一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承

本发明属于空气轴承，具体涉及一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承。

背景技术：

1、可倾瓦气体轴承是以周围的空气作为润滑剂、利用气体动压效应支撑转子载荷的轴承，气体轴承通过在转轴和轴瓦之间形成一层气膜使转轴与轴瓦隔开从而达到减小摩擦力的目的。相对于传统的滚动轴承，具有无污染、无油润滑、高转速、在极端环境下良好运行等优点，被广泛应用于飞机空气循环系统、无油涡轮增压器、燃料电池空压机等设备中，具有广泛的应用前景。但是现有的可倾瓦气体轴承因其瓦面是刚性的，并且气体轴承的阻尼往往不够，对系统的不平衡响应下的同步和次同步振动无法起到较好的抑制作用，使轴承的高转速和大范围应用受到了极大的限制。

2、目前，对于传统的箔片气体轴承，由于箔片是一种柔性结构，具有一定的刚度和阻尼，作为轴承的支撑结构，能够使轴承的承载能力和轴承的阻尼得到一定的提高，但是由于箔片气体轴承存在交叉刚度，会对转子产生负阻尼作用，使转子产生次同步振动，而箔片之间的摩擦阻尼无法抑制这种次同步振动，使得其支撑的转子系统高速稳定性较差。

3、为了提高气体轴承的稳定性，增大轴承的阻尼，目前采用较多的是在轴承上安装挤压油膜阻尼器，比如申请号为cn202011105567.7的基于封闭式挤压油膜阻尼器的多孔质可倾瓦轴承，该申请公布的使用挤压膜油膜阻尼器的可倾瓦轴承具有外壳、瓦片和挤压油膜阻尼器，挤压油膜阻尼器位于瓦片和外壳之间，用于对瓦片提供径向支撑和抑制轴瓦工作时的振动，但是挤压膜油膜阻尼器工作时存在油液泄露的风险，可能对环境产生污染。

4、另外，传统可倾瓦气体轴承的轴承体和轴瓦通常是通过装配实现的，轴瓦和支点之间容易产生磨损并影响轴承精度，并且在制造装配时会产生误差的累积，从而影响轴承的整体性能。

5、因此，亟需设计一种新型的高阻尼气体轴承，且具有良好的系统稳定性和整体性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是：解决现有技术中存在的气体轴承阻尼不足的问题，提供一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，通过将压电陶瓷叠堆加入到可倾瓦气体轴承中，利用压电陶瓷的正压电效应，通过菱形弹簧结构传递机械能使压电陶瓷叠堆产生电荷，以耗散可倾瓦工作时的动能，从而来提高轴承的整体阻尼效果，使得轴承同时具有高刚度、高稳定性和完全无油工作的特点。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，包括轴承体，以及径向设置在轴承体内的预紧螺钉、紧定螺钉、盖板、菱形弹簧结构和压电陶瓷叠堆；所述轴承体的内弧面上沿圆周方向间隔均匀设置有多个可倾瓦，可倾瓦的外弧面上通过连接偏心设置的转动梁和径向位移梁与轴承体铰接，轴承体的外弧面上沿径向方向设置有连通至径向位移梁的径向槽；所述径向槽的槽口上连接有盖板，径向槽内的径向位移梁与盖板之间设置有与二者径向接触的菱形弹簧结构，菱形弹簧结构两侧均设置有压电陶瓷叠堆，其与菱形弹簧结构和轴承体接触连接；所述盖板的两侧通过紧定螺钉紧密固定在轴承体内，盖板的中部通过预紧螺钉与菱形弹簧结构的上端面预紧接触，菱形弹簧结构的下端面与径向位移梁接触连接。

3、所述转动梁的一端沿径向方向偏心连接在可倾瓦的外弧面上，另一端与径向位移梁垂直连接，且所述径向位移梁的长度方向两端与轴承体铰接，径向位移梁的外侧面与菱形弹簧结构接触连接。

4、所述可倾瓦、转动梁和径向位移梁在轴承体内通过电火花切割加工成型，且可倾瓦、转动梁和径向位移梁与轴承体一起构成一体化结构。

5、所述可倾瓦在轴承体的内弧面上沿圆周方向间隔均匀设置有四个，且每个可倾瓦的偏置比为0.6，可倾瓦所对应的圆心角范围为70°~80°，可倾瓦的厚度为4～8mm。

6、所述盖板为凸字板型结构，其中部贯穿设置有与预紧螺钉螺纹配合的预紧螺钉孔，两侧贯穿设置有与紧定螺钉螺纹配合的紧定螺钉孔，且预紧螺钉孔和紧定螺钉孔的轴线位于同一平面上。

7、所述预紧螺钉为内六角平端紧固螺钉，其与菱形弹簧结构上端的接触面为平面。

8、所述菱形弹簧结构为由两个短边和两个长边组成的对称结构，短边与长边之间的连接处以及长边多段之间的连接处均设置有柔性铰接槽，且菱形弹簧结构通过两个短边与压电陶瓷叠堆接触连接。

9、所述压电陶瓷叠堆上连接有外部电路，电路中包含用于产生机电耦合共振和耗散其产生电能的电阻、电感元件。

10、本发明的有益效果是：

11、1）本发明通过将压电陶瓷叠堆加入到可倾瓦气体轴承中，利用压电陶瓷的正压电效应，通过菱形弹簧结构放大振动位移使压电陶瓷叠堆产生电荷，以耗散可倾瓦工作时的动能，从而来提高轴承的整体阻尼效果，使得轴承同时具有高刚度、高稳定性和完全无油工作的特点。

12、2）本发明使用压电陶瓷叠堆作为可倾瓦径向支撑中的一部分，由于压电陶瓷叠堆的高刚度特性，使得其能够提供相对于油阻尼、金属丝网、橡胶等其他阻尼结构更高的支撑刚度，系统具有更高的自然频率。

13、3）本发明通过菱形弹簧结构将轴承工作时可倾瓦的振动传递给压电陶瓷叠堆，使每块可倾瓦下的两个压电陶瓷叠堆实现机械串联，保持结构的紧凑，增加了能量的转化，同时保证压电陶瓷叠堆受力的均衡和长久工作下的安全性。

14、4）本发明的径向气体轴承，通过使轴瓦与轴承体加工成一体化结构并且二者通过柔性支撑梁连接，避免了加工装配误差的累计对轴承设计性能的影响，同时加入菱形弹簧结构和压电陶瓷叠堆以耗散可倾瓦工作时的动能，增大了轴承的整体阻尼，在长期使用中保持阻尼性能，摒弃了以往采用的油阻尼器，使其工作在完全无油的环境中，避免产生对环境的污染。

15、轴承工作时，由于受到楔形间隙的影响，轴承上的可倾瓦受到气膜压力的影响会产生左右摆动和上下振动，可倾瓦会通过柔性支撑梁作用于菱形弹簧机构，菱形弹簧结构产生变形挤压压电陶瓷叠堆产生电荷通过外接电路达到耗能的效果，因此，在柔性支撑梁、菱形弹簧和压电陶瓷叠堆的共同作用下，径向气体轴承具有高刚度、高阻尼、无污染、稳定可靠的优点。

技术特征：

1.一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：包括轴承体（6），以及径向设置在轴承体（6）内的预紧螺钉（1）、紧定螺钉（2）、盖板（3）、菱形弹簧结构（4）和压电陶瓷叠堆（5）；

2.根据权利要求1所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述转动梁（602）的一端沿径向方向偏心连接在可倾瓦（601）的外弧面上，另一端与径向位移梁（603）垂直连接，且径向位移梁（603）的长度方向两端与轴承体（6）铰接，径向位移梁（603）的外侧面与菱形弹簧结构（4）接触连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述可倾瓦（601）、转动梁（602）和径向位移梁（603）在轴承体（6）内通过电火花切割加工成型，且可倾瓦（601）、转动梁（602）和径向位移梁（603）与轴承体（6）共同构成一体化结构。

4.根据权利要求2所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述可倾瓦（601）在轴承体（6）的内弧面上沿圆周方向间隔均匀设置有四个，且每个可倾瓦（601）的偏置比为0.6，可倾瓦（601）所对应的圆心角范围为70°~80°，可倾瓦（601）的厚度为4～8mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述盖板（3）为凸字板型结构，其中部贯穿设置有与预紧螺钉（1）螺纹配合的预紧螺钉孔（301），两侧贯穿设置有与紧定螺钉（2）螺纹配合的紧定螺钉孔（302），且预紧螺钉孔（301）和紧定螺钉孔（302）的轴线位于同一平面上。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述预紧螺钉（1）为内六角平端紧固螺钉，其与菱形弹簧结构（4）上端的接触面为平面。

7.根据权利要求1所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述菱形弹簧结构（4）为由两个短边和两个长边组成的对称结构，短边与长边之间的连接处以及长边多段之间的连接处均设置有柔性铰接槽，且菱形弹簧结构（4）通过两个短边与压电陶瓷叠堆（5）接触连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，其特征在于：所述压电陶瓷叠堆（5）上连接有外部电路，电路中包含用于产生机电耦合共振和耗散其产生电能的电阻、电感元件。

技术总结本发明公开了一种基于压电分流阻尼的柔性支撑可倾瓦径向气体轴承，属于空气轴承技术领域；包括轴承体、预紧螺钉、紧定螺钉、盖板、菱形弹簧结构和压电陶瓷叠堆；轴承体的内弧面上设置有多个可倾瓦，外弧面通过转动梁和径向位移梁与轴承体铰接，轴承体的外弧面上设置有连通至径向位移梁的径向槽；径向槽的槽口上连接有盖板，且径向位移梁与盖板之间设置有菱形弹簧结构，菱形弹簧结构两侧均设置有压电陶瓷叠堆，其与菱形弹簧结构和轴承体接触连接。本发明利用压电陶瓷的正压电效应，通过菱形弹簧结构传递机械能使压电陶瓷叠堆产生电荷，以耗散可倾瓦工作时的动能，来提高轴承的整体阻尼效果，使其具有高刚度、高稳定性和完全无油工作的特点。技术研发人员：石明辉,牛光辉,高明,郭红受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25