CN102163887B - 高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承及该旋转机械 - Google Patents

高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承及该旋转机械 Download PDF

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Abstract

一种根据本发明的用于高速电动旋转机械的转子支承，采取在转子两端轴颈上的液体径向滑动轴承两端部上，嵌套一对角接触球轴承，两球轴承之间采用定压预紧，整体嵌入浮动套内；浮动套的外侧端设置弹性挡圈和挡块，以限制浮动套轴向移动和转动，使其装入具有一定配合间隙的轴承座孔内整体处于半浮动状态，构成半浮动式滚动环径向轴承。转子两端还设置静压升举轴承使转子系悬浮，并在一端设置静压升举—滑动推力复合轴承。当采用本发明的转子支承的大功率高速电动旋转机械安装在车辆上以60000r/min的高速运行时，系统运行稳定可靠。

Description

高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承及该旋转机械
技术领域
本发明涉及一种用于高速电动旋转机械的转子支承，特别涉及用于安装在交通运输工具——车辆等上的由大容量高速电动机驱动的空气制冷机、空气压缩机等的转子支承，其中转子以例如不小于每分钟数万转的高速旋转。
背景技术
大功率、高转速的高速电动机(20kw，50000/min以上)设计的主要技术问题之一就是轴承设计。目前，对这种大功率、高转速的电机轴承设计一般都考虑采取以电磁轴承为主支承和滚动轴承作保护的混合支承的主动型磁力轴承支承方式，但这种磁力轴承的电控和制造复杂，价格昂贵、可靠性较低，日前还不能商品化；液体滑动轴承因电机高速旋转时的摩擦损失较大和空气滑动轴承的承载力小、工况适应能力差等原因也受到一定程度的使用限制；采用复合陶瓷球角接触球轴承作为这种大功率、高转速的电机轴承，也因其运行寿命很短，噪音很大，目前还未见于工程实际应用的相关报道。
本发明提供了一种高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承及该旋转机械，对系统可靠运行起到了至关重要的作用。
发明内容
发明采用的技术方案是，考虑到高速电动机驱动的空气制冷机、空气压缩机运转时的转速虽然很高，但外载荷比较均匀，且对转子系的运转精度要求不是很高，因此，设计一种对电机运转精度要求不是很高而可靠性高、轴承摩擦损失小、运行寿命很长、噪音小的复合式轴承，即高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承由此提出；另一方面，由于安装在交通运输工具上的高速电动机驱动的空气制冷机、空气压缩机工作中无法避免振动，以及转子长时间工作的各种原因，动平衡精度有可能有所破坏，除了要求转子在初始就具有一定的动平衡精度外，更为重要的是使轴承要能够吸收振动能量，以保证电机可靠地工作。因此，采用静压升举与滚动环轴承混合支承的结构设计，就可以形成对转子系的弹性支承和工作中的油膜减振，也是本发明采取的主要技术方案之一。
本发明的有益效果是，由于转子系采用静压升举与滚动环轴承混合支承，电机旋转时，转子轴颈与径向滑动轴承、径向滑动轴承与滚动轴承间的相对转速降低，摩擦功耗和温升、噪音显著减小，滚-滑动轴承的使用寿命得以很大提高；另一方面，由于静压升举轴承的作用，电机工作中转子系被悬浮，转子轴颈与径向滑动轴承之间被油膜完全隔开，不产生接触摩擦，径向滑动轴承副的使用寿命相当长，同时，滚动轴承运行中几乎也仅承受很小的预载荷，从而使滚动轴承的使用寿命进一步提高；再者，浮动套与轴承座孔之间形成的弹性支承和油膜减振，还可以吸收转子的振动能量。因此，当高速电动旋转机械以60000r/min的转速运转时，系统运行稳定可靠。
附图说明
图1是一种作为包括本发明的转子支承的高速电动旋转机械的空气制冷机实施例的主视图。
图2是本发明的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承的实施例的主视图。
图3是图2中的静压升举-滑动推力轴承的视图。
图4是图2中的径向滑动轴承的视图。
图5是图1中的涡轮机端的盖碗形敞开式多级引流密封与螺旋密封组合的视图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的具体实施例。图1表示为一种空气制冷机1的主视图，该制冷机1由一台包括本发明的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承5a和5b的电动机4直接驱动。图1中，空气制冷机1在其中部包括一台电动机4。电动机4包括转子2和定子3。转子2左侧安置静压升举与滚动环轴承混合支承5a，右侧安置静压升举与滚动环轴承混合支承5b。左端的轴承座6与左水套盖15组成左冷却水套，右端的轴承座6与右水套盖7和水套内盖8组成右冷却水套。钎焊有散热翅片13的定子外套12与本体14组成定子3的冷却水套。制冷涡轮18和压气叶轮10固定在转子2的两个轴端部上。从涡轮机出口引出部分冷气进入电动机4内部冷却。
图2表示为上述空气制冷机1的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承5a和5b。
图2中，转子2两端轴颈上的径向滑动轴承26两端部上嵌套一对陶瓷球角接触球轴承22a和22b，且呈背对背安装方式，球轴承22a旁设有喷油衬圈I29，球轴承22b旁设有喷油衬圈II27，碟形弹簧28置于喷油衬圈I29与喷油衬圈II27之间，对两球轴承22a和22b实施定压预紧和补偿轴向游隙，整体以滑配方式嵌入浮动套25内，轴位螺钉24限制喷油衬圈II27仅作轴向移动，止动螺钉23将喷油衬圈I29固定在浮动套25内。
浮动套25的外圆两端部上各设有两道O形橡胶密封圈21，外侧端上设置轴用弹性挡圈20和挡块19，限制浮动套25轴向移动和转动，使其装入具有一定配合间隙的左右端轴承座6孔内整体处于半浮动状态，形成弹性支承，总体构成转子2两端对置、双向限位的半浮动式滚动环径向轴承。
图2中的转子2左端外侧设置静压升举-滑动推力轴承副16和17。
图3中，在静压升举-滑动推力轴承17的内孔下半部中间开有轴向长度b1＝0.5B1、周向长度L1＝0.85D1、深度H＝0.5mm的矩形浅油腔，通过腔内的节流小孔引入压力滑油，构成图2中的即具有静压升举作用又能承受双向轴向力的左端静压升举-滑动推力轴承副16和17。
图2中的转子2右端外侧的水套内盖8内孔下半部中间同样也开有轴向长度b1＝0.5B1、周向长度L1＝0.85D1、深度H＝0.5mm的矩形浅油腔，通过腔内的节流小孔引入压力滑油，与右密封套9构成右端静压升举轴承副8和9。
由图2中的半浮动式滚动环径向轴承和静压升举轴承共同组成高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承5a和5b。
图2中，静压升举轴承副的配合间隙与径向滑动轴承26和转子2轴颈的配合间隙之比设计为3倍，转子2两端的静压升举量通过接入静压升举轴承各自的减压阀进行调节，使其控制在设计规定的范围内。
这样做的目的是，静压升举轴承副之间不产生接触，而电机工作时转子系则被静压升举轴承悬浮到规定的高度来满足径向滑动轴承26的工作要求；另一方面也可以使高速电机在起动、停止阶段时对径向滑动轴承26进行保护。
图2中的球轴承22a、22b的外环靠喷油衬圈一侧，滚道的边缘圆周上均布有3个Φ0.8的径向小孔，形成球轴承的环下润滑油道；喷油衬圈I29和喷油衬圈II27靠球轴承22a和22b一侧的端面圆周上对称分布有2个Φ0.7的小孔，形成端面喷射润滑油道。
球轴承在环下润滑和端面喷射润滑的共同作用下的有益效果是，球轴承的dmn值会得到进一步提高，若在此条件下又采用静压升举与滚动环轴承混合支承，就会很大程度上延长球轴承的使用寿命。
图4中，径向滑动轴承26的内孔中部设计成浅环槽，将其分为两个半体式轴承，环槽上均布有6个Φ0.5的径向排油小孔；
每一半体式轴承的内孔上均布有6个月牙形矩形浅油腔，深度h＝0.5mm，轴向封油面宽度b＝0.25B，周向封油面宽度：θ＝24°，L＝0.2094D，每个矩形浅油腔中央设有一个Φ3.2的进油孔，每个周向封油面中间设有一个Φ1.2的进油小孔；
每一半体式轴承上的6个矩形浅油腔的内侧中间开有与中部的浅环槽连通的窄油槽，外侧中间开有与端面连通的1mm宽、深度为轴承单边间隙C的1.5倍的窄浅油槽；
两个半体式轴承上的矩形浅油腔在圆周上相对错位30°。
图2中，由喷油衬圈I29和喷油衬圈II27引入的低压滑油，一路向球轴承的端面喷射润滑；另一路通过径向滑动轴承26外圆两侧上的环道油槽和连通环道油槽的径向进油孔引入径向滑动轴承26内，向径向滑动轴承26提供低压滑油。
图5表示为图1中的涡轮机端设置的盖碗形敞开式多级引流密封与螺旋密封组合30。
图1中的压气机端也同样设置了盖碗形敞开式多级引流密封与螺旋密封组合11。
由于图2中的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承5a和5b的结构设计，由图1所表示的空气制冷机1，高速运行时的效果是显著的。

Claims (4)

1.一种高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承，包括：
转子(2)两端轴颈上的径向滑动轴承(26)两端部上嵌套一对陶瓷球角接触球轴承22a、22b且呈背对背安装方式，球轴承22a旁设有喷油衬圈I(29)，球轴承22b旁设有喷油衬圈II(27)，碟形弹簧(28)置于喷油衬圈I(29)与喷油衬圈II(27)之间，对两球轴承22a、22b实施定压预紧和补偿轴向游隙，整体以滑配方式嵌入浮动套(25)内，轴位螺钉(24)限制喷油衬圈II(27)仅作轴向移动，止动螺钉(23)将喷油衬圈I(29)固定在浮动套(25)内；
浮动套(25)的外圆两端部上各设有两道 O形橡胶密封圈(21)，外侧端上设置轴用弹性挡圈(20)和挡块(19)，限制浮动套(25)轴向移动和转动，使其装入具有一定配合间隙的左右端轴承座(6)孔内整体处于半浮动状态，形成弹性支承，总体构成转子(2)两端对置、双向限位的半浮动式滚动环径向轴承；
转子(2)左端外侧设置静压升举-滑动推力轴承副(16、17)，在静压升举-滑动推力轴承(17)的内孔下半部中间开有轴向长度b1为轴承长度B1的0.3～0.6倍、周向长度L 1为轴承内径D1的0.7～0.85倍、深度H＝0.4～1.0mm的矩形浅油腔，通过腔内的节流小孔引入压力滑油，构成既具有静压升举作用又能承受双向轴向力的左端静压升举-滑动推力轴承副(16、17)；
转子(2)右端外侧的水套内盖(8)内孔下半部中间开有轴向长度b1＝0.3B1～0.6B1、周向长度L1＝0.7D1～0.85D1、深度H＝0.4～1.0mm的矩形浅油腔，通过腔内的节流小孔引入压力滑油，与右密封套(9)构成右端静压升举轴承副(8、9)，其中的b1、B1、L1、D1表示含义与左端静压升举-滑动推力轴承(17)所表示的b1、B1、L1、D1相同；
静压升举轴承副的配合间隙与径向滑动轴承(26)和转子(2)轴颈的配合间隙之比为1.5-3倍；
转子(2)两端的静压升举量可以通过接入静压升举轴承各自的减压阀进行调节。
2.根据权利要求1所述的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承，其特征是，
球轴承22a、22b的外环靠喷油衬圈一侧，滚道的边缘圆周上开有1～3个直径为0.5mm～0.8mm的径向小孔，形成球轴承的环下润滑油道；喷油衬圈I(29)和喷油衬圈II(27)靠球轴承22a、22b一侧的端面圆周上开有1-3个直径为0.5mm～0.8mm的小孔，形成端面喷射润滑油道。
3.根据权利要求1所述的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承，其特征是，
径向滑动轴承(26)的内孔中部设计成浅环槽，将其分为两个半体式轴承，环槽上均布有3～6个直径为0.5mm～0.8mm的径向排油小孔；
每一半体式轴承的内孔上均布有6个月牙形矩形浅油腔，深度为h＝0.3～0.6mm， 轴向封油面宽 度b为轴承宽度B的0.25倍，周向封油面宽度L为轴承内径D的0.2094倍，对应的夹角θ＝24°，每个矩形浅油腔中央设有一个直径大于3mm的进油孔，每个周向封油面中间设有一个直径1mm～1.5mm的进油小孔；
每一半体式轴承上的6个矩形浅油腔的内侧中间开有与中部的浅环槽连通的窄油槽，外侧中间开有与端面连通的1mm～2mm宽、深度为轴承单边间隙C的1.2～2.0倍的窄浅油槽；
两个半体式轴承上的矩形浅油腔在圆周上相对错位30°；
由喷油衬圈I(29)和喷油衬圈II(27)引入的低压滑油，一路向球轴承的端面喷射润滑；另一路通过径向滑动轴承(26)外圆两侧上的环道油槽和连通环道油槽的径向进油孔引入径向滑动轴承(26)内，向径向滑动轴承(26)提供压力滑油。
4.一种高速电动旋转机械，包括一个由权利要求1所述的高速电机用静压升举与滚动环轴承混合支承(5a、5b)，并在两端设置有盖碗形敞开式多级引流密封与螺旋密封组合(11、30)。 
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