CN103939467A - 一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，包括活塞、气缸、排出器、压缩腔和储气槽。活塞外套外圆周外侧沿圆周方向分别设有双排第一节流孔、第一环形浅槽和第一均压浅槽。第一均压浅槽与第一节流孔两侧的第一环形浅槽相连通。第一节流孔通过第一均压浅槽和第一环形浅槽相贯通。活塞内套外圆周外侧沿圆周方向设有双排第二节流孔，内圆周内侧设有第二环形浅槽和第二均压浅槽，第二均压浅槽与第二节流孔两侧的第二环形浅槽相连通。第二节流孔通过第二均压浅槽与第二环形浅槽相贯通。本发明不仅提高了气体静压轴承的承载能力和气膜刚度，延长了活塞的使用寿命，还降低了耗气量，提高了自由活塞式往复运动机械效率。

Description

一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承

技术领域

本发明涉及气体静压轴承技术领域，具体涉及一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承。

背景技术

气体静压轴承是自由活塞的关键部件，其以气体润滑方式减少了活塞与气缸间的摩擦损耗，延长了活塞使用寿命。气体静压轴承性能的好坏将直接影响活塞使用寿命的长短，而承载能力与气膜刚度是判断气体静压轴承性能好坏的重要指标。气体静压轴承的承载能力和气膜刚度，与轴承结构和气体节流方式密切相关。

目前，常见的气体静压轴承气体节流方式有小孔节流式、多孔质式和狭缝节流式三种。在常见的气体节流方式下，气体静压轴承的承载能力和气膜刚度均较低，无法对活塞起到良好的支撑作用。此外，为了实现活塞与气缸间的气体润滑效应，气体须在活塞圆周表面多处区域经节流器节流，再进入活塞与气缸间的间隙空间。气体在间隙内部产生气膜压力，从而形成润滑效应来降低活塞与气缸间的摩擦损耗。然而，在现有的气体静压轴承中，高压气体进入间隙内部需要经过复杂的网状气体流动通道和微小的气体节流结构，这将导致气体静压轴承耗气量的增加和自由活塞式往复运动机械效率的降低。

因此，为了提高气体静压轴承的承载能力和气膜刚度，降低耗气量、延长使用寿命，需要对气体静压轴承的气体节流方式和气体节流结构进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，该气体静压轴承通过对气体节流方式和气体节流结构进行改进，不仅提高了气体静压轴承的承载能力和气膜刚度、延长了活塞的使用寿命，还降低了耗气量，提高了自由活塞式往复运动机械效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，包括活塞、气缸、排出器、压缩腔和储气槽。所述的活塞包括活塞外套和活塞内套，所述的活塞外套内表面和活塞内套外表面相接触。

进一步的，所述的活塞外套外圆周外侧沿圆周方向开设有双排第一节流孔，所述的第一节流孔为偶数个，且沿活塞外套径向均匀排列。所述的活塞外套外圆周外侧开设有第一环形浅槽，所述的第一环形浅槽为偶数个，且沿第一节流孔轴向对称分布在每排第一节流孔的两侧。所述的活塞外套外圆周外侧开设有轴向设置的第一均压浅槽，所述的第一均压浅槽与第一节流孔两侧的第一环形浅槽相连通。所述的第一节流孔通过第一均压浅槽和第一环形浅槽相贯通，形成第一气体流动通道。

进一步的，所述的活塞内套外圆周外侧沿圆周方向开设有双排第二节流孔，所述的第二节流孔为偶数个，且沿活塞内套径向均匀排列。所述的活塞内套内圆周内侧开设有第二环形浅槽，所述的第二环形浅槽为偶数个，且沿第二节流孔轴向对称分布在每排第二节流孔的两侧。所述的活塞内套内圆周内侧开设有轴向设置的第二均压浅槽，所述的第二均压浅槽与第二节流孔两侧的第二环形浅槽相连通。所述的第二节流孔通过第二均压浅槽与第二环形浅槽相贯通，形成第二气体流动通道。

进一步的，所述的第一节流孔和第二节流孔数量均至少为4个。通过将节流孔的数量设置为偶数个，可以保证气体静压轴承的良好的支撑作用和气膜刚度。

进一步的，所述的第一环形浅槽和第二环形浅槽均为连续狭缝浅槽。高压气体流经环形浅槽时，能进行狭缝式节流。所述的第一均压浅槽和第二均压浅槽均为气体流动通道，使得节流孔内的气体可以流入环形浅槽。

更进一步的，所述的储气槽开设在活塞内套外圆周外侧，所述的第一节流孔和第二节流孔分别通过活塞外套与活塞内套之间的间隙与储气槽相贯通。

由以上技术方案可知，和单独采用小孔节流方式或单独采用连续狭缝节流方式相比，本发明所述的气体静压轴承通过采用小孔节流和连续狭缝节流相结合的节流方式，使轴承的承载能力及刚度提高了15%~30%。同时，本发明降低了气体的扩散效应、减少了耗气量，提高了自由活塞式往复运动机械的效率。本发明适用于自由活塞式斯特林制冷机和发电机等往复式活塞运动机械。

附图说明

图1是本发明应用在自由活塞式往复运动机械上的工作原理图；

图2是本发明气体静压轴承活塞的结构示意图；

图3是本发明气体静压轴承活塞外套的结构示意图；

图4是图3的A-A向视图；

图5是本发明气体静压轴承活塞内套的结构示意图。

其中：

1、活塞，2、气缸，3、热端端部，4、冷端端部，5、排出器，6、压缩腔，7、活塞外套，8、活塞内套，9、第一节流孔，10、储气槽，11、第一环形浅槽，12、第一均压浅槽，13、第二节流孔，14、第二环形浅槽，15、第二均压浅槽。

具体实施方式

本发明适用于各种自由活塞式往复运动机械，下面以自由活塞式斯特林制冷机为例并结合附图来对本发明做进一步说明：

如图1所示，活塞1安装在气缸2中，直线电机带动活塞沿着气缸壁作往复运动。根据热力学循环定律，当制冷机运动时，冷端端部4的气体经过回热器，将热量泵送到热端端部3。从而使制冷机达到制冷效果，满足需要深冷的机械零件和电子器件的制冷需求。

如图1和图2所示的一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，包括活塞1、气缸2、排出器5、压缩腔6和储气槽10。活塞1安装在气缸2内部，排出器5安装在活塞1内部。活塞1沿气缸壁滑动运行，排出器沿活塞内壁滑动运行。活塞1与气缸2和排出器5之间存在间隙，高压气体进入间隙内部，位于活塞1与气缸2和排出器5之间的间隙内部形成气体静压轴。所述的活塞1包括活塞外套7和活塞内套8。所述的活塞外套7和活塞内套8均为圆柱形。所述的活塞外套7内表面和活塞内套8外表面相互接触、紧密配合，使活塞外套7与活塞内套8之间具有密封空间。

进一步的，如图2-图4所示，所述的活塞外套7外圆周外侧沿圆周方向开设有双排第一节流孔9，所述的第一节流孔9为偶数个，且沿活塞外套7径向均匀排列。优选的，所述的第一节流孔9至少为4个。所述的活塞外套7外圆周外侧开设有第一环形浅槽11，所述的第一环形浅槽11为偶数个，且沿第一节流孔9轴向对称分布在每排第一节流孔9的两侧。优选的，所述的第一环形浅槽11为4个，每排第一节流孔9两侧设有对称分布的2个。所述的活塞外套7外圆周外侧开设有轴向设置的第一均压浅槽12，所述的第一均压浅槽12与第一节流孔9两侧的第一环形浅槽11相连通。所述的第一节流孔9通过第一均压浅槽12和第一环形浅槽11相贯通，形成第一气体流动通道。

进一步的，如图2和图5所示，所述的活塞内套8外圆周外侧沿圆周方向开设有双排第二节流孔13，所述的第二节流孔13为偶数个，且沿活塞内套8径向均匀排列。优选的，所述的第二节流孔13至少为4个。所述的活塞内套8内圆周内侧开设有第二环形浅槽14，所述的第二环形浅槽14为偶数个，且沿第二节流孔13轴向对称分布在每排第二节流孔13的两侧。优选的，所述的第二环形浅槽14为4个，每排第二节流孔13两侧设有对称分布的2个。所述的活塞内套8内圆周内侧开设有轴向设置的第二均压浅槽15，所述的第二均压浅槽15与第二节流孔13两侧的第二环形浅槽14相连通。所述的第二节流孔13通过第二均压浅槽15与第二环形浅槽14相贯通，形成第二气体流动通道。

进一步的，所述的第一节流孔9设置在活塞外套7两端。所述的第二节流孔13设置在活塞内套8两端。通过将第一节流孔9和第二节流孔13分别设置在活塞外套7和活塞内套8的两端，能够对气体静压轴承自身起到良好的支撑作用，从而能够进一步提高气体静压轴承的承载能力。

进一步的，所述的第一环形浅槽11和第二环形浅槽14均为连续狭缝浅槽。高压气体流经环形浅槽时，能进行狭缝式节流。所述的第一均压浅槽12和第二均压浅槽15均为气体流动通道，使得节流孔内的气体可以流入环形浅槽。

更进一步的，所述的储气槽10开设在活塞内套8外圆周外侧，所述的第一节流孔9和第二节流孔13分别通过活塞外套7与活塞内套8之间的间隙与储气槽10相贯通。

本发明的工作原理如下：

（1）在活塞安装时，优选活塞内套8和活塞外套7，确保活塞内套8的外径和活塞外套7的内径之间存在一定的尺寸公差。因此，为了将活塞内套8安装到活塞外套7中，首先确保活塞外套7和活塞内套8存在一定的温度差，然后将活塞内套8压入活塞外套7中心的位置，如图2所示。等到活塞外套7和活塞内套8的温度达到平衡，两者之间形成紧密配合并密封，从而确保两者之间无任何的相对运动。

当活塞内套8和活塞外套7安装结合形成了如上描述的活塞1，气体只能在已经形成的通道内部流动。即除了已形成的节流孔、均压浅槽、环形浅槽和储气槽10，活塞内套8和活塞外套7结合的表面无任何气体流动了。从而排除了气体在活塞内套8和活塞外套7之间流动的可能性，最终气体位于设定的气体流动路径内部流动，形成气体静压轴承，支承活塞1往复运动，避免活塞1与气缸2和排除器5之间的直接接触而产生的摩擦磨损，极大的提高了活塞的使用寿命，提升了此种往复式机械的效率。

（2）当压缩腔6内工作气体压力高于储气槽10中的气体压力时，单向阀打开，斯特林循环产生的峰值压力迫使高压气体流入储气槽10，并在制冷机工作期间保持储气槽10中的气体拥有较高的压力。高压气体经过节流孔、均压浅槽和环形浅槽（连续狭缝节流浅槽）进入活塞外套和汽缸之间的间隙，以及活塞内套和排除器之间的间隙，形成气体静压轴承，达到支撑活塞的目的。具体地说，活塞内套8靠近压缩腔6的端面开设有进气孔，在进气孔靠近储气槽10的端面安装了气体单向流动控制阀，确保压缩腔6内部的高压气体顺利进入储气槽10。而当压缩腔6内部的气体压力较低时，储气槽10内部的高压气体不会回流至压缩腔6。

活塞外套7的外表面、气缸2、活塞内套8的内表面和排出器5外表面之间构成了气体静压轴承。因为活塞外套7与活塞内套8之间密封空间的存在，使高压气体密封存储在储气槽10内，限定了高压气体的流动区域。高压气体只能通过节流孔进入活塞与气缸和排出器之间的间隙。首先，因为第一节流孔9和第二节流孔13与储气槽10之间是相贯通的，所以储气槽10内部的高压气体分别流入第一节流孔9和第二节流孔13，通过节流孔的小孔节流作用进行第一次节流。其次，从第一节流孔9和第二节流孔13流出的高压气体分别进入第一均压浅槽12和第二均压浅槽15。因为节流孔通过均压浅槽与环形浅槽相贯通，所以高压气体穿过第一均压浅槽12和第二均压浅槽15后，分别进入第一环形浅槽11和第二环形浅槽14。通过第一环形浅槽11和第二环形浅槽14的狭缝节流作用进行连续狭缝式的第二次节流。综上，通过上述小孔节流和狭缝节流相结合的二次节流作用，使活塞工作表面得到了充分润滑。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，包括活塞（1）、气缸（2）、排出器（5）、压缩腔（6）和储气槽（10），其特征在于：所述的活塞（1）包括活塞外套（7）和活塞内套（8），所述的活塞外套（7）内表面和活塞内套（8）外表面相接触；

所述的活塞外套（7）外圆周外侧开设有双排第一节流孔（9），所述的第一节流孔（9）为偶数个，且沿活塞外套（7）径向均匀排列；所述的活塞外套（7）外圆周外侧沿圆周方向开设有第一环形浅槽（11），所述的第一环形浅槽（11）为偶数个，且沿第一节流孔（9）轴向对称分布在每排第一节流孔（9）的两侧；所述的活塞外套（7）外圆周外侧开设有轴向设置的第一均压浅槽（12），所述的第一均压浅槽（12）与第一节流孔（9）两侧的第一环形浅槽（11）相连通；

所述的活塞内套（8）外圆周外沿圆周方向开设有双排第二节流孔（13），所述的第二节流孔（13）为偶数个，且沿活塞内套（8）径向均匀排列；所述的活塞内套（8）内圆周内侧开设有第二环形浅槽（14），所述的第二环形浅槽（14）为偶数个，且沿第二节流孔（13）轴向对称分布在每排第二节流孔（13）的两侧；所述的活塞内套（8）内圆周内侧开设有轴向设置的第二均压浅槽（15），所述的第二均压浅槽（15）与第二节流孔（13）两侧的第二环形浅槽（14）相连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，其特征在于：所述的第一节流孔（9）和第二节流孔（13）数量均至少为4个。

3.根据权利要求1所述的一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，其特征在于：所述的第一节流孔（9）通过第一均压浅槽（12）和第一环形浅槽（11）相贯通；所述的第二节流孔（13）通过第二均压浅槽（15）与第二环形浅槽（14）相贯通。

4.根据权利要求1所述的一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，其特征在于：所述的第一环形浅槽（11）和第二环形浅槽（14）均为连续狭缝浅槽。

5.根据权利要求1所述的一种用于自由活塞式往复运动机械的气体静压轴承，其特征在于：所述的储气槽（10）开设在活塞内套（8）外圆周外侧，所述的第一节流孔（9）和第二节流孔（13）分别通过活塞外套（7）与活塞内套（8）之间的间隙与储气槽（10）相贯通。