CN102099887B - 球轴承设计温度补偿x射线管轴承 - Google Patents

球轴承设计温度补偿x射线管轴承 Download PDF

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Abstract

该转动阳极X射线管具有由高热硬度材料制成的两个环和这两个环之间的热膨胀系数不变的材料制成的垫片形成的复合外轴承。该垫片还焊接到这两个环提供该复合外轴承。一个内轴承轨道由该轴形成，而另一内轴承轨道是安装在该轴上的单块的内轨道，且这两个环具有对应的外轨道。

Description

球轴承设计温度补偿X射线管轴承
技术领域
本发明涉及转动阳极X射线管，更具体地涉及用于转动阳极X射线管的复合轴承外部环。
背景技术
通常，转动阳极X射线管由抽成真空的壳体制成，其中设有阴极和阳极。加热电流提供到阴极，并在阳极和阴极之间产生大电势以将电子从阴极向阳极加速。阳极是转动碟片，并且阳极上的目标区域通常是阳极的朝向碟片圆周设置的小区域。
阳极碟片由轴支撑，其转而支撑在轴承上。该轴通过一系列定子线圈产生的电磁感应高速转动，该定子线圈位于该抽成真空的壳体的外部。定子线圈作用在圆柱形电枢或固定在轴上的套筒上。轴承位于轴和该电枢之间的壳体内以允许轴和电枢转动，由此转动该碟片。通常，内轴承轨道是轴的一部分，而外轴承轨道是固定于壳体的套筒的一部分。辊子体设在这些轨道内。
一个与转动阳极X射线管有关的问题是在管内部生成大量的热，这对于轴承元件有有害影响。通常，为了解决温度问题，设计出多种冷却装置，如美国专利6,445,770和6,445,769中所示出的。
在启动过程中，外轨道和内轨道之间有较大的温差，直到管内的温度稳定。这个温差会潜在地导致外轨道在径向和轴向的扩张比内轨道快得多。由于这个热膨胀差，必须在轴承中建立大的内部径向间隙，由此导致轴承噪声大并且极大降低轴承寿命。通常，将高温硬化材料用于外轴承。这些材料很贵并由此增加轴承相关的成本。
发明内容
本发明的目的是最小化X射线管的启动和稳定态状态期间轴承的变动和轴向间隙。本发明的目的还是通过消除对单独轴承冷却装置的需求而降低与用于转动阳极X射线管的轴承相关的总体成本。本发明的这些和其他目的通过参照本发明下面的描述而更容易理解。
本发明的目的通过在转动阳极X射线管中使用复合外轴承实现。更具体地，该外轴承是套筒，其包括在该套筒每一端的由高热硬度材料制成的环。每个环中具有外轨道。垫片设在两个环之间并且固定于每个环。该垫片由热膨胀系数比环材料低的材料制成。
因此，该复合外轴承利用不同材料的不同扩张速率以最小化启动和稳态状态期间该轴承的轴向间隙的变动。形成外环的高热硬度材料提供延长的轴承寿命。该垫片较低的热膨胀系数促进优化从而实现该外环和该轴接近相等的轴向增长，而不管温差。有效地热补偿轴承轴向间隙。
概括来说，本发明用于转动阳极X射线管的轴承包括：固定的内轴，其设在该框架内并固定于该框架，该轴在一端具有内轨道而在另一端具有圆柱台肩；至少一个内环，其位于该轴的台肩上并且通过撑住该轴而保持轴向，该内环具有内轨道；可转动的外套筒，其固定于该阳极并围绕该轴，该套筒具有一个带有一个外轨道的环、另一个带有另一外轨道的环和设在这一个环和另一个环之间的垫片，该一个外轨道与该轴上的内轨道相对，该另一外轨道与该内环上的内轨道相对；该一个环和该另一环由高热硬度材料制成；该垫片由热膨胀系数恒定的材料制成，并固定于该一个环和该另一环；以及辊子体，其设在该轴内轨道和该一个外轨道之间并在单块内轨道和该另一外轨道之间。
本发明还可定义为转动阳极X射线管，包括：真空框架；阴极，其设在该框架内；可转动的阳极，其设在该框架内对着该阴极；固定的内轴，其设在该框架内并固定于该框架，该轴在一端具有内轨道而在另一端具有圆柱台肩；至少一个内环，其设在该轴的台肩上并通过撑住该轴而保持轴向，该内环具有内轨道；可转动的外套筒，其固定于该阳极并围绕该轴，该套筒具有一个带有一个外轨道的环、另一个带有另一外轨道的环和设在该一个环和该另一环之间的垫片，该一个外轨道与该轴上的内轨道相对和该另一外轨道与该内环上的内轨道相对；该一个环和该另一环由高热硬度材料制成；该垫片由热膨胀系数不变的材料制成并固定于该一个环和该另一环；以及辊子体，其设在该轴内轨道和该一个外轨道之间并在单块内轨道和该另一外轨道之间。
优选地，该外套筒环由如M-62或T-5或T-15的材料制成。合适地，该垫片由Incoloy909或类似的热膨胀系数不变的材料制成。优选地，该垫片凭借电子束焊接或摩擦焊接固定于这两个环。
尽管本发明包含传统的实施方式，其中该内轴在固定的外套筒内转动，但是在优选实施方式中，该外套筒围绕固定的内轴转动。这个构造允许该外套筒由于其转动速度而以机械方式远离该轴增长，并且利用选择的增长率以最小化启动和稳态状态期间该轴承的轴向间隙变动。因此，本发明中，以机械和热方式有效地补偿了该轴承轴向间隙。
设定本发明中的外套筒的垫片尺寸的方法包括如下步骤：指定初始垫片尺寸；计算初始轴承内部径向间隙；基于温度曲线计算该轴承热增长；基于转动速度计算该轴承机械增长；计算所得轴承内部径向间隙；对比所得轴承内部径向间隙与已知值；以及迭代该垫片尺寸以获得与该已知值相等的所得轴承内部径向间隙。
用于对比目的的内部径向间隙的已知值基于具体的应用而凭借经验确定，其由于较低的振动水平导致疲劳寿命增加并且可能增加轴承的寿命。可以采用简单的计算程序来执行这些迭代计算并且确定用于具体应用的最佳间隔尺寸。
本发明涵盖悬臂安装阳极构造以及跨式安装阳极构造。悬臂构造中，该阳极设在该轴承的辊子体之前。在跨式安装构造中，该阳极设在该轴承每一端的至少一排辊子体之间。
尽管本发明是要涵盖传统实施方式，其中该轴承内轨道形成该轴的一部分，但优选实施方式包括的轴在一端具有内轨道而在另一端具有圆柱台肩。内环是设在该轴的台肩上并通过撑住该轴而保持轴向。该内环具有与该套筒的外轨道之一相对的内轨道。在该优选实施方式中，该内环是单块结构，并且由如M-62或T-5或T-15的材料制成。
该轴的前端优选地由REX20制成和该轴的后端由410不锈钢或类似的不锈钢制成，如17-4PH。优选地，前端通过电子束焊接或摩擦焊接固定于后端。在前、后端通过焊接彼此固定之后，该前端感应硬化以提供合适的用于该辊子体的滚道表面。
附图说明
通过参照下列附图的一个或多个，本发明的这些和其他方面可更容易理解，这些附图仅为了说明的目的而表述。
图1说明本发明的转动阳极X射线管；
图2说明本发明的轴承；
图3说明本发明的外套筒；以及
图4说明本发明的轴承的替代实施方式。
具体实施方式
图1说明在医学诊断系统所使用的类型的转动阳极X射线管1，包括转动阳极10，在由真空壳体14形成的抽成真空的室12中运行，该壳体由玻璃或其他合适的材料形成。该阳极是碟形，并且邻近其环形边缘倾斜以形成阳极表面或目标区域16。阴极总成18提供并聚焦撞击阳极表面16的电子束A。阴极引线20引入通过该玻璃壳体至该阴极总成以提供电流至该总成。当该电子束撞击该转动阳极，该电子束的一部分转变为从该阳极表面发出的X射线B，该X射线束穿过真空壳体14离开该管。
感应马达30转动该阳极10。该感应马达包括：具有驱动线圈32的定子，其设在该真空壳体外部；以及在该壳体内的转子34，其连接到该阳极10。该转子包括外部圆柱形电枢或套筒部36并连接到轴38，其在该电枢内轴向对齐。电枢36和轴38通过由钼或其他合适材料制成的轴颈40连接到该阳极10。电枢36由导热导电材料如铜形成。当该马达通电时，该驱动线圈32在该电枢中引发磁场，使得该电枢和该轴相对静止的套筒42转动，该套筒与该电枢和该轴在轴向对齐并且位于它们之间。该套筒在后端连接安装座43，该安装座延伸穿过该壳体14以刚性支撑该套筒。
辊子体44(如球轴承)设在该轴38和该套筒42之间，允许该电枢36和阳极10平滑转动。该轴承球涂有润滑剂，如厚度大约1000-3000
Figure BPA00001251740900061
的铅或银。该X射线管包括前后两个轴承球。
这里使用的术语“前”、“后”等用来限定沿通过该轴38和阳极10的Z轴的部件的相对位置。描述为前的部件靠近阳极，而描述为后的部件距阳极较远。
本发明的轴承由轴38、套筒42和辊子体44组成。图1和2示出传统的X射线管轴承装置，其中轴38在固定的套筒42内转动，阳极10利用设在阳极10后面的两排辊子体44悬臂式安装。
参照图2，轴38具有前和后轨道50。轨道50是内轨道。套筒42具有前和后外轨道52。辊子体44设在内轨道50和外轨道52之间，如图所示。
复合外轴承套筒42在图3示出，具有前环60、后环62和垫片64。垫片64通过电子束焊接分别在焊点66和68焊接到外环60和62。
图4示出替代的X射线管轴承装置，其中套筒42围绕轴38转动，阳极10利用设在该轴承每一端的至少一排辊子体44跨式安装。图4中，轴38在一端具有内轨道50而在另一端具有圆柱台肩70。内环72设在台肩70上并通过支柱74保持轴向。内环72具有内轨道50，其与套筒42的外轨道52相对。图4示出内环72为单块结构。
图4中，轴38的前端76在焊点80固定于后端78。
相信通过减少本发明中使用的高热硬度材料(如M-62)的量将抵消任何焊接费用。此外，相信由于较低的振动水平而导致的疲劳寿命的提高将潜在增加轴承寿命。
参考标记
1X射线管      50内轨道
10阳极        52外轨道
12抽成真空的室
14真空壳体    60前环
16阳极表面    62后环
18阴极总成    64垫片
20阴极引线    66焊点
68焊点
30感应马达    70圆柱台肩
32驱动线圈    72内环
34转子        74支柱
36圆柱电枢    76轴前端
38轴          78轴后端
80焊点
40轴颈
42套筒        A电子束
43安装座      BX射线
44辊子体

Claims (17)

1.一种转动阳极X射线管包括：
真空框架；
阴极，其设在该框架中；
可转动的阳极，其设在该框架中并对着该阴极；
固定的内轴，其设在该框架中并固定于该框架，该轴在一端具有内轨道而在另一端具有圆柱台肩；
至少一个内环，其设在该轴的台肩上和通过撑住该轴而保持轴向，该内环具有内轨道；
可转动的外套筒，其固定于该阳极和围绕该轴，该套筒具有一个带有一个外轨道的环、另一个带有另一外轨道的环和设在该一个环和该另一环之间的垫片，该一个外轨道与该轴上的内轨道相对和该另一外轨道与该内环上的内轨道相对；
该一个环和该另一环由高热硬度材料制成；
该垫片由热膨胀系数不变的材料制成，并固定于该一个环和该另一环；以及
辊子体，其设在该轴内轨道和该一个外轨道之间且在单块内轨道和该另一外轨道之间。
2.根据权利要求1所述的管，其中该垫片通过电子束焊接固定于该一个环和该另一环。
3.根据权利要求1所述的管，其中该垫片通过摩擦焊接固定于该一个环和该另一环。
4.根据权利要求1所述的管，其中该阳极悬臂安装于该套筒。
5.根据权利要求1所述的管，其中该阳极跨式安装于该套筒。
6.根据权利要求1所述的管，其中该轴具有前端，通过摩擦焊接固定于由410不锈钢制成的后端。
7.根据权利要求1所述的管，其中该轴具有前端，通过电子束焊接固定于由410不锈钢制成的后端。
8.根据权利要求6或7所述的管，其中该轴包括在该前端和该后端通过焊接彼此固定之后感应硬化该前端的装置。
9.根据权利要求1所述的管，其中该内环是单块结构。
10.一种用于转动阳极X射线管的轴承，包括：
固定的内轴，其设在框架中并固定于该框架，该轴在一端具有内轨道而在另一端具有圆柱台肩；
至少一个内环，其设在该轴的台肩上并通过撑住该轴而保持轴向，该内环具有内轨道；
可转动的外套筒，其固定于该阳极和围绕该轴，该套筒具有一个带有一个外轨道的环、另一个带有另一外轨道的环和设在该一个环和该另一环之间的垫片，该一个外轨道与该轴上的内轨道相对且该另一外轨道与该内环上的内轨道相对；
该一个环和该另一环由高热硬度材料制成；
该垫片由热膨胀系数不变的材料制成且固定于该一个环和该另一环；以及
辊子体，其设在该轴内轨道和该一个外轨道之间且在单块内轨道和该另一外轨道之间。
11.根据权利要求10所述的轴承，其中该垫片通过电子束焊接固定于该一个环和该另一环。
12.根据权利要求10所述的轴承，其中该垫片通过摩擦焊接固定于该一个环和该另一环。
13.根据权利要求10所述的轴承，其中该轴具有前端，通过摩擦焊接固定于由410不锈钢制成的后端。
14.根据权利要求10所述的轴承，其中该轴具有前端，通过电子束焊接固定于由410不锈钢制成的后端。
15.根据权利要求13或14所述的轴承，其中该轴包括在该前端和该后端通过焊接彼此固定之后感应硬化该前端的装置。
16.根据权利要求10所述的轴承，其中该内环是单块结构。
17.一种用于设定转动阳极X射线管的轴承中可转动的外套筒的垫片的尺寸的方法，包括：
指定初始垫片尺寸；
计算初始轴承内部径向间隙；
基于温度曲线计算该轴承热增长；
基于转动速度计算该轴承机械增长；
计算所得轴承内部径向间隙；
对比该所得轴承内部径向间隙与已知值；以及
迭代该垫片尺寸以获得等于该已知值的所得轴承内部径向间隙。
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