CN102626790A - 透平气浮主轴 - Google Patents

Abstract

一种透平气浮主轴，包括壳体和贯穿该壳体第一端部的轴体，所述壳体包括环形透平基座、连接在该透平基座第一端的设有进气孔的第一端盖、和连接在该透平基座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，所述壳体内腔在所述轴体的中部安装气动透平机、且在轴体周围的其余位置设置气浮轴承，所述气动透平机的透平定子和透平转子对应固连所述透平基座和所述轴体，所述透平基座和第二端盖内设置与所述气腔连通的轴承气道，所述透平基座内还设置与所述气腔连通的若干透平气道。本主轴结构简单紧凑、效率高、转速高、转动平稳、无磨损、无需内加润滑油且工作寿命长。

Description

透平气浮主轴

技术领域

本发明涉及高速主轴，特别涉及利用流体静力学原理使轴体稳定处于非接触式支撑的气浮主轴，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。而且，电主轴常见的润滑方式是油雾润滑和油气润滑，油雾润滑中，润滑油在混合室内通过撞击作用弥散成雾状，与空气混合为一体，然后进入轴承，随着压缩空气从轴承内排出，大量的油雾也被携带出来，造成污染；油气润滑在国内机床行业仍处于起步阶断，究竟如何选取油气润滑参数（包括空气压力、空气流量、润滑油量、润滑油粘度、添加剂种类及添加比例等）才能达到最佳润滑及冷却效果，国内还没有积累比较成熟的经验。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。

气浮主轴是利用空气弹性垫作为支承的一种新型主轴，气浮主轴中的轴承是用气体代替油作为运动副润滑剂，在主轴和轴承之间形成气膜，使高速旋转的轴体和静止的轴承内圈避免直接接触。由于空气具有粘度低、随温度变化小等特点，气浮主轴在高速、低摩擦、高精度、热稳定性好、低振动、少污染及低成本等场合可以突破使用机械轴承所不能解决的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透平气浮主轴，该透平气浮主轴不仅能高效的将气体的焓值降低转换为机械能输出，而且具有低摩擦、无磨损、无需内加润滑油、不产生电磁干扰、寿命长等优点。

本发明透平气浮主轴，包括壳体和贯穿该壳体第一端部的轴体，所述壳体包括环形透平基座、连接在该透平基座第一端的设有进气孔的第一端盖、和连接在该透平基座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，所述壳体内腔在所述轴体的中部安装气动透平机、且在轴体周围的其余位置设置气浮轴承，所述气动透平机的透平定子和透平转子对应固连所述透平基座和所述轴体，所述透平基座和第二端盖内设置与所述气腔连通的轴承气道，所述透平基座内还设置与所述气腔连通的若干透平气道。

优选地，所述气浮轴承包括设置在所述气腔和所述轴体的一个端面之间的第一气浮轴承、设置在所述第二端盖内所述轴体的轴肩处的第四气浮轴承、以及位于透平转子两端的第二气浮轴承和第三气浮轴承，所述第一和第四气浮轴承为孔式供气推力轴承，所述第二和第三气浮轴承为孔式供气径向轴承。

优选地，所述第二气浮轴承和/或第三气浮轴承为双排孔供气径向轴承，每排孔包括均匀分布在该轴承的一个圆周上的若干第一节流器，所述壳体的内壁设置与该轴承的双排孔对应的环形腔。

优选地，所述第二气浮轴承和第三气浮轴承采用环面节流的供气方式，所述第一节流器由第一节流孔和设置于该第一节流孔外端的第一节流孔凹槽组成，整体呈T字形。

优选地，所述第一气浮轴承为圆形平面推力轴承，所述第四气浮轴承为圆环形平面推力轴承，第一气浮轴承和第四气浮轴承的端面设置相同数量的且均匀分布的复数个第二节流器。

优选地，所述第一气浮轴承和第四气浮轴承采用小孔节流的供气方式，所述第二节流器由第二节流孔、设置于第二节流孔一端的凹槽、以及设置于第二节流孔另一端的节流孔气室组成，整体呈工字形。

优选地，所述第一气浮轴承通过安装于所述透平基座的轴承端盖定位，所述第二气浮轴承通过第一气浮轴承和透平转子定位，所述第四气浮轴承通过第二端盖的第一内端面定位，所述第三气浮轴承通过第四气浮轴承和透平转子定位，第一至第四气浮轴承与所述轴体间隙配合。

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，所述第二端盖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第二内端面与该第二内端面密合，所述密封挡圈上设置与所述若干排气孔对应的若干过孔，并在该若干过孔内安装防尘罩，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。

本发明透平气浮主轴以压缩空气为润滑剂和工质，当压缩空气进入轴承后将轴体托起，轴体旋转时空气起到润滑作用；气体在气动透平机中流过时，气体的可用焓降转变成透平转子的机械能并驱动轴体高速转动，进而带动磨头或钻头旋转，实现旋转动力的直接输出。上述能量利用方式及结构特点，使得本发明透平气浮主轴不但具有低摩擦、无磨损、无需内加润滑油及工作寿命长等优点，而且具有能量利用率高、效率高、转速高、转动平稳等显著优点，在数控机床、PCB板钻孔、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，是新一代的高效气浮主轴。

附图说明

图1为本发明一个实施例透平气浮主轴的结构示意图。

图2为其第一气浮轴承的节流器布置示意图。

图3为其第一气浮轴承的节流器的结构示意图。

图4为其第二气浮轴承和第三气浮轴承的节流器布置示意图。

图5为其第二气浮轴承和第三气浮轴承的节流器的结构示意图。

图6为其第四气浮轴承的节流器布置示意图。

图7为其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，本透平气浮主轴包括壳体、贯穿该壳体第一端部（即图1中的右端部）的轴体11、以及气动透平机。

壳体由环形透平基座8、连接在透平基座8第一端的第一端盖2和连接在透平基座8第二端的第二端盖16组成，第二端盖16构成壳体的所述第一端部，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设置与气腔3连通的进气孔1，第二端盖16上设置若干排气孔14，若干排气孔14最好均匀分布在轴体11周围；壳体内腔在轴体11的中部安装气动透平机、且在轴体11周围的其余位置设置气浮轴承，气动透平机采用反击式气动透平机，包括透平定子10和透平转子9，透平定子10与透平基座8固连，透平转子9与轴体11固连；透平基座8和第二端盖16内设置与气腔3连通的轴承气道，透平基座8内还设置与气腔3连通的若干透平气道7。

其中，气浮轴承包括第一气浮轴承5、第二气浮轴承6、第三气浮轴承13和第四气浮轴承15，第一气浮轴承5采用孔式供气推力轴承，设置在气腔3和轴体11的左端面之间，其上的节流器通过第一轴承气道30与气腔3连通；第二气浮轴承6和第三气浮轴承13采用孔式供气径向轴承，分别设置在透平转子9的两端并分别通过第二轴承气道29和第三轴承气道22与轴承主气道27连通、进而与气腔3连通；第四气浮轴承15也采用孔式供气推力轴承，设置在第二端盖16内轴体11的轴肩处，并依次通过第四轴承气道20和轴承主气道27与气腔3连通。

第一气浮轴承5通过安装于透平基座8的轴承端盖4定位，第二气浮轴承6通过第一气浮轴承5和透平转子9定位，第四气浮轴承15通过第二端盖16的第一内端面定位，第三气浮轴承13通过第四气浮轴承15和透平转子9定位，第一至第四气浮轴承与轴体11间隙配合。

参照图2和图3，第一气浮轴承5为圆形平面推力轴承，第一气浮轴承5的端面均匀地设置六个第二节流器5’。为了保证轴承的承载能力及轴向刚度，第一气浮轴承5采用小孔节流的供气方式，第二节流器5’由第二节流孔32、设置于第二节流孔32一端的凹槽31、以及设置于第二节流孔32另一端的节流孔气室33组成，整体呈工字形。可以理解地，第一气浮轴承5也可以设置少于六个第二节流器或更多的第二节流器，且第二节流器的形状和构造也可根据需要进行变换。

参照图4和图5，第二气浮轴承6和第三气浮轴承13为双排孔供气径向轴承，每排孔包括均匀分布在该轴承的一个圆周上的八个第一节流器(6’)，轴体11的壳体内壁设置与第二气浮轴承6的双排孔对应的第一环形腔28、以及与第三气浮轴承13的双排孔对应的第二环形腔21。

为了保证轴承性能的稳定和降低加工难度，第二气浮轴承6和第三气浮轴承13均采用环面节流的供气方式，它们的第一节流器(6’)由第一节流孔35和设置于该第一节流孔35外端的第一节流孔凹槽34组成，整体呈T字形。可以理解地，第二气浮轴承6和第三气浮轴承13也可以设置少于八个第一节流器或设置更多的第一节流器，且第一节流器的形状和构造也可根据需要进行变换。

参照图6，第四气浮轴承15为圆环形平面推力轴承，第四气浮轴承15的端面均匀地设置六个第二节流器5’。为了保证轴承的承载能力及轴向刚度，第四气浮轴承15也采用小孔节流的供气方式，第四气浮轴承15的第二节流器5’的构造与第一气浮轴承5上的第二节流器5’的构造相同，此处不在说明。第一气浮轴承5和第四气浮轴承15的第二节流器的个数最好相等。

参照图7，透平定子10上含有若干形状相同的第一叶片39，且相邻两个第一叶片39之间形成收敛形喷嘴40，透平定子10上所有的喷嘴40组成定子喷嘴环；透平转子9上含有若干形状相同的第二叶片42，且相邻两个第二叶片42之间形成收敛形喷嘴41，透平转子9上所有的喷嘴41组成转子喷嘴环，透平转子9上喷嘴41的朝向与透平定子10上喷嘴40的朝向相反。

参照图1，为了进一步提高主轴的性能，在第二端盖16与透平转子9之间还设置了密封装置，该密封装置含密封挡圈24和密封环26，密封挡圈24通过螺钉23安装在第二端盖16的第二内端面与该第二内端面密合，密封挡圈24上设置与若干排气孔15对应的若干过孔，并在该若干过孔内安装防尘罩12，密封环26设置在密封挡圈24和透平转子9之间。密封环26的左端面与透平转子9的右端平齐，其右端面与密封挡圈24的左端面相密合，密封环能26能够进一步保证气体流经透平定子10与透平转子9之间的流道从而推动透平转子9旋转。

轴体11第二端的中心孔中设置弹性套17，且轴体11第二端的外周螺接锁紧套18，磨头或钻头19通过弹性套17和锁紧套18与轴体11连接。弹性套17可以实现轴体11和磨头旋转轴线的自动对齐。

为了达到较佳的性能，透平基座8上的若干透平气道7最好均匀分布在轴体11的周围，透平基座8和第二端盖16的轴承气道也最好均匀分布在轴体11的周围。

本透平气浮主轴的轴体11是由设置在机器中部的气动透平机驱动并通过第一至第四气浮轴承支撑；由进气孔1通入气腔3的高压气体作用有两个，一是进入轴体11与气浮轴承之间的间隙将轴体11托起，使轴体11浮在气浮轴承和透平转子9组成的密闭空间中，当轴体11高速旋转时起润滑作用；二是推动透平转子9转动，从而带动轴体11旋转，将气体的焓值降低转换为机械能输出。

根据上述原理，起气浮作用的气体，一部分通过轴承端盖4上的第一轴承气道30和第一气浮轴承5的节流器进入轴体11与第一气浮轴承5之间的间隙；一部分气体依次通过轴承主气道27和第二轴承气道29进入第一环形腔28，进而通过第二气浮轴承6的节流器进入轴体11与第二气浮轴承6之间的间隙；一部分气体依次通过轴承主气道27和第三轴承气道22进入第二环形腔21，进而通过第三气浮轴承13的节流器进入轴体11与第三气浮轴承13之间的间隙；一部分气体通过轴承主气道27进入第四轴承气道20，进而通过第四气浮轴承15的节流器进入轴体11与第四气浮轴承15之间的间隙。气体将轴体11托起，使轴体11悬浮在第一至第四气浮轴承和透平转子9组成的密闭空间中。

起能量转换作用的气体，通过透平气道7到达透平机。透平定子10上的第一叶片39和透平转子9上的第二叶片42的流道设计成收缩型，气体首先流经透平定子10上的第一叶片39的流道，在叶片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的第二叶片42的流道中，气体在透平转子上的第二叶片42的流道中进行第二次可用焓降能量的转换，并对透平转子的第二叶片42产生一个反向的作用力以推动透平转子9旋转，透平转子9带动轴体11旋转，实现了气体能量与机械能的转换。做功后的气体进入透平转子9与第二端盖16之间的第三环形腔25，进而通过排气孔14排出壳体外。

本透平气浮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，本透平气浮主轴内含气浮轴承和反击式气动透平机，上述能量利用方式的原理及结构特点，使得本透平气浮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机械润滑装置和电磁屏蔽装置等复杂结构。本透平气浮主轴不仅具有结构简单紧凑、低摩擦、无磨损、无需内加润滑油、无污染、工作寿命长及易维护等优点，而且具有能量利用率高、效率高、转速高、回转精度高、功率密度大等显著优点，在工业自动化领域和气动工具中具有广泛的应用前景，是新一代的高效气浮主轴。

Claims (10)

1. 一种透平气浮主轴，包括壳体和贯穿该壳体第一端部的轴体(11)，其特征在于：所述壳体包括环形透平基座(8)、连接在该透平基座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第二端的设有若干排气孔(14)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)，所述壳体内腔在所述轴体的中部安装气动透平机、且在轴体周围的其余位置设置气浮轴承，所述气动透平机的透平定子(10)和透平转子(9)对应固连所述透平基座和所述轴体，所述透平基座和第二端盖内设置与所述气腔连通的轴承气道，所述透平基座内还设置与所述气腔连通的若干透平气道(7)。

2.根据权利要求1所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述气浮轴承包括设置在所述气腔(3)和所述轴体的一个端面之间的第一气浮轴承(5)、设置在所述第二端盖内所述轴体的轴肩处的第四气浮轴承(15)、以及位于透平转子两端的第二气浮轴承(6)和第三气浮轴承(13)，所述第一和第四气浮轴承为孔式供气推力轴承，所述第二和第三气浮轴承为孔式供气径向轴承。

3.根据权利要求2所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述第二气浮轴承(6)和/或第三气浮轴承(13)为双排孔供气径向轴承，每排孔包括均匀分布在该轴承的一个圆周上的若干第一节流器(6’)，所述壳体的内壁设置与该轴承的双排孔对应的环形腔(28和/或21)。

4.根据权利要求3所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述第二气浮轴承和第三气浮轴承采用环面节流的供气方式，所述第一节流器由第一节流孔(35)和设置于该第一节流孔外端的第一节流孔凹槽(34)组成，整体呈T字形。

5.根据权利要求2所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述第一气浮轴承(5)为圆形平面推力轴承，所述第四气浮轴承为圆环形平面推力轴承，第一气浮轴承和第四气浮轴承的端面设置相同数量的且均匀分布的复数个第二节流器(5’)。

6.根据权利要求5所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述第一气浮轴承和第四气浮轴承采用小孔节流的供气方式，所述第二节流器由第二节流孔(32)、设置于第二节流孔一端的凹槽(31)、以及设置于第二节流孔另一端的节流孔气室(33)组成，整体呈工字形。

7.根据权利要求2所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述第一气浮轴承通过安装于所述透平基座的轴承端盖(4)定位，所述第二气浮轴承通过第一气浮轴承和透平转子定位，所述第四气浮轴承通过第二端盖的第一内端面定位，所述第三气浮轴承通过第四气浮轴承和透平转子定位，第一至第四气浮轴承与所述轴体间隙配合。

8.根据权利要求1所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述透平定子上含有若干形状相同的第一叶片(39)，且相邻两个第一叶片之间形成收敛形喷嘴(40)，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(42)，且相邻两个第二叶片之间形成收敛形喷嘴(41)，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所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述第二端盖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(24)和密封环(26)，所述密封挡圈安装在所述第二端盖的第二内端面与该第二内端面密合，所述密封挡圈上设置与所述若干排气孔对应的若干过孔，并在该若干过孔内安装防尘罩(12)，所述密封环设置在所述密封挡圈和所述透平转子之间。

10.根据权利要求1所述的透平气浮主轴，其特征在于：所述轴体第二端的中心孔中设置弹性套(17)，且该轴体第二端的外周螺接锁紧套(18)，磨头或钻头(19)通过该弹性套和该锁紧套与所述轴体连接。

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