CN104806631B - 一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，所述保护轴承为一体加工成型结构件；所述保护轴承上设计有轴承外圈(1)、轴承内圈(2)、Z字结构体(3)和空心槽(8)；所述Z字结构体(3)置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间，且Z字结构体(3)与轴承外圈(1)存在有外环形凹槽(4)，Z字结构体(3)与轴承内圈(2)存在有内环形凹槽(5)；所述空心槽(8)间隔置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间。本发明设计的保护轴承在转子失稳产生巨大冲击时，能利用Z字结构体自身的弹性变形吸收掉大量的转子动能而不至于损坏设备内部其他零部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承，更特别地说，是指一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承。
背景技术
近年来，由于磁悬浮技术的进步，使直驱类型的高速旋转设备：如高速磁悬浮鼓风机\压缩机、超高真空分子泵、磁悬浮储能飞轮和磁悬浮力矩陀螺等获得了长足的发展。磁悬浮技术具体是指磁悬浮轴承(或称磁轴承)技术，是利用电磁力将转子悬浮起来，以代替传统的机械轴承支撑。磁轴承可以克服机械轴承擦损耗大的缺点，运行过程中转子无任何机械接触，无摩擦、无润滑，提高了机械寿命。因此其转速可以非常高，通常在10000rpm～60000rpm之间。其几何尺寸远小于输出功率相同的常规旋转设备，有效地节约了材料，大幅度提高了设备的能量密度。磁悬浮技术使得直接驱动负载变成可能，无需增速机构，减小了系统体积，可实现零传动损耗运行，效率高，大大降低了运行噪声，在航空航天、新能源和精密制造等特殊领域具有广阔的应用前景。
保护轴承作为磁悬浮高速旋转设备的必要组件，具有以下三个所用：
(1)工作时起保护作用，主要体现在对磁轴承的保护。
(2)停止时起支撑作用，主要体现在对转子的支承。
(3)调试时起辅助作用，主要体现在对控制系统的辅助。
但采用传统的滚珠轴承作为保护轴承，却存在先天的缺陷。磁悬浮转子一般工作在数万转每分，能量密度较高，当失稳现象发生时，高速转子会突然与保护轴承发生碰撞，并带动保护轴承一起转动。有可能导致轴承保持架的机械损坏。使转子继续与设备内部其他组件如磁轴承和电机定子等发生碰撞，导致设备报废。或由于摩擦生热会使滚珠和轴承膨胀，导致保护轴承卡死停转。
为了克服滚珠式保护轴承这种先天的缺陷，试图探索设计一种具有缓冲和储能功能的保护轴承结构，以适应这种意外情况。试想如果有一种保护轴承是柔性的，在转子失稳产生巨大冲击时，能利用自身的弹性变形吸收掉大量的能量而不至于损坏零部件，那将是对磁悬浮高速旋转设备的一种巨大改进。
发明内容
为了避免磁悬浮高速旋转设备上的转子与磁轴承发生碰撞，本发明设计了一种适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承。该保护轴承在轴承内圈与外圈之间设计了空心槽和Z字结构体，且Z字结构体与轴承外圈存在有外环形凹槽，Z字结构体与轴承内圈存在有内环形凹槽。本发明设计的保护轴承在转子失稳产生巨大冲击时，能利用Z字结构体自身的弹性变形吸收掉大量的转子动能而不至于损坏设备内部其他零部件。又因本发明设计的保护轴承为柔性，不存在由于摩擦生热使轴承膨胀，导致轴承卡死停转的现象。
本发明设计了一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，所述保护轴承上设计有轴承外圈(1)、轴承内圈(2)、Z字结构体(3)和空心槽(8)；
所述Z字结构体(3)置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间，且Z字结构体(3)与轴承外圈(1)之间存在有外环形凹槽(4)，Z字结构体(3)与轴承内圈(2)之间存在有内环形凹槽(5)；
所述空心槽(8)间隔均布置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间。
所述保护轴承套接在磁悬浮高速旋转设备的转子(7)上，且轴承内圈(2)与转子(7)之间设置有垫圈(6)。
本发明设计的径轴一体柔性保护轴承的优点在于：
①设计的径轴一体柔性保护轴承以弹性储能的方式吸收掉转子大部分动能，避免直接的刚性撞击，大大减小了设备失稳造成的零件损坏的概率，提高了整机使用寿命。
②设计的径轴一体柔性保护轴承将径向和轴向的保护功能合二为一，使得磁悬浮轴系结构前后对称，有利于零件的通用化和标准化。
③设计的径轴一体柔性保护轴承采用一体化加工，避免了装配间隙，提高了整机的精度。
④柔性保护轴承代替了传统滚珠轴承，使磁悬浮设备在总体设计阶段能够将柔性保护轴承作为设备的一部分加以考虑，有利于使整机结构更加紧凑合理。
附图说明
图1是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的正视图。
图1A是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的正视立体图。
图2是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的后视图。
图2A是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的后视立体图。
图3是本发明设计的保护轴承与磁悬浮高速旋转设备的转子之间的正视装配结构图。
图3A是本发明设计的保护轴承与磁悬浮高速旋转设备的转子之间的后视装配结构图。
图4是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的剖视图。
图4A是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的另一视角剖视图。
图5是本发明设计的适用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承的结构尺寸标注示意图。
图6是本发明设计的Z字结构体的结构示意图。
图6A是本发明设计的Z字结构体在承受径向载荷的运动示意图。
图6B是本发明设计的Z字结构体在承受轴向载荷的运动示意图。
| 1.轴承外圈 | 2.轴承内圈 | 3.Z字结构体 |
| 4.外环形凹槽 | 5.内环形凹槽 | 6.垫圈 |
| 7.转子 | 8.空心槽 |
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A、图2、图2A所示，本发明设计的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径向承载柔性保护轴承，所述保护轴承为一体加工成型结构件；所述保护轴承上设计有轴承外圈1、轴承内圈2、Z字结构体3和空心槽8；所述Z字结构体3置于轴承外圈1与轴承内圈2之间，且Z字结构体3与轴承外圈1之间存在有外环形凹槽4，Z字结构体3与轴承内圈2之间存在有内环形凹槽5。所述空心槽8间隔均布置于轴承外圈1与轴承内圈2之间。
参见图3、图3A所示的本发明设计保护轴承与磁悬浮高速旋转设备的转子7的装配结构，本发明设计的保护轴承套接在磁悬浮高速旋转设备的转子7上，且轴承内圈2与转子7之间设置有垫圈6，垫圈6选用石墨材质加工。
本发明设计的径轴一体柔性保护轴承的尺寸关系：
参见图4、图4A、图5所示，本发明设计的径轴一体柔性保护轴承的内径直径记为d，轴承外圈1的厚度记为c，轴承内圈2的厚度记为a，空心槽8的长度记为b，空心槽8的宽度记为e。外环形凹槽4的宽度与内环形凹槽5的宽度相同，外环形凹槽4的宽度记为f。
在本发明中，
在本发明中，e＝f＝a，b＝3a。
在本发明中，Z字结构体3的接合处厚度记为g，且g＝a。
在本发明中，空心槽8设置的个数与转子2的质量、转速、功率和负荷相关，一般为等间距设置在轴承外圈1与轴承内圈2之间，个数大于6。
在本发明中，用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承选用结构钢、合金钢、不锈钢等材质加工，具体地，如1Cr18NiTi或者40CrNiMo。
本发明设计的径轴一体柔性保护轴承的柔性运动关系：
承受径向载荷：参见图6、图6A所示，当从磁悬浮高速旋转设备的转子7向径轴一体柔性保护轴承的轴承内圈2产生一个径向力时，Z字结构体3将径向变形，使得转子7的动能转化为Z字结构体3的弹性势能，以达到径向柔性保护的目的。
承受轴向载荷：参见图6、图6B所示，当从磁悬浮高速旋转设备的转子7向径轴一体柔性保护轴承的端面产生一个轴向力时，Z字结构体3将轴向变形，使得转子7的动能转化为Z字结构体3的弹性势能，以达到轴向柔性保护的目的。
本发明是一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，所要解决的是在失稳现象发生时，如何使保护轴承具有缓冲和储能功能的技术问题，本发明保护轴承利用Z字结构体自身的弹性变形吸收掉大量的转子能量而不至于损坏零部件的技术手段，从而实现对磁轴承保护的技术效果。
Claims (9)
1.一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承包括轴承外圈(1)、轴承内圈(2)、Z字结构体(3)和空心槽(8)；
所述Z字结构体(3)置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间，且Z字结构体(3)与轴承外圈(1)之间存在有外环形凹槽(4)，Z字结构体(3)与轴承内圈(2)之间存在有内环形凹槽(5)；
所述空心槽(8)间隔均布置于轴承外圈(1)与轴承内圈(2)之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：所述保护轴承为一体加工成型结构件。
3.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：所述径轴一体柔性保护轴承选用结构钢或合金钢材质加工。
4.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：所述径轴一体柔性保护轴承选用不锈钢材质加工。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：所述径轴一体柔性保护轴承的内径直径记为d，轴承外圈(1)的厚度记为c，轴承内圈(2)的厚度记为a，空心槽(8)的长度记为b，空心槽(8)的宽度记为e，外环形凹槽(4)的宽度记为f，Z字结构体(3)的接合处厚度记为g；则有， e＝f＝a，b＝3a，g＝a。
6.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：当从磁悬浮高速旋转设备的转子(7)向径轴一体柔性保护轴承的轴承内圈(2)产生一个径向力时，Z字结构体(3)将径向变形，使得转子(7)的动能转化为Z字结构体(3)的弹性势能，以达到径向柔性保护的目的。
7.根据权利要求1所述的一种用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，其特征在于：当从磁悬浮高速旋转设备的转子(7)向径轴一体柔性保护轴承的端面产生一个轴向力时，Z字结构体(3)将轴向变形，使得转子(7)的动能转化为Z字结构体(3)的弹性势能，以达到轴向柔性保护的目的。
8.一种磁悬浮高速旋转设备的转子组件，其包括如权利要求1—7中任一所述的用于磁悬浮高速旋转设备的径轴一体柔性保护轴承，所述保护轴承套接在磁悬浮高速旋转设备的转子(7)上，且轴承内圈(2)与转子(7)之间设置有垫圈(6)。
9.根据权利要求8所述的一种磁悬浮高速旋转设备的转子组件，其特征在于：所述垫圈(6)选用石墨材质加工。
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