CN102615297A

CN102615297A - 透平气动主轴

Info

Publication number: CN102615297A
Application number: CN2012101143963A
Authority: CN
Inventors: 夏必忠; 叶佩青; 汪劲松; 张辉; 王殿新; 聂权; 刘建春
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: CN102615297B

Abstract

一种透平气动主轴，包括壳体和贯穿该壳体第一端部的轴体，所述壳体包括设有若干气道的环形透平基座、连接在该透平基座的第一端的设有进气孔的第一端盖、和连接在该透平基座的第二端的设有若干排气孔的第二端盖，第二端盖构成所述壳体的第一端部，所述第一端盖与所述透平基座的第一端之间设置气腔；所述轴体中部安装气动透平机，所述气动透平机的透平定子和透平转子对应固连在所述透平基座内和所述轴体上，所述轴体分别在所述透平转子的两端处设置止推轴承以支撑所述轴体和承受该轴体受到的轴向力。本主轴具有结构简单紧凑、不产生电磁干扰、工作寿命长、易维护、效率高等优点。

Description

透平气动主轴

技术领域

本发明涉及高速主轴，特别涉及气动主轴，属于能源和动力技术领域。

背景技术

高速加工作为先进制造技术之一，在工业各部门特别是航空航天、汽车工业、PCB钻孔和模具加工等领域获得了十分广泛的应用。目前常用的高速主轴在结构上分为两类，即分离式高速主轴和内装式电主轴（又称电主轴）。分离式高速主轴通过中间的传动装置（如皮带、齿轮等）带动轴体旋转而进行工作，由于受其传动机构的影响，主轴速度的提高受到了一定限制。电主轴是将高速电机置于机床主轴部件内部，通过交流变频控制系统直接驱动轴体，使轴体获得所需的工作速度和扭矩，与传统的主轴传动系统相比结构简单、紧凑，不但省略了中间传动环节引起的误差，实现了电机对轴体的零间隙传动，而且具有转速高、功率大、刚性好、寿命长等优点，能够有效的降低传动误差和加工误差对工件的影响，确保了机床系统高速运转的可靠性，因此在高速、超高速精密加工中得到了广泛应用。

但是，由于电主轴的电动机位于主轴单元中，自然散热条件较差，电动机在高速运转过程中，电动机内部功率损耗所产生的热量及高速运转的轴承由于摩擦产生的热量很容易传入轴体和壳体中使轴体及壳体产生热位移，直接影响主轴的性能。另外，由于电主轴在高频窄波下工作，通常在其外壳产生强烈的感应电流，因此需要采用特殊浸漆工艺及外壳接地的方法对定子进行屏蔽，增加了机构的复杂性。由于电主轴存在诸多缺陷，限制了其在某些领域的应用。

发明内容

鉴于电主轴存在上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种透平气动主轴。

本发明透平气动主轴，包括壳体和贯穿该壳体第一端部的轴体，所述壳体包括设有若干气道的环形透平基座、连接在该透平基座的第一端的设有进气孔的第一端盖、和连接在该透平基座的第二端的设有若干排气孔的第二端盖，第二端盖构成所述壳体的第一端部，所述第一端盖与所述透平基座的第一端之间设置气腔；所述轴体中部安装气动透平机，所述气动透平机的透平定子和透平转子对应固连在所述透平基座内和所述轴体上，所述轴体分别在所述透平转子的两端处设置止推轴承以支撑所述轴体和承受该轴体受到的轴向力。

优选地，所述止推轴承包括紧贴在所述透平转子第一端的第一止推轴承和紧贴在所述透平转子第二端的第二止推轴承，所述止推轴承为滚动轴承。

优选地，所述第二止推轴承通过固连在第二端盖的轴承端盖和/或所述轴体上的轴肩定位，所述第一止推轴承的内圈通过固连在轴体第一端的内圈端盖定位在所述轴体上。

优选地，所述透平气动主轴还包括轴向间隙自动补偿机构，该轴向间隙自动补偿机构包括与所述第一止推轴承的外圈的端面帖合的补偿弹簧座、与所述补偿弹簧座相对且相隔一定间隔的补偿弹簧压紧端盖、以及设置于它们之间的预压紧弹簧，所述补偿弹簧压紧端盖与所述透平基座固连。

优选地，所述第二止推轴承与所述透平转子之间设置密封装置，该密封装置含密封挡圈和密封环，所述密封挡圈安装在所述第二端盖的内端面，与第二端盖的内端面密合，所述密封挡圈上设置与所述若干排气孔对应的若干第三气孔，并在第三气孔内安装防尘罩，所述密封环设置在所述密封挡圈和所述透平转子之间。

优选地，所述轴向间隙自动补偿机构与所述第一止推轴承之间设置第一润滑腔，所述补偿弹簧压紧端盖设置连通所述气腔和所述第一润滑腔的第一气孔，所述透平基座上设置所述第一润滑腔的润滑脂注入通道。

优选地，所述密封挡圈与所述第二止推轴承之间设置第二润滑腔，所述密封挡圈上设置连通所述第二润滑腔和所述透平转子与密封挡圈之间的环形腔的第二气孔，第二止推轴承的轴承端盖上设置所述第二润滑腔的润滑脂注入通道。

优选地，所述透平定子上含有若干形状相同的第一叶片，且相邻两个第一叶片之间形成收敛形喷嘴，该透平定子上所有的喷嘴组成定子喷嘴环；所述透平转子上含有若干形状相同的第二叶片，且相邻两个第二叶片之间形成收敛形喷嘴，该透平转子上所有的喷嘴组成转子喷嘴环，所述透平转子上喷嘴的朝向与透平定子上喷嘴的朝向相反。

优选地，所述若干排气孔均匀分布在所述轴体周围，且从第二端盖的内侧到外侧，所述排气孔逐渐远离所述轴体。

优选地，所述轴体第二端的中心孔中设置弹性套，且该轴体第二端的外周螺接锁紧套，磨头或钻头通过该弹性套和该锁紧套与所述轴体连接。

本发明透平气动主轴以压缩空气为工质，当气体工质在其气动透平机中流过时，气体的可用焓降首先转变成透平转子的机械能并驱动轴体高速旋转，进而带动磨头和/或钻头旋转，实现旋转动力的直接输出。从能量转换的角度来看，本发明透平气动主轴是将气体工质的可用焓降转变为机械能的，这与电主轴将电能转换为机械能是不同的；从结构上看，本发明透平气动主轴不但克服了中间传动环节引起的误差，而且无需设置电磁屏蔽机构等复杂结构。

上述能量利用方式的原理性区别及结构特点，使得本发明透平气动主轴不但具有结构简单紧凑、不产生电磁干扰、工作寿命长、易维护及气体工质无需内加润滑油等优点，而且具有能量利用率高、效率高、工作压力低等显著优点，在工业自动化领域和气动工具中具有广泛的应用前景，是新一代的高效气动主轴。

附图说明

图1为本发明一个实施例透平气动主轴的结构示意图。

图2为图1中气动透平机的叶型结构示意图。

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本发明的原理、结构和工作过程作进一步的说明。

参照图1，本透平气动主轴包括壳体、贯穿该壳体第一端部（即图1中的右端部）的轴体22、以及气动透平机。

壳体由环形透平基座8、第一端盖2、第二端盖16和轴承端盖23组成，透平基座8上设置若干气道31，第一端盖2安装在透平基座8的第一端，且第一端盖2与透平基座8的第一端之间设置气腔3，第一端盖2上设置进气孔1，第二端盖16安装在透平基座8的第二端，第二端盖16上设置若干排气孔15。

气动透平机为反击式气动透平机，包括透平定子11和透平转子12，气动透平机安装在轴体22的中部，其透平定子11固连在透平基座8内，透平转子12固连在轴体22上。第一端盖2上的进气孔1、透平基座8上的若干气道31以及第二端盖16上的若干排气孔15构成了气动透平机的气体工质的通道。

轴体22在透平转子12的第一端（即图1中的左端）处设置第一止推轴承7，在透平转子12的第二端设置第二止推轴承，本实施例中，第二止推轴承是由两个轴承24和25并排设置组成的轴承组，第一止推轴承和第二止推轴承起支撑轴体22和承受轴体22受到的轴向力的作用。

典型实施例中，轴承7、24和25采用滚动轴承。第一止推轴承7内圈的一侧紧贴在透平转子12第一端，通过内圈端盖33定位在轴体22上，内圈端盖33通过螺钉30固定在轴体22的第一端。第二止推轴承的外圈通过固连在第二端盖16的轴承端盖23定位，内圈通过轴体22上的轴肩定位。

为了消除轴承游隙并自动补偿因轴体22高速旋转而产生的轴向间隙，提高轴体22高速运转的可靠性和气密性，透平气动主轴进一步还包括轴向间隙自动补偿机构，该轴向间隙自动补偿机构包括与第一止推轴承7的外圈的端面帖合的补偿弹簧座6、与补偿弹簧座6相对且相隔一定间隔的补偿弹簧压紧端盖5、以及设置于它们之间的预压紧弹簧4，补偿弹簧压紧端盖5与透平基座8固连，预压紧弹簧4提供的预紧力挤压第一止推轴承7外圈的端面，可以自动补偿轴体22与相邻零件间因磨损而产生的轴向间隙，并可以消除轴承游隙。典型实施例中，补偿弹簧压紧端盖5左端面与透平基座8的左端面平齐，补偿弹簧压紧端盖5的右端沿轴体22的旋转中心线方向开有若干第一弹簧腔，对应地，补偿弹簧座6的左端沿轴体22的旋转中心线方向开有若干第二弹簧腔，预压紧弹簧4安装在对应的第一弹簧腔和第二弹簧腔中。

为了进一步提高主轴的性能，在第二推轴承与透平转子12之间还设置了密封装置，该密封装置含密封挡圈29和密封环13，密封挡圈29通过螺钉27安装在第二端盖16的内端面，与第二端盖16的内端面密合，密封挡圈29上设置与若干排气孔15对应的若干第三气孔，并在第三气孔内安装防尘罩14，密封环13设置在密封挡圈29和透平转子12之间。密封环能13能够进一步保证气体流经透平定子11与透平转子12之间的流道从而推动透平转子12旋转。

还可以在轴向间隙自动补偿机构与第一止推轴承7之间设置第一润滑腔32，在补偿弹簧压紧端盖5设置连通气腔3和第一润滑腔32的第一气孔34，在透平基座8上设置第一润滑腔32的润滑脂注入通道9，在润滑脂注入通道9的入口处设置螺堵10。

还可以在密封挡圈29与第二止推轴承之间设置第二润滑腔26，在密封挡圈29上设置连通第二润滑腔26和透平转子12与密封挡圈29之间的环形腔的第二气孔28，在第二止推轴承的轴承端盖23上设置第二润滑腔26的润滑脂注入通道17，在润滑脂注入通道17的入口处设置螺堵18。

气体由进气孔1进入气腔3，大部分气体通过透平基座上的气道31以合适的角度流入透平定子11和透平转子12之间的流道，推动透平转子12并带动轴体22旋转，实现气体能量与机械能的转换，少部分气体通过第一气孔34进入第一润滑腔32；进行能量转换后的气体进入透平转子12和密封挡圈29之间的环形腔，大部分通过排气孔15排出，少部分通过第二气孔28进入第二润滑腔26。

在较佳的实施例中，若干排气孔15均匀分布在轴体22周围，且从第二端盖16的内侧到外侧，排气孔15逐渐远离轴体22。

轴体22第二端的中心孔中设置弹性套19，且轴体22第二端的外周螺接锁紧套20，磨头或钻头21通过弹性套19和锁紧套20与轴体22连接。弹性套19可以实现轴体22和磨头旋转轴线的自动对齐。

参照图2，透平定子11上含有若干形状相同的第一叶片35，且相邻两个第一叶片35之间形成收敛形喷嘴36，该透平定子上所有的喷嘴36组成定子喷嘴环；透平转子12上含有若干形状相同的第二叶片38，且相邻两个第二叶片38之间形成收敛形喷嘴37，该透平转子上所有的喷嘴37组成转子喷嘴环，透平转子12上喷嘴37的朝向与透平定子11上喷嘴36的朝向相反。

透平定子11和透平转子12叶片的流道设计成收缩型，气体首先流经透平定子上第一叶片35的流道，在第一叶片的流道中气体热力学能和压力能所组成的焓值降低转变为气体的动能，经过加速的气体以特定的角度流入到透平转子上第二叶片38的流道中，气体在透平转子上第二叶片38的流道中进行第二次可用焓降能量的转换，并对透平转子上的第二叶片38产生一个反向的作用力以推动透平转子12旋转。由于反击式气动透平机中气体膨胀更为充分，因此反击式透平机的效率较高，本反击式透平气动机的工作效率一般可达到60%以上，这不但与其独特的工作原理，即气体工质两次膨胀、能量利用率高有关，而且还与其通流部分符合流体力学及热力学有关规律的完善设计密不可分。

本透平气动主轴从能量转换的角度来看，是将气体工质的可用焓降转变为机械能；从结构上看，本透平气动主轴内含反击式透平机，其透平基本级即透平定子与透平转子之间无零件间的滑动接触，而且气体工质在透平基本级中进行了两次可用焓降能量的转换，转换后的机械能通过与透平转子固连的轴体输出。上述能量利用方式的原理及结构特点，使得本透平气动主轴不但避免了分离式高速主轴中间的传动装置（如皮带、齿轮等），而且避免了电主轴需要的电磁屏蔽机构等复杂结构。本透平气动主轴不仅具有结构简单紧凑、工作寿命长、易维护及气体工质无需内加润滑油等优点，而且具有能量利用率高、效率高、工作压力低、转速高、转动平稳、功率密度大等显著优点，在数控机床、高速小孔磨床等工业自动化领域和气动工具中具有广泛的应用前景，是一种新型高效的气动主轴。

Claims

1. 一种透平气动主轴，包括壳体和贯穿该壳体第一端部的轴体(22)，其特征在于：所述壳体包括设有若干气道(31)的环形透平基座(8)、连接在该透平基座的第一端的设有进气孔(1)的第一端盖(2)、和连接在该透平基座的第二端的设有若干排气孔(15)的第二端盖(16)，第二端盖构成所述壳体的第一端部，所述第一端盖与所述透平基座的第一端之间设置气腔(3)；所述轴体中部安装气动透平机，所述气动透平机的透平定子(11)和透平转子(12)对应固连在所述透平基座内和所述轴体上，所述轴体分别在所述透平转子的两端处设置止推轴承以支撑所述轴体和承受该轴体受到的轴向力。

2.根据权利要求1所述的透平气动主轴，其特征在于：所述止推轴承包括紧贴在所述透平转子第一端的第一止推轴承(7)和紧贴在所述透平转子第二端的第二止推轴承(24和25)，所述止推轴承为滚动轴承。

3.根据权利要求2所述的透平气动主轴，其特征在于：所述第二止推轴承通过固连在第二端盖(16)的轴承端盖(23)和/或所述轴体上的轴肩定位，所述第一止推轴承的内圈通过固连在轴体第一端的内圈端盖(33)定位在所述轴体上。

4.根据权利要求2所述的透平气动主轴，其特征在于：还包括轴向间隙自动补偿机构，该轴向间隙自动补偿机构包括与所述第一止推轴承的外圈的端面帖合的补偿弹簧座(6)、与所述补偿弹簧座相对且相隔一定间隔的补偿弹簧压紧端盖(5)、以及设置于它们之间的预压紧弹簧(4)，所述补偿弹簧压紧端盖与所述透平基座固连。

5.根据权利要求2所述的透平气动主轴，其特征在于：所述第二止推轴承与所述透平转子之间设置密封装置，该密封装置含密封挡圈(29)和密封环(13)，所述密封挡圈安装在所述第二端盖的内端面，与第二端盖的内端面密合，所述密封挡圈上设置与所述若干排气孔对应的若干第三气孔，并在第三气孔内安装防尘罩(14)，所述密封环设置在所述密封挡圈和所述透平转子之间。

6.根据权利要求4所述的透平气动主轴，其特征在于：所述轴向间隙自动补偿机构与所述第一止推轴承之间设置第一润滑腔(32)，所述补偿弹簧压紧端盖设置连通所述气腔(3)和所述第一润滑腔的第一气孔(34)，所述透平基座上设置所述第一润滑腔的润滑脂注入通道(9)。

7.根据权利要求5所述的透平气动主轴，其特征在于：所述密封挡圈与所述第二止推轴承之间设置第二润滑腔(26)，所述密封挡圈上设置连通所述第二润滑腔和所述透平转子与密封挡圈之间的环形腔的第二气孔(28)，第二止推轴承的轴承端盖(23)上设置所述第二润滑腔的润滑脂注入通道(17)。

8.根据权利要求1所述的透平气动主轴，其特征在于：所述透平定子(11)上含有若干形状相同的第一叶片(35)，且相邻两个第一叶片之间形成收敛形喷嘴(36)，该透平定子上所有的喷嘴组成定子喷嘴环；所述透平转子(12)上含有若干形状相同的第二叶片(38)，且相邻两个第二叶片之间形成收敛形喷嘴(37)，该透平转子上所有的喷嘴组成转子喷嘴环，所述透平转子上喷嘴的朝向与透平定子上喷嘴的朝向相反。

9.根据权利要求1所述的透平气动主轴，其特征在于：所述若干排气孔(15)均匀分布在所述轴体周围，且从第二端盖的内侧到外侧，所述排气孔逐渐远离所述轴体。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的透平气动主轴，其特征在于：所述轴体第二端的中心孔中设置弹性套(19)，且该轴体第二端的外周螺接锁紧套(20)，磨头或钻头(21)通过该弹性套和该锁紧套与所述轴体连接。