不同型线柔性轴承的性能分析及比较

　　柔性轴承是在圆形弹性金属薄片上通过线切割等方法加工出各种型线，使得在周向固定时，通过轴向力的作用，弹性薄片可以发生一定的轴向位移，同时保证轴承在径向上具有极大的刚度. 在20 世纪80年代初，英国牛津大学首次设计了牛津(Oxford) 型柔性轴承，应用在低温机械制冷机上，提高了低温制冷机的工作寿命，并在ERS-1ATSR 卫星上得到成功应用[1]. 文献[2]阐述了开发和测试用于小型战术低温制冷机上的柔性轴承系统，该系统在一个低成本的程序包里成功的实现了柔性轴承较高径向刚度的设计特点，使得这种低温制冷机在消耗相同成本的情况下能提供双倍的工作寿命. 文献[3]引用柔性轴承支撑技术开发了一系列低温制冷机. 该技术使其研发的LSF9 制冷机和LPT9110脉管制冷机的制冷量分别达到6W@80K和500mW@80K，拓宽了Thales Cryogenics 在民用和空间应用的领域. 美国Sunpower 公司[4]在开发M77 和M87 系列自由活塞斯特林制冷机中使用了独特的两臂柔性轴承，在本文中命名为Sunpower 柔性轴承.2010 年，本课题组基于费马曲线方程开发了一种新型的三臂柔性轴承[5]，并命名为费马柔性轴承 ( Fermatflexure bearing) .

　　本文应用AutoCAD，Pro/E 等工具对3 种不同型线的柔性轴承建立三维模型，并通过建立有限元分析模型，应用ANSYS 软件对3 种型线的柔性轴承的应力分布、轴向刚度、动态径向刚度等性能进行分析. 通过TLS 系列弹簧刚度测试仪和专门设计的径向刚度测试装置对低温制冷机用柔性轴承进行了实验研究，测试了3 种柔性轴承的轴向刚度、径向刚度，并与模拟值进行了对比分析.

　　1 柔性轴承性能参数的分析

　　一般来讲，柔性轴承的性能主要是从4 个方面来判断，即疲劳强度、径向刚度、轴向刚度、自然频率[6].弹簧的材料选择直接关系到弹簧的疲劳强度的大小，直线压缩机中柔性轴承通常采用优质弹簧钢( 如60Si2Mn) 或马氏体不锈钢( 如7C27Mo2) . 在给定柔性轴承中心一个轴向位移时，柔性弹簧最大应力值出现的位置和大小除了取决于弹簧材料和厚度外，还与柔性弹簧的型线结构有关. 为保证柔性轴承的长寿命运行，其最大应力值不能超过弹簧疲劳极限 σ-1.

式中，ε 为弹簧的应变;E 是弹簧的弹性模量.在低温制冷机中，柔性轴承为活塞高频的轴向直线运动提供较大的径向刚度，保证动磁式直线压缩机中的间隙密封不因充磁不均而受破坏，从而提高低温制冷机的使用寿命[7];同时活塞行程与制冷机的输入功率有关，柔性轴承具有合适的轴向刚度能为活塞往复运动提供一定行程的同时可减少活塞组件动子系统的不平衡振动输出，从而减少直线电机的输入功率[8].