CN104214220A - 一种孔隙式气浮球轴承 - Google Patents

Abstract

一种孔隙式气浮球轴承，主要由凸球面转子、凹球面定子、定子基座、进气管嘴组成。该球轴承的凹球面定子利用其独特的层板孔隙结构，来形成所支撑部件的气膜，可以产生较均匀的压力分布，具有较高的承载和刚度等优点，同时该种球轴承可降低对制造精度、材料工艺的依赖，是一种结构简单、经济性好、性能优良的气浮球轴承。

Description

一种孔隙式气浮球轴承

技术领域

本发明涉及机械工程及气膜润滑领域，尤其适用于各类精密回转、高速回转等高技术应用场合，如作为卫星三轴气浮台、高转速气浮式主轴等。

背景技术

气浮轴承是利用气体的粘性，提高间隙中气体的压力，从而将物体悬浮起来的轴承。本发明所涉及的球轴承是一种静压气浮轴承，由外部供给气体，在凹球定子与凸球转子间隙形成气膜并进行承载。气浮球轴承可实现近似无摩擦三轴回转，是卫星姿态控制地面试验系统的核心部件，可用来模拟卫星在太空中微重力飞行状态；匹配成对的气浮球轴承因其球心可自动对准，可获得高精度的轴系，在精密工程领域中的高转速气浮式主轴、光学精密装配台等均有应用。

当前，国内外已开发了单孔节流型、多孔节流型、表面浅槽节流型、多孔质节流型等典型气浮球轴承。单孔与多孔节流型、表面浅槽节流型的气膜间隙一般为微米量级，对轴承的弧面尺寸精度、几何精度和光洁度均要求高，其加工精度要达到亚微米级，难度大。许多情形下，即使实现了高精度加工，也不一定能获得高性能的气浮轴承；多孔质节流型在承载力和刚度方面优点突出，但多孔材料的工艺品质对轴承的性能有着显著影响，除此之外，还有更为严重的局部热点问题。当作为主轴等高速旋转时，多孔壁面会出现局部过热，引发该处的局部流阻增加，空气在此处的流强减小，使空气不经过热区而由相通的多孔流道流向别处，局部热点继而扩大和恶化，严重影响轴承的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，提供一种满足结构简单、经济性好、性能优良等要求的气浮球轴承，最大限度降低对制造精度、材料工艺的依赖，并具备较高的承载和刚度等优点。

本发明的技术方案是：一种孔隙式气浮球轴承，主要由凸球面转子、凹球面定子、定子基座、进气管嘴组成；所述定子基座圆周外侧接进气管嘴，定子基座上端接凹球面定子；所述凹球面定子由定子外壳、层板结构体构成，凹球面定子与定子基座之间设置有密封槽，便于密封连接；所述凹球面定子的内壁面，设置有多组层板间隔层叠、带有出气孔隙的层板结构体；所述层板结构体的顶部、底部和圆周外侧分别是顶部端板、底部端板、包覆焊层；所述层板结构体内部由多组间隔排列的限流层板和增厚层板组成；所述限流层板刻有控制流道；所述凸球面转子下端与凹球面定子之间存在轴承间隙，凸球面转子上端设置有对接螺纹孔，便于安装所支撑的部件。

所述孔隙式气浮球轴承中，来自外部的气体通过进气管嘴进入到定子基座的内腔，然后经定子外壳和底部端板的气道分配到层板结构体中。气体经底部端板的分流后，进入到由限流层板和增厚层板所共有的分配流道中，进而通过限流层板的控制流道进行流量控制，最后经孔隙出气口流入到轴承间隙。根据具体的设计需求，可以设置不同的层板限流层板的厚度，从而在凹球面定子内壁面产生成百上千的微小孔隙，这些孔隙均匀地分布在轴承表面，可以产生相对均匀的压力分布及较高的承载力。

初始状态下轴承间隙是封闭的，不与大气环境连通。由于气体持续不断的涌入，间隙中气体的压力逐渐升高到一定值，从而将凸球面转子及所支撑的部件悬浮起来，并在轴承间隙内形成并保持一个相对均匀的气膜垫，对所支撑部件具有一定的承载力和刚度，实现近似无摩擦的三轴回转。同时，不断通过的气体被均匀地分散到层板结构体中，并与层板结构体的限流层板和增厚层板进行热交换，可在一定程度上抑制凸球面转子高速回转时所引发的壁面局部过热现象。

根据本发明的实施例，所述限流层板的厚度为0.01mm～1mm。

本发明以航天航空层板式发汗冷却及分层交错喷注技术、气浮轴承技术的最新研究进展为背景，提出一种新型孔隙式气浮球轴承。这种新型气浮球轴承，不同于单孔节流型、多孔节流型、表面浅槽节流型、多孔质节流型等常规气浮球轴承，而是借助层板结构体中的微小流道，通过限流层板的孔隙出口产生成百上千的微小节流孔，这些节流孔较均匀地分布在定子出气壁面，在轴承间隙内形成并保持一个相对均匀的气膜垫，对所支撑部件具有一定的承载力和刚度，实现近似无摩擦的三轴回转。

本发明的有益效果是，该新型孔隙式气浮球轴承采用层板结构体对来形成所支撑部件的气膜，可以产生相对较均匀的压力分布，并具有较高的承载和刚度等优点，同时降低对制造精度、材料工艺的依赖，是一种结构简单、经济性好、性能优良的气浮球轴承。

附图说明

图1是本发明孔隙式气浮球轴承一个具体实施例的结构示意图；

图2是本发明孔隙式气浮球轴承一个具体实施例的外形示意图；

图3是层板结构体的结构示意图；

图4是层板结构体顶部端板的结构示意图；

图5是层板结构体增厚层板的结构示意图；

图6是层板结构体限流层板的结构示意图；

图7是层板结构体底部端板的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1-凹球面定子

1’-凸球面转子

2-层板结构体

21-顶部端板

22-增厚层板

23-限流层板

24-底部端板

25-包覆焊层

26-分配流道

27-控制流道

3-轴承间隙

4-定子外壳

5-密封槽

6-定子基座

7-进气管嘴

8-气体

81-入口气体

82-出口气体

9-对接螺纹孔

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1～图7所示，本发明的孔隙式气浮球轴承实施例，主要由凸球面转子1’、凹球面定子1、定子基座6、进气管嘴7组成。

具体而言，本发明的孔隙式气浮球轴承实施例的定子基座6圆周外侧接进气管嘴7；定子基座6上端接凹球面定子1。所述凹球面定子1由定子外壳4、层板结构体2构成。凹球面定子1与定子基座6之间设置有密封槽5，便于密封连接。凹球面定子1的内壁面，设置有多组层板间隔层叠、带有出气孔隙的层板结构体2。所述层板结构体2的顶部、底部和圆周外侧分别是顶部端板21、底部端板24、包覆焊层25。层板结构体2的内部由多层限流层板23和增厚层板24间隔排列、扩散焊接之后经机械加工制成。限流层板23和增厚层板24分别由厚度为0.5mm和1mm的不锈钢材料制作而成。凸球面转子1’下端与凹球面定子1之间存在轴承间隙3。来自外部的入口气体81，分流后通过分配流道26进入限流层板23的控制流道27。每一层限流层板23只允许一层气体8在圆周方向多个孔隙出口流出，众多孔隙出气进而在轴承间隙3中形成气膜，并最终作为出口气体82排放到大气环境中。凸球面转子1’上端设置有3个标称为M6的对接螺纹孔9，便于安装所支撑的部件。

由此构成的本发明孔隙式气浮球轴承经试制试用后，被证明所需供气量少，承载力高。该孔隙式气浮球轴承试用记录表明，外部气体经定子基座通过层板结构体后，在无凸球面转子承载情形下，在凹球面定子表面上百个孔隙出口，形成了细密的气流，持续而稳定；在有凸球面转子承载情形下，无噪音，回转摩擦力小，转动平稳。

Claims (2)

1.一种孔隙式气浮球轴承，其特征在于，它主要由凸球面转子(1’)、凹球面定子(1)、定子基座(6)、进气管嘴(7)组成。所述凹球面定子(1)由定子外壳(4)、层板结构体(2)构成；所述层板结构体(2)的顶部、底部和圆周外侧分别是顶部端板(21)、底部端板(24)、包覆焊层(25)；所述层板结构体(2)的内部由多组间隔排列的限流层板(23)和增厚层板(24)组成；所述限流层板(23)刻有控制流道(27)。 

2.根据权利要求1所述的孔隙式气浮球轴承，其特征在于，所述限流层板(23)的厚度为0.01mm～1mm。