。
33.在整个受气膜压力p作用的区域内，第i个拱波bi的左侧底部水平推力作用在第i 1个拱波bi 1的右侧底部，为结构内力，阻碍了两个相临拱波bi和bi 1沿波箔400节距方向的自由移动。甚至在某些情况下，第i 1个拱波bi 1的右侧底部水平推力和第i个拱波bi的左侧底部水平推力的合力较小，无法克服与轴承套筒300之间的摩擦力。此时，波箔400和轴承套筒300之间相对静止，波箔400和顶箔200之间相对静止，所有摩擦力不做功，不消耗动能，不贡献阻尼。
34.总之，在受气膜压力p作用的区域内，各个拱波bi-1、bi、bi 1之间相互约束，阻碍彼此沿箔片动压空气轴承的周向朝向两端自由移动的可能性，不利于发生相对移动以产生摩擦阻尼消耗能量。
35.请一并参阅图5和图6，在整个波箔400的角度来看，由于顶箔200上主要承受轴承载荷的区域不断变化，各处的气膜压力也不断改变。
36.当轴承载荷靠近波箔400的自由端时，载荷区右侧的拱波bi 1距离固定端还很远，拱波bi 1的右端基本处于自由状态。在气膜压力p的作用下，所有受载拱波的变形相对容易，箔片结构刚度较小，波箔400与顶箔200之间、波箔400与轴承套筒300之间容易发生相对移动，摩擦阻尼效果较强。
37.但是，当轴承载荷靠近波箔400的固定端时，由于拱波b1右端被销紧键固定，向右
侧运动受限制，整个载荷区的箔片结构刚度增加。此外，由于拱波b1只能通过左侧底部向左移动，故拱波b1必然阻碍拱波b2向右侧移动，以此类推，拱波b2同样对拱波b3形成阻碍。特别地，当作用在拱波bi上的气膜压力p足够大时，拱波b1到拱波bi之间的拱波将完全无法移动。此时，第一摩擦副和第二摩擦副无法有效地通过摩擦力做功来消耗转轴的冲击振动能量，导致箔片动压空气轴承的摩擦阻尼效果差，最终导致转轴的转速无法提高，箔片动压空气轴承的承载能力无法提升。
38.请参阅图7，除了上述缺陷之外，现有的箔片动压空气轴承的波箔400在加工时，通常以一整条带材为原材料，利用冲压模具500冲压成型拱波依次相连的一整片波箔400。这种一整片连续的波箔400结构要求冲压模具500的尺寸必须大于轴承套筒300的展开面积，因此要求冲压模具500做得比较大，同时对冲压模具500形位公差的精度的要求很高，导致冲压模具500成本很高。
39.此外，还要求一整片连续的波箔400一次冲压成型，波箔400的每个拱波成型完整并且成型后不回弹。该工艺要求配套的冲床能力足够大，冲床体积增大，投资成本增加。由于材料为带材，当轴承尺寸较大时，整片波箔400冲压成型后的拱波成型尺寸不易检测，容易受整片波箔400的平面度影响，检测成本增加。
40.总之，现有的连续一整片波箔400结构的加工工艺对设备、冲压模具500和工装的要求极高，增加了研发和制造成本，提高了生产控制及质量控制成本。
41.实施例1请一并参阅图8和图9，本实施例提供一种波箔组件100，应用于箔片动压空气轴承，与箔片动压空气轴承中的顶箔200和轴承套筒300配合工作。波箔组件100包括定位箔片110和多个拱波单元120，其中，多个拱波单元120分别与定位箔片110相互层叠接触，在受力变化时能够独立地发生形变。
42.具体地，定位箔片110的横截面呈弧形，对应的圆心角略小于360
°
。定位箔片110沿周向的一端一体成型有连接部112，用于与轴承套筒300固定连接。此外，定位箔片110上开设有多个定位槽111，各个定位槽111沿定位箔片110的周向分布。
43.请一并参阅图10和图11，具体地，拱波单元120与定位槽111的数量相同，二者一一对应。拱波单元120由第一定位部121和变形部122组成，且第一定位部121和变形部122沿定位箔片110的周向排列。
44.第一定位部121与定位箔片110的外侧壁相抵，变形部122则设置为拱形，并穿设于定位槽111内。变形部122的一侧拱脚与第一定位部121一体成型，变形部122的拱顶则位于定位箔片110的内围，变形部122的另一侧拱脚搭接在相邻的拱波单元120的第一定位部121上。
45.特别地，定位槽111沿定位箔片110周向的两侧壁不与变形部122接触，当变形部122所受的压力发生变化时，整个拱波单元120沿定位箔片110周向的两端能够自由移动，发生摩擦。此外，定位槽111沿定位箔片110轴向的两侧壁不与变形部122抵持，以免变形部122在变形过程中卡住。
46.在不阻碍拱波单元120的自由移动的前提下，定位箔片110既沿自身周向对拱波单元120进行限制，又沿自身轴向对拱波单元120进行限制，使拱波单元120的变形部122稳定在定位槽111内。
47.请再次参阅图8，在本实施例的一个实施方式中，定位槽111沿定位箔片110的轴向设有多组，各组定位槽111沿定位箔片110的轴向排列，拱波单元120与定位槽111对应设置。
48.在本实施例的另一具体实施方式中，定位槽111沿定位箔片110的轴向仅设有一组，拱波单元120为沿定位箔片110轴向的一整条长而窄的细长拱波。
49.总之，将波箔组件100拆分为定位箔片110和多个拱波单元120，并使多个拱波单元120分别与定位箔片110相连，且拱波单元120沿定位箔片110周向的两端均可自由移动，从而使得各个拱波单元120能够独立地发生形变。与传统的整片连续波箔400结构相比，上述波箔组件100中的各个拱波单元120相互分离解耦，不会出现相邻拱波之间的内力抵消以致无法移动，进而导致无法产生摩擦阻尼的情况。因此，上述波箔组件100中的拱波单元120更容易变形，更容易与轴承套筒300和顶箔200发生相对滑动，摩擦阻尼效果更强，有效提升了箔片动压空气轴承的阻尼性能。
50.请参阅图12，本实施例还提供一种箔片动压空气轴承，特别是一种低成本、各向同性的单拱波层叠式强摩擦阻尼箔片动压空气轴承，该箔片动压空气轴承包括顶箔200、轴承套筒300和上述波箔组件100。
51.具体地，轴承套筒300呈圆筒状，作为顶箔200和波箔组件100的安装基础。
52.具体地，定位箔片110的外径小于轴承套筒300的内径，位于定位箔片110一端的连接部112插入轴承套筒300的内孔，并通过销紧键与轴承套筒300固定连接。第一定位部121夹于定位箔片110和轴承套筒300之间，第一定位部121的一侧与定位箔片110相抵，另一侧则与轴承套筒300的内孔相抵。受定位箔片110和轴承套筒300的限制，拱波单元120无法沿箔片动压空气轴承的径向移动。
53.具体地，顶箔200位于波箔组件100内围，且顶箔200的外径小于定位箔片110的内径，顶箔200的外侧壁与各个变形部122的拱顶相抵。顶箔200沿周向的一端一体成型有安装部210，安装部210插入轴承套筒300的内孔，同样通过销紧键与轴承套筒300固定连接。
54.上述箔片动压空气轴承相对于现有技术具有诸多优点，分别阐述如下：（1）在上述箔片动压空气轴承中，每两个相邻的拱波单元120之间不是连续的整体，其中一个拱波单元120的变形部122压在另一个拱波单元120的第一定位部121，二者沿箔片动压空气轴承的周向上只有摩擦力，不会存在现有的连续波箔400由于相邻拱波内力抵消导致拱波和相邻部件之间无相对位移的情况。
55.在气膜压力作用下，每个拱波单元120的变形部122和第一定位部121可以沿箔片动压空气轴承的周向自由移动，相邻两个拱波单元120之间互不阻碍，因此不会出现某个拱波单元120所受摩擦力过大无法移动导致其它拱波单元120也无法移动的情况。
56.简而言之，由于各个拱波单元120相互断开，在相同的载荷情况下，上述波箔组件100比现有的波箔400更容易变形，波箔组件100与顶箔200之间、波箔组件100与轴承套筒300之间更容易发生相对位移，贡献更大的摩擦阻尼。因此，该箔片动压空气轴承更适用于容易出现高速失稳的高速轻载场合，效果更好。
57.（2）上述箔片动压空气轴承通过定位箔片110和轴承套筒300的内孔表面共同作用，对所有的拱波单元120进行轴向和周向限位。每个拱波单元120安装在定位箔片110的定位槽111处，确保每个拱波单元120可以在箔片动压空气轴承的径向和周向自由变形，互不干扰，保证箔片动压空气轴承在周向的各个位置具有相同的刚度和理想的摩擦阻尼。
58.因此，无论轴承载荷作用在定位箔片110的固定端还是自由端，波箔组件100的刚度和摩擦阻尼效果没有大的差异，具有各向同性的优点。在轴承载荷方向不稳定时，或承受较大的动载荷时，上述箔片动压空气轴承的结构比现有技术更加适合。
59.（3）请参阅图13，为了更加直观地体现箔片动压空气轴承各结构之间的配合情况，将箔片动压空气轴承沿周向展开。
60.在该箔片动压空气轴承中，变形部122的拱顶与顶箔200组成第三摩擦副，变形部122远离第一定位部121一侧的拱脚与相邻拱波单元120的第一定位部121组成第四摩擦副，第一定位部121与轴承套筒300组成第五摩擦副，第一定位部121与定位箔片110组成第六摩擦副。
61.其中，第四摩擦副和第六摩擦副为现有的箔片动压空气轴承所不具备。特别是在第四摩擦副中，变形部122的拱脚的移动方向与相邻拱波单元120的第一定位部121的移动方向相反，二者的相对移动距离显著增加，摩擦阻尼性能显著增强，大大提高了系统的稳定性。
62.当箔片动压空气轴承工作时，每个拱波单元120都能在外部载荷作用下自由变形，通过四种摩擦副的摩擦力做功，产生摩擦阻尼，不会出现现有的箔片动压轴承中相邻拱波相互约束阻碍的情况，摩擦阻尼性能更好。
63.（4）请参阅图14，单个拱波单元120的轴向尺寸和周向尺寸远小于现有的连续波箔400，加工过程中可以逐个冲压成型，所需的压机和成型模具600很容易以较低的价格获得，降低了冲压成型成本。同时，由于拱波单元120的尺寸很小，在热处理时不需要与轴承三维尺寸接近的热处理工装，因此可以提高热处理的装炉量，进一步降低了热处理成本。再者，由于拱波单元120的尺寸较小，结构单一，因此检测起来很方便，降低了检测成本。
64.制作上述箔片动压空气轴承的步骤如下：第一步，通过化学蚀刻的方法加工出中间有许多定位槽111的定位箔片110，并将定位箔片110按照设定的直径进行卷圆处理。
65.第二步，利用成型模具600逐个冲压出拱波单元120，进行热处理后备用。
66.第三步，将顶箔200按照设定的直径进行卷圆处理，进行热处理后备用。
67.第四步，将所有拱波单元120依次穿过定位槽111，组成波箔组件100。装配过程中确保定位箔片110压于拱波单元120的第一定位部121上，同时确保拱波单元120的变形部122压在相邻拱波单元120的第一定位部121上。此外，装配时沿着定位槽111逐圈地从底部往上部安装。
68.第五步，每在一圈定位槽111中装配好拱波单元120，就将对应高度的波箔组件100装入到轴承套筒300并固定，确保拱波单元120的第一定位部121贴住轴承套筒300的内孔表面。最后将顶箔200装入轴承套筒300并固定，组成箔片动压空气轴承。
69.本实施例还提供一种轴系，包括轴承座、转轴和上述箔片动压空气轴承。轴承套筒300安装在轴承座上，转轴则穿设于顶箔200内。
70.实施例2请参阅图15，与实施例1的不同之处在于，变形部122远离第一定位部121一侧的拱脚搭接于定位箔片110上，与定位箔片110的内侧壁相抵。
71.此时，第四摩擦副由变形部122远离第一定位部121一侧的拱脚与定位箔片110组
成。由于仅有变形部122的拱脚移动，而定位箔片110不动，故第四摩擦副的摩擦阻尼性能相对于实施例1有所降低。
72.实施例3请参阅图16，与实施例1的不同之处在于，拱波单元120由第一定位部121、变形部122和第二定位部123组成。
73.具体地，变形部122仍设置为拱形，第一定位部121和第二定位部123则分别与变形部122的两个拱脚一体成型。第二定位部123位于相邻的拱波单元120的第一定位部121背向定位箔片110的一侧，换言之，第一定位部121通过相邻的拱波单元120的第二定位部123与轴承套筒300的内孔相抵。
74.此时，第四摩擦副由相邻两个拱波单元120的第一定位部121和第二定位部123组成，第五摩擦副由第二定位部123与轴承套筒300组成。
75.在这里示出和描述的所有示例中，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，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
76.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定义和解释。
77.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。