CN102168720B

CN102168720B - 一种用于自由活塞的静压气体轴承

Info

Publication number: CN102168720B
Application number: CN2011100832610A
Authority: CN
Inventors: 陈曦; 王建中; 张华�; 马诗旻; 任天宇
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Jiangsu thermoacoustic Electromechanical Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: CN102168720A

Abstract

本发明公开了一种用于自由活塞的静压气体轴承，活塞壁外两端分别设有两条平行且与活塞中心线垂直的环形气槽，在环形气槽底面中心线上对心各设4个径向的节流孔，节流孔分别与所述的贮气腔相通。活塞底端设有活塞端盖，活塞端盖上有进气口（125）与压缩腔相通。活塞外有三段活塞套，之间有连续式节流狭缝。本发明采用小孔和连续式狭缝混合节流，不但刚度和承载能力高、寿命长、耗气量小、摩擦阻力小、无污染、制造简单而且不受扩散效应和气锤现象的影响，大大提高了气体轴承的稳定性能。

Description

一种用于自由活塞的静压气体轴承

技术领域

本发明涉及轴承工件领域，特别是涉及一种用于自由活塞的静压气体轴承。

背景技术

静压气体轴承在精密工程、超精密工程、空间技术、低温工程、医疗器械及核工程等领域中已经得到广泛地应用。它是用高压的气体作为润滑剂的润滑轴承，气体由高压气源供给，经节流器节流后进入润滑间隙，形成气膜压力以支承负载。它具有精度高、功耗低、无污染、性能稳定以及寿命长的优点。

静压气体轴承是自由活塞的关键部件，它的气膜的刚度和承载能力与节流形式有密切关系。静压气体轴承的结构和性能对自由活塞寿命的延长起关键的作用，其优化方案就是在改进节流供气形式的基础上，提高气膜的刚度和承载能力。

美国专利，专利号：US6293184B1，该气体静压轴承在活塞上开两个环形储气室用来储存压缩腔引来的高压气体，活塞外壁面开设4个轴向流形槽，并且还开有4个环向限流槽。它的缺点是：轴向流形槽和环向限流槽的开设增加了静压气体轴承的耗气量，降低了气体轴承的效率。

美国专利，专利号：5525845，公开了一种在自由活塞上开两排节流小孔，每排四个孔的静压气体轴承。它的缺点是：每排节流孔的数量太少，造成轴承间隙内气膜的压力分布不均匀，而且气膜容易在轴承端部排出之时还没有在间隙内完全散开充满整个轴承周围，受扩散效应影响较大，导致气膜刚度和承载能力降低。

静压气体轴承的节流形式有小孔节流、自成节流、狭缝节流、多孔质材料节流和毛细管节流等，不同节流形式的静压气体轴承使用场合不同。小孔节流轴承能够得到很好的静态刚度，但受气锤现象和扩散效应的影响较大。自成节流轴承不受气锤现象的影响，但其承载能力和气膜刚度只有小孔节流的2/3。狭缝节流轴承主要用在活塞长径比较小（小于1.5）的静压气体轴承中，结构尺寸较小，同小孔节流轴承相比具有很小的扩散损失，不会发生气锤现象。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于自由活塞的静压气体轴承，采用小孔和连续式狭缝混合节流，不但刚度和承载能力高、寿命长、耗气量小、摩擦阻力小、无污染、制造简单而且不受扩散效应和气锤现象的影响，大大提高了静压气体轴承的稳定性能。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于自由活塞的静压气体轴承，包括活塞、气缸、贮气腔和压缩腔，其特点是：所述活塞外侧壁两端分别设有两条平行且与该活塞中心线垂直的环形气槽，在所述环形气槽底面中心线上对心各设4个径向的节流孔，该节流孔分别与所述的贮气腔相通；

所述的活塞底端设有活塞端盖，用以封闭该活塞，所述活塞端盖上设有进气口，该进气口的上方设有簧片阀，该进气口的下方与所述的压缩腔相通；

所述的活塞外设有三段活塞套，所述各段活塞套之间有连续式节流狭缝，在所述活塞套与所述气缸间设有间隙。

所述的环形气槽设于所述活塞两端外侧壁1/4处，该环形气槽的宽度为1～1.5mm，深度小于活塞壁厚度的1/10。

所述节流小孔的半径为0.1～0.15mm，各相邻节流小孔的中心线间的夹角为90⁰。

所述的活塞套厚度为1～2mm，材料为聚酰亚胺，该各段活塞套两端面的表面粗糙度为3.2，活塞套外侧面的表面粗糙度为0.8。

所述的连续式节流狭缝宽度为5～10μm，小于静压气体轴承间隙内气膜的厚度（10～20μm）。

所述的贮气腔半径不超过活塞半径的1/2，贮气腔用来贮存从压缩腔进来的高压气体，并向各节流小孔供气。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1、采用小孔和连续式狭缝混合节流的静压气体轴承，小孔节流不但可以降低气体的压力还可以使节流后的气体更好地在环形气槽内均匀扩散，以便气体能更均匀地经连续式狭缝进入轴承间隙，改善气膜的刚度和承载力，提高静压气体轴承的稳定性和寿命。

2、采用小孔和连续式狭缝混合节流的静压气体轴承，连续式狭缝节流可以完全消除扩散效应的影响。由于连续式节流狭缝的宽度较轴承间隙小，而且环形气槽内气体的压力高于轴承间隙内气膜压力，故经小孔节流后的气体流经连续式节流狭缝进入轴承间隙形成气膜时能产生第二次节流。这种节流无需节流孔，因而气膜厚度的变化不受节流孔直径的限制，可大大提高轴承的刚度。

3、本发明的节流孔直径不必太小，连续式节流狭缝是由各段活塞套之间的装配间隙以及不同材料的热胀冷缩效应产生，解决了狭缝节流静压气体轴承的加工过程中因狭缝宽度太小，加工困难的难题。该静压气体轴承可以很好地使用于自由活塞制冷机、自由活塞发动机等自由活塞机械中。

附图说明

图1为本发明用于自由活塞的静压气体轴承的实施例示意图。

图2为本发明用于自由活塞的静压气体轴承的结构示意图。

图3为图2中沿A-A线的活塞端视图。

图4为本发明装配活塞套前的活塞示意图。

图5为本发明装配活塞套后的活塞示意图。

图6为图5中节流小孔处的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1、图2，图1为本发明用于自由活塞的静压气体轴承的实施例示意图，图2为本发明用于自由活塞的静压气体轴承的结构示意图。如图所示：一种用于自由活塞的静压气体轴承，包括活塞101、气缸102、贮气腔103、压缩腔105，其特点是所述活塞101外侧壁122两端分别设有两条平行且与该活塞101中心线垂直的环形气槽116、117，在所述环形气槽116、117底面中心线上对心各设4个径向的节流孔108～111、112～115，该节流孔分别与所述的贮气腔103相通；

所述的活塞101底端设有活塞端盖104，用以封闭该活塞101，所述活塞端盖104上设有进气口125，该进气口125的上方设有簧片阀123，该进气口125的下方与所述的压缩腔105相通；

所述的活塞101外设有三段活塞套121，所述各段活塞套121之间有连续式节流狭缝106、107，在所述活塞套121与所述气缸102间设有轴承间隙118。由于狭缝节流时狭缝的宽度很小，只有几到十几微米，在活塞壁上加工这样窄的狭缝十分困难，故先用小孔108～115代替狭缝对气体进行节流降压，节流后的气体进入环形气槽116、117，并在其内均匀扩散。

所述的活塞套121厚度为1～2mm，材料为聚酰亚胺，该各段活塞套两端面的表面粗糙度为3.2，活塞套外侧面119的表面粗糙度为0.8。所述的贮气腔半径不超过活塞半径的1/2。

图3为图2中沿A-A线的活塞端视图，图4为本发明装配活塞套前的活塞示意图，图5为本发明装配活塞套后的活塞示意图，图6为图5中节流小孔处的局部放大图。如图所示：环形气槽设于所述活塞两端外侧壁1/4处，该环形气槽的宽度为1～1.5mm，深度小于活塞壁厚度的1/10。所述节流小孔108～115的半径为0.1～0.15mm，各相邻节流小孔的中心线间的夹角为90⁰。所述的连续式节流狭缝106、107宽度为5～10μm。

由于连续式节流狭缝106、107的宽度远小于环形气槽116、117的宽度，而且连续式狭缝106、107的宽度小于轴承间隙内气膜的厚度，气膜的压力小于环形气槽116、117内气体的压力，故连续式狭缝能对气体产生较大的节流作用。这样环形气槽116、117内的气体在流经连续式狭缝106、107时就能产生第二次节流，节流后沿着狭缝口轴向均匀地向轴承间隙内扩散形成气膜，减少扩散损失，增加了静压气体轴承的气膜刚度和承载能力，大大提高了气体轴承的稳定性。连续式节流狭缝106、107通过各段活塞套之间装配间隙以及不同材料的热胀冷缩效应来实现，这要求活塞套的两端面必须加工的非常光滑，而且能很好地吻合。活塞套两端面的粗糙度为3.2，以保证实现所需的狭缝宽度。

本发明用于自由活塞的静压气体轴承的具体装配次序为：

首先，将活塞套121与活塞101进行装配，此装配方式为过盈配合。该过程是保证静压气体轴承性能的关键的一步，必须谨慎、安全地操作，保证装配质量。先将精加工加好的活塞放入液氮中进行降温，并把各段活塞套缓慢均匀加热到200℃，然后开始装配。从活塞顶部开始依次进行装配，装配过程中可以施加一定的力挤压上下段活塞套，以使上下段活塞套靠紧，把其接触间隙降到最低。由不同材料的热胀冷缩效应和装配时的间隙即可产生所需的狭缝。另外，装配时尽量使连续式狭缝与环形气槽口正对，且位于环形气槽口处的环面中线上。

其次，把簧片阀123与活塞底端的活塞端盖104进行装配，装配方式为螺钉固定。

再次，将活塞底部的活塞端盖104和活塞101进行装配，连接方式为螺纹连接，并且在螺纹密封处加入密封胶。

最后，将装配完成的活塞进行精加工。经精磨后的活塞套121的厚度约为1mm，与定位台阶100的高度相等。活塞套外表面119的表面粗糙度为0.8，至此完成活塞的装配。

该静压气体轴承在自由活塞中的工作过程是：当压缩腔105内的压力达到簧片阀123的开启压力时，少量高压气体由压缩腔105经活塞端盖104上的进气孔125和簧片阀的簧片与阀座间的间隙进入贮气腔103，而绝大部分压缩气体经排气口124流出压缩腔105，若压缩腔内的压力低于簧片阀的开启压力，簧片阀关闭，防止贮气腔内高压气体倒流入压缩腔。然后，贮气腔中的高压气体进入节流孔108～115，当气体流经节流孔进入环形气槽116、117时，节流孔对其产生节流作用，压力降低。经节流孔节流后的气体在环形气槽116、117中均匀扩散，然后气体再经过连续式狭缝106、107进行二次节流，节流后的气体沿着狭缝口轴向均匀地流入间隙118中形成承载气膜，气膜在间隙内沿轴向扩散并支撑活塞往复运动，避免活塞和气缸内壁120直接接触，产生摩擦。

Claims

1.一种用于自由活塞的静压气体轴承，包括活塞（101）、气缸（102）、贮气腔（103）、压缩腔（105），其特征在于：所述活塞（101）两端的外侧壁（122）上设有两条平行且与该活塞（101）中心线垂直的环形气槽（116、117），在所述环形气槽（116、117）底面中心线上对心各开设4个径向的节流孔（108～111、112～115），该节流孔分别与所述的贮气腔（103）相通；

所述的活塞（101）底端设有活塞端盖（104），用以封闭该活塞（101），所述活塞端盖（104）上设有进气口（125），该进气口（125）的上方设有簧片阀（123），该进气口（125）的下方与所述的压缩腔（105）相通；

所述的活塞（101）外设有三段活塞套（121），各段所述活塞套（121）之间有连续式节流狭缝（106、107），在所述活塞套（121）与所述气缸（102）间设有间隙（118）。

2.根据权利要求1所述的用于自由活塞的静压气体轴承，其特征在于：所述的环形气槽(116、117)设于所述活塞两端外侧壁（122）上，在距离活塞轴向两端面的长度为活塞长度的1/4处，该环形气槽(116、117)的宽度为1～1.5mm，深度小于活塞壁厚度的1/10。

3.根据权利要求1所述的用于自由活塞的静压气体轴承，其特征在于：所述节流孔（108～115）的半径为0.1～0.15mm，相邻节流孔的中心线间的夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的用于自由活塞的静压气体轴承，其特征在于：所述活塞套（121）厚度为1～2mm，材料为聚酰亚胺，各段所述活塞套两端面的表面粗糙度为3.2，活塞套外侧面（119）的表面粗糙度为0.8。

5.根据权利要求1所述的用于自由活塞的静压气体轴承，其特征在于：所述连续式节流狭缝（106、107）宽度为5～10μm。