一种具有表面织构的组合气体轴承及表面织构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有表面织构的组合气体轴承，包括半圆弧形的固定瓦块，正对着固定瓦块的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，固定瓦块与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构，可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体。本发明专利技术还公开了一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，通过采用遗传进化策略，动态运用选择、交叉和变异等操作，实现可倾瓦块表面织构形状、尺寸参数和分布位置的最优配置，从而最大程度地提高具有表面织构的组合气体轴承的承载性能，改善轴承的服役可靠性。

A combined gas bearing with surface texture and its surface texture design method

The invention discloses a combined gas bearing with surface texture, including a semi-circular arc fixed pad, a semi-circular arc tilting pad unit is arranged facing the opening of the fixed pad, the fixed pad and the tilting pad unit are jointly arranged in a cylindrical shape, and the inner surface of the tilting pad unit is provided with a surface texture and tilting pad. The outer surface of the block unit is provided with a tilting tile support body. The invention also discloses a surface texture design method for combined gas bearings with surface texture. By adopting genetic evolution strategy and dynamic operation of selection, crossover and variation, the optimum configuration of surface texture shape, dimension parameters and distribution position of tilting pads is realized, thereby maximizing the tables. The bearing capacity of the combined gas bearing with surface texture improves the service reliability of the bearing.

【技术实现步骤摘要】
一种具有表面织构的组合气体轴承及表面织构设计方法
本专利技术属于气体轴承动力润滑装置
，具体涉及一种具有表面织构的组合气体轴承，还涉及一种表面织构设计方法。
技术介绍
具有表面织构的组合气体轴承因具有无污染、低噪音、低成本和高转速等特点，在微型燃气轮机发电机组和新型高速高能电机等新一代微型高速动力驱动装置领域得到了广泛的应用。但是，随着新一代微型高速动力驱动装置向高效率、高服役可靠性方向发展，其重要支撑部件具有表面织构的组合气体轴承的服役工况越来越苛刻，对具有表面织构的组合气体轴承的性能要求也越来越高。目前，制约具有表面织构的组合气体轴承性能的根源主要在于轴承-转子系统与润滑气体相互作用时的承载性能，因此，提高具有表面织构的组合气体轴承性能的关键在于改善轴承承载能力。表面织构技术是随着离子刻蚀、表面喷丸、机械微刻以及激光技术等的发展而逐渐发展起来的一种表面处理手段，通过在摩擦副表面加工出合适尺度的表面织构(如：凹槽、凹坑)，能够凭借其二次润滑、容纳磨损颗粒和附加流体动压效应，有效改善摩擦副的承载能力。但是，由于表面织构的形状、尺寸参数、分布形式等对摩擦副的承载能力有较大影响，因此，对表面织构的形状、尺寸参数和分布形式进行优化设计能够最大程度地提高摩擦副承载能力。目前，尚未见在具有表面织构的组合气体轴承表面进行表面织构以改善承载性能的相关专利报道。如何在具有表面织构的组合气体轴承表面进行表面织构优化设计，实现承载能力的最优化，对突破具有表面织构的组合气体轴承性能制约，推动新一代微型高速动力驱动装置向高效率、高服役可靠性方向发展有着十分重要的意义。专利技术内容本专利技术的目的是提供一种具有表面织构的组合气体轴承，解决了现有技术组合气体轴承性能的承载能力不足的问题。本专利技术的另一个目的是提供一种具有表面织构的组合气体轴承表面织构的设计方法，以实现轴承承载性能的最优化。本专利技术所采用的第一种技术方案是，一种具有表面织构的组合气体轴承，包括半圆弧形的固定瓦块，正对着固定瓦块的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，固定瓦块与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构，可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体。本专利技术的特点还在于，可倾瓦块单元包括多个可倾瓦块，表面织构设置于每个可倾瓦块的内表面，可倾瓦块支撑体设置在可倾瓦块的外表面中间位置。可倾瓦块的轴向表面织构率t为100％、周向表面织构率s为10％-50％、表面织构起始角度比k不大于50％，其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度bt与可倾瓦块宽度b的比值，周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度βt与可倾瓦块包角β的比值，表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度βs与可倾瓦块包角β的比值。表面织构为均匀排列的凹坑或凹槽。凹坑形状为半球形、圆柱形或立方体形。凹槽的横截面形状为抛物线形或矩形。凹坑的深度hd为10-100微米，凹坑半径rd为50-200微米，凹槽的深度hd为10-100微米，凹槽宽度rd为50-200微米。本专利技术所采用的第二种技术方案是，采用一种具有表面织构的组合气体轴承的表面织构设计方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、确定表面织构中优化变量的取值范围针对选定的表面织构3的形式和形状，设定表面织构3的轴向表面织构率t为100％，将表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度hd和表面织构半径或宽度rd设定为优化变量，优化时，给定表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度hd和表面织构半径或宽度rd的取值范围分别为10％～50％、0％～50％、10～100微米和50～200微米，其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度bt与可倾瓦块宽度b的比值，周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度βt与可倾瓦块包角β的比值，表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度βs与可倾瓦块包角β的比值；步骤2、确定表面织构优化变量的集合，即染色体群将优化变量表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度hd、表面织构的半径或宽度rd表示成行向量的形式{s、k、hd、rd}，即染色体，根据步骤1所确定的表面织构尺寸参数和分布位置的取值范围，在取值范围内对染色体进行随机实数编码，形成m个行向量，并将行向量形式的m个染色体扩展成矩阵的形式，矩阵的每一行代表一个染色体，矩阵的行数m代表染色体的个数，构成具有m个染色体的染色体群；步骤3、计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力根据步骤2所确定的染色体群，依据气体润滑理论计算每个染色体所对应的一种具有表面织构的组合气体轴承承载力；步骤4、表面织构尺寸参数和分布位置的遗传进化操作利用轮盘赌法，选择承载力较高的染色体，形成子代染色体群，对子代染色体进行交叉和变异操作；步骤5、确定最佳的表面织构尺寸参数和分布位置重复步骤3和步骤4，直到获得最大的轴承承载力，给出轴承承载力最大时的染色体，即最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度hd和表面织构半径/宽度rd；步骤6、确定最优表面织构形状、尺寸参数和分布位置，调整凹坑或凹槽形状，重复步骤1至步骤5，得到全部凹坑或凹槽形状最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度hd、表面织构半径/宽度rd及相应的承载力，根据承载力，即得最优的表面织构形状及其对应的尺寸参数和分布位置。步骤3的计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力的具体步骤如下：根据步骤2所确定的染色体群计算染色体群中各个染色体所对应的具有表面织构的组合气体轴承承载力，在计算轴承承载力时，固定瓦块1在轴承坐标系xOby中的气膜力FX1和FY1可通过调用轴承偏心率和偏位角，代入Reynolds方程中直接求解，可倾瓦块(2)在轴承坐标系xOby中的承载力可根据以下步骤求解：步骤3.1、给定可倾瓦块支撑体位置角φki及相对摆角的初值αi/ψ，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξiOiηi中的偏心率εi：其中，ψ为轴承间隙比，即轴承半径间隙c和轴承半径R的比值，δ为预负荷系数、ε为轴承偏心率、θ为偏位角；步骤3.2、根据可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系ξiOiηi中的偏位角γi及步骤2所确定的染色体群，计算可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξiOiηi中无量纲气膜厚度Hi：Hi＝1+εicos(φi-γi)+Hti(2)其中，Hti为可倾瓦块表面织构造成的无量纲气膜厚度，φi为从可倾瓦块轴瓦坐标系纵轴负向开始计量的气膜位置角度；步骤3.3、将求得的可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系统ξiOiηi中气膜厚度Hi代入Reynolds方程，求得无量纲气膜压力Pi，可倾瓦块(2)的动压润滑Reynolds方程为：其中，Λ＝6ωμ/paψ2为轴承数，λ＝z/R为无量纲轴向坐标，z为有量纲轴向坐标，为无量纲周向坐标，通过对无量纲压力Pi求积分得到可倾瓦块(2)的径向和切向气膜力分量Fθi和Fεi；步骤3.4、具有表面织构的组合气体轴承在其运行过程中，可倾瓦块(2)要平衡，可倾瓦块(2)的平衡条件为：根据可倾瓦块(2)的平衡条件，可更新可倾瓦块(2)在轴瓦坐标系中的偏位角，即：步骤3.5、修正可倾瓦块(2)的相对摆角αi/ψ，修正后的可倾瓦块(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，包括半圆弧形的固定瓦块(1)，正对着所述固定瓦块(1)的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，所述固定瓦块(1)与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，所述可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构(3)，所述可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体(4)。

【技术特征摘要】
1.一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，包括半圆弧形的固定瓦块(1)，正对着所述固定瓦块(1)的开口设置有半圆弧形的可倾瓦块单元，所述固定瓦块(1)与可倾瓦块单元共同围成圆柱形，所述可倾瓦块单元的内表面设置有表面织构(3)，所述可倾瓦块单元的外表面设置有可倾瓦块支撑体(4)。2.根据权利要求1所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述可倾瓦块单元包括多个可倾瓦块(2)，所述表面织构(3)设置于每个所述可倾瓦块(2)的内表面，所述可倾瓦块支撑体(4)设置在可倾瓦块(2)的外表面中间位置。3.根据权利要求2所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述可倾瓦块(2)的轴向表面织构率t为100％、周向表面织构率s为10％-50％、表面织构起始角度比k不大于50％，其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度bt与可倾瓦块宽度b的比值，周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度βt与可倾瓦块包角β的比值，表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度βs与可倾瓦块包角β的比值。4.根据权利要求3所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述的表面织构(3)为均匀排列的凹坑或凹槽。5.根据权利要求4所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述凹坑形状为半球形、圆柱形或立方体形。6.根据权利要求4所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述凹槽的横截面形状为抛物线形或矩形。7.根据权利要求4所述的一种具有表面织构的组合气体轴承，其特征在于，所述凹坑的深度hd为10-100微米，所述凹坑半径rd为50-200微米，所述凹槽的深度hd为10-100微米，所述凹槽宽度rd为50-200微米。8.一种如权利要求4所述的表面织构的设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、确定表面织构中优化变量的取值范围针对选定的表面织构3的形式和形状，设定表面织构3的轴向表面织构率t为100％，将表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度hd和表面织构半径或宽度rd设定为优化变量，优化时，给定表面织构的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构深度hd和表面织构半径或宽度rd的取值范围分别为10％～50％、0％～50％、10～100微米和50～200微米，其中，轴向表面织构率t为表面织构区域的轴向宽度bt与可倾瓦块宽度b的比值，周向表面织构率s为表面织构区域的周向角度βt与可倾瓦块包角β的比值，表面织构起始角度比k为表面织构距离可倾瓦起始边的角度βs与可倾瓦块包角β的比值；步骤2、确定表面织构优化变量的集合，即染色体群将优化变量表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度hd、表面织构的半径或宽度rd表示成行向量的形式{s、k、hd、rd}，即染色体，根据步骤1所确定的表面织构尺寸参数和分布位置的取值范围，在取值范围内对染色体进行随机实数编码，形成m个行向量，并将行向量形式的m个染色体扩展成矩阵的形式，矩阵的每一行代表一个染色体，矩阵的行数m代表染色体的个数，构成具有m个染色体的染色体群；步骤3、计算一种具有表面织构的组合气体轴承的承载力根据步骤2所确定的染色体群，依据气体润滑理论计算每个染色体所对应的一种具有表面织构的组合气体轴承承载力；步骤4、表面织构尺寸参数和分布位置的遗传进化操作利用轮盘赌法，选择适承载力较高的染色体，形成子代染色体群，对子代染色体进行交叉和变异操作；步骤5、确定最佳的表面织构尺寸参数和分布位置重复步骤3和步骤4，直到获得最大的轴承承载力，给出轴承承载力最大时的染色体，即最佳的周向表面织构率s、表面织构起始角度比k、表面织构的深度hd和表面织构半径/宽度rd；步骤6、确定最优表面织构形状、尺寸参数和分布位置，调整凹坑或凹槽形状，重复步骤1至步骤5，得到全部凹坑或凹槽形状最佳的周向表面织构率s...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永芳，吕延军，刘成，李莎，康建雄，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61