CN105626688B - 主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置 - Google Patents

主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，包括转子、端盖、套筒、滚动轴承、旋进内组件、旋进外组件、滚珠以及轴承压盖。转子端部加工成具有较小锥度的斜面H1和较大锥度的斜面H2，两种不同锥度的斜面沿着轴向交替设置。套筒安装于滚动轴承内圈，套筒的内表面加工成于转子端部一致的斜面，并置于转子端部外围，套筒内表面沿轴向与转子端部表面存在均匀大小的径向间隙L1，轴向间隙为L2。本发明同时对转子的径轴向进行保护，在转子跌落后同时消除转子与滚动轴承之间的径轴向间隙，消除高速转子跌落后对滚动轴承的冲击，能够在磁悬浮轴承再次正常工作时，自动恢复转子与滚动轴承之间的径轴向间隙至初始大小。

Description

主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮轴承系统技术领域，尤其是一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置。
背景技术
在磁悬浮轴承系统中，一般需要一套保护轴承（也称辅助轴承、备用轴承、保持轴承或应急轴承）在系统断电、过载、控制系统失效或者故障等突发情况下作为临时支承。圆锥滚子式自动消除转子间隙的向心推力保护轴承可以同时在径向和轴向承受载荷，保证高速旋转的转子不与系统的定子部分发生碰撞和摩擦，以保证整个系统的安全性和可靠性。传统的保护轴承设计一般是将滚动轴承装配在轴承座中，滚动轴承的内圈与转子之间设置的磁悬浮轴承正常工作所需的径向/轴向间隙一般为转子与径向/轴向磁悬浮轴承径向间隙的一半。因此，保护轴承工作时受到很大的冲击和振动，同时由于转子跌落后无法消除保护轴承与转子之间的间隙，保护轴承抵抗冲击和振动的能力较差，容易导致其损坏，以致引发磁悬浮轴承系统损坏的严重事故。因此，保护轴承也一直是制约着磁悬浮轴承系统应用和发展的主要因素。
由于磁悬浮轴承系统的转速一般都很高，而转子与保护轴承之间存在较大的径向和轴向间隙，致使转子在跌落到保护轴承上时会产生很大的冲击与振动。目前有一种方法通过在滚动轴承内圈安装一个带斜面的内嵌套，与加工有斜面的转子接触，当电磁铁工作时，电磁铁上电使得包含滚动轴承的结构压缩弹簧，此时内嵌套与转子之间有间隙，保护轴承不工作；当磁悬浮轴承意外断电时，电磁铁失电，弹簧推动保护轴承的结构整体移动，使得内嵌套与转子接触消除间隙，但其由于利用弹簧的推力维持保护轴承结构与转子接触，若弹簧的刚度太小导致保护轴承轴向支承刚度很小，若弹簧刚度太大则电磁铁无法压缩弹簧；并且此方案中由于转子与内嵌套的斜面锥度单一，在斜面锥度较小的情况下，内嵌套与转子之间的轴向间隙大小是径向间隙的数倍，即在满足磁悬浮轴承径向保护的情况下，无法满足磁悬浮轴承的轴向保护，故此保护轴承无法同时对磁悬浮轴承转子提供径向和轴向保护。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种主被动一体式自消除恢复轴承外圈径轴向间隙的保护装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，包括转子、保护轴承、端盖，端盖与外部的机座固定连接；
所述保护轴承包括套筒、滚动轴承、旋进内组件、旋进外组件、滚珠以及轴承压盖；
所述旋进外组件，旋进外组件外圆表面安装于端盖上，内圆表面靠近滚珠端设置一圈圆弧型沟道，另一端设置有与旋进内组件外圆表面的外螺纹G3配合的内螺纹；
所述滚珠，滚珠置于旋进内组件和旋进外组件的沟道之间；
所述转子，转子端部加工成具有较小锥度的斜面H1和较大锥度的斜面H2，两种不同锥度的斜面沿着轴向交替设置；
所述套筒，套筒安装于滚动轴承内圈，套筒的内表面加工成于转子端部一致的斜面，并置于转子端部外围，套筒内表面沿轴向与转子端部表面存在均匀大小的径向间隙L1，轴向间隙为L2；
所述滚动轴承，滚动轴承外圈安装于旋进内组件上；
所述旋进内组件，旋进内组件外圆表面轴向中间位置处设置有1~2圈外螺纹G3，外螺纹旋向与转子转动方向一致，靠近滚珠的一端沿着周向设置有与滚珠的数量一致的圆弧型沟道G2，每段沟道沿着轴向有一定的螺旋，其导程与外螺纹G3的导程大小一致，另外一端沿着周向设置有齿轮轮齿G4，与外部的步进电机连接；
所述轴承压盖，轴承压盖通过螺钉与旋进内组件连接轴向压紧滚动轴承，轴承压盖与转子之间存在径向间隙L3，L3设置为磁悬浮轴承系统所需的径向保护间隙大小，并且设置转子与套筒之间的间隙L1大于L3。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述滚珠个数为2-200个。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述滚动轴承为深沟球轴承、一对角接触轴承，或者为陶瓷球轴承。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述旋进内组件和旋进外组件表面的螺纹的牙型为矩形、梯形、锯齿形或者普通螺纹。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述轴承压盖为圆盘状，圆盘沿圆周设有一圈螺钉孔，轴承压盖压于旋进内组件与滚动轴承的接缝处。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述保护轴承材料为金属或者碳纤维/玻璃纤维制成的复合材料。
本发明的有益效果是，本发明能够在磁悬浮轴承系统失效后对转子同时提供径向和轴向的保护，并且能够同时消除转子与滚动轴承之间的径向和轴向间隙，从而消除了高速转子跌落后对滚动轴承的振动和冲击；另外，当磁悬浮轴承再次正常工作时，能够及时恢复转子与滚动轴承之间的间隙，从而使得保护轴承不干扰磁悬浮轴承的再次正常工作，提高了向心推力保护轴承的可靠性和安全性，以满足高速磁悬浮轴承系统发展的需要。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是图1中I部放大间隙未消除状态下示意图。
图3是图1中I部放大间隙消除状态下示意图。
图4是旋进内组件的视图。
图5是图4中A向局部视图。
图中，1、转子，2、套筒，3、滚动轴承，4、旋进内组件，5、旋进外组件，6、滚珠，7、端盖，8、轴承压盖，9、螺钉。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1-5是本发明的结构示意图，一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，包括转子1、保护轴承、端盖7，端盖7与外部的机座固定连接。
保护轴承包括套筒2、滚动轴承3、旋进内组件4、旋进外组件5、滚珠6以及轴承压盖8。
旋进外组件5，旋进外组件5外圆表面安装于端盖7上，内圆表面靠近滚珠6端设置一圈圆弧型沟道，另一端设置有与旋进内组件4外圆表面的外螺纹G3配合的内螺纹。
滚珠6，滚珠6置于旋进内组件4和旋进外组件5的沟道之间。
转子1，转子1端部加工成具有较小锥度的斜面H1和较大锥度的斜面H2，两种不同锥度的斜面沿着轴向交替设置。
套筒2，套筒2安装于滚动轴承3内圈，套筒2的内表面加工成于转子1端部一致的斜面，并置于转子1端部外围，套筒2内表面沿轴向与转子1端部表面存在均匀大小的径向间隙L1，轴向间隙为L2。
滚动轴承3，滚动轴承3外圈安装于旋进内组件4上。
旋进内组件4，旋进内组件4外圆表面轴向中间位置处设置有1~2圈外螺纹G3，外螺纹旋向与转子1转动方向一致，靠近滚珠的一端沿着周向设置有与滚珠的数量一致的圆弧型沟道G2，每段沟道沿着轴向有一定的螺旋，其导程与外螺纹G3的导程大小一致，另外一端沿着周向设置有齿轮轮齿G4，与外部的步进电机连接。
轴承压盖8，轴承压盖8通过螺钉与旋进内组件4连接轴向压紧滚动轴承3，轴承压盖8与转子1之间存在径向间隙L3，L3设置为磁悬浮轴承系统所需的径向保护间隙大小，并且设置转子1与套筒2之间的间隙L1大于L3。
滚珠6个数为2-200个。
滚动轴承3为深沟球轴承、一对角接触轴承，或者为陶瓷球轴承。
旋进内组件4和旋进外组件5表面的螺纹的牙型为矩形、梯形、锯齿形或者普通螺纹。
轴承压盖8为圆盘状，圆盘沿圆周设有一圈螺钉孔，轴承压盖8压于旋进内组件4与滚动轴承3的接缝处。
保护轴承材料为金属或者碳纤维/玻璃纤维制成的复合材料。
安装时，首先将套筒2、滚动轴承3、旋进内组件4以及轴承压盖8安装为一体，将旋进外组件5安装于端盖7；然后将旋进内组件4等整体旋入旋进外组件5，此过程中当旋进内组件4外表面圆弧形沟道始端的圆弧形滚珠入口（图2中G1）与旋进外组件内表面的圆弧形沟道重合时，将滚珠分别对应装入每个圆弧形滚珠入口（图2中G1）中，继续旋入旋进内组件4，在旋进内组件4旋入的过程中，旋进内组件4与旋进外组件5存在相对轴向位移，并且滚珠6在旋进内组件4和旋进外组件5的圆弧形沟道内滚动，由于旋进外组件5中的圆弧形沟道周向首尾封闭无轴向偏移，而旋进内组件4外表面的圆弧形沟道具有与外螺纹导程相同的轴向位移，所以通过旋进内组件4中的圆弧形沟道，使得滚珠6在沟道内滚动的同时，允许旋进内组件4的轴向移动，并且由于旋进内组件4和旋进外组件5圆弧形沟道的约束，使得滚珠能够始终保持在沟道内部并沿着周向均匀分布；最后将保护轴承装置整体通过端盖7连接至机座，并通过调节旋进内组件4的旋入深度调节转子1与套筒2之间合适的间隙大小，并将外部步进电机固定安装于机座，通过齿轮与旋进内组件4中的轮齿啮合。磁悬浮轴承正常工作时，由于步进电机对旋进内组件4的约束使得套筒2始终保持在初始调节的合适位置，即图1中所示的位置A，此时转子与套筒之间沿着轴向具有均匀大小的径向间隙L1和轴向间隙L2，使得保护轴承装置并不干扰转子1的正常旋转，其中，轴向间隙L2即为磁悬浮轴承系统的轴向保护间隙，通过设计转子端部H2段外表面的锥度大小得到。
在磁悬浮轴承系统正常工作时，转子1与轴承压盖8之间的径向间隙L3大小约为0.15 mm，转子1与套筒2之间的径向间隙略大于0.15 mm，轴向间隙大小约为0.2 mm，转子1与轴承压盖8以及套筒2互不接触，并且转子1是高速旋转的，套筒2、滚动轴承3、旋进内组件4以及轴承压盖8都一起处于静止状态；
当磁悬浮轴承失效后，失效形式分为两种情形：（1）当磁悬浮轴承系统由于过载等导致转子失稳跌落，在转子1跌落过程中，控制系统检测到系统失稳后立即控制外部步进电机转动，步进电机带动旋进内组件4相对于旋进外组件5进行旋入动作，套筒2与转子1端部之间的径向和轴向间隙同时减小，当套筒2与转子1端部移动到相对位置B处时，套筒2与转子1端部之间的间隙减小为零，即消除了转子1与滚动轴承3内圈之间的径向和轴向间隙；（2）当磁悬浮轴承系统完全失电时，此时控制系统以及外部步进电机都失去了电源，转子1发生跌落，在转子1跌落过程中，由于转子1与轴承压盖之间存在的径向间隙小于转子1与套筒2之间的径向间隙，所以，转子1外表面首先与轴承压盖8发生接触碰撞，此时转子1与轴承压盖8之间一方面存在很大的相对速度，另一方面有碰撞力作用，转子1与轴承压盖8之间的碰撞力产生的摩擦力使得轴承压盖8带动旋进内组件4、滚动轴承3以及套筒2整体相对于旋进外组件5产生转动，在旋进内组件4转动过程中，套筒2与转子1端部之间的间隙逐渐减小并最终减小为零，即消除了转子1与滚动轴承3内圈之间的径向和轴向间隙。说明主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置可以在磁悬浮轴承系统任何情况下失稳后，都能实现主动/被动式同时消除转子与滚动轴承之间的径向和轴向间隙，消除了转子跌落后对保护轴承的冲击与振动，可显著提高磁悬浮轴承系统中向心推力保护轴承的可靠性以及寿命。
本发明的工作原理是：安装时通过调节旋进内组件4的旋入深度，调节转子1与套筒2之间的间隙大小，并利用外部的步进电机对旋进内组件4的约束，使得在磁悬浮轴承系统正常运行时，转子1与套筒2之间的间隙始终保持不变（位置A），此时除了转子1正常旋转，其他部件都保持静止状态，转子1与轴承压盖8之间存在正常的径向保护间隙（一般约为0.15 mm），转子1与套筒2之间存在正常的轴向保护间隙（一般约为0.2 mm）。当磁悬浮轴承系统由于过载等情形失效后，控制系统检测转子失稳后，立即控制外部步进电机带动旋进内组件4相对于旋进外组件5进行旋入动作，使得套筒2与转子1之间的间隙逐渐减小为零，即同时消除了滚动轴承3与转子1之间存在的径向和轴向间隙，由于此时是由于控制器控制外部步进电机而实现保护间隙的消除，故此时称为主动式自消除-恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置；当整个磁悬浮轴承系统由于失电导致转子1跌落时，此时控制器连同外部步进电机全部失效而无效进行主动消除间隙，但由于转子1跌落后首先与轴承压盖8发生接触碰撞，高速旋转的转子与静止的轴承压盖产生碰撞力的同时也产生了切向摩擦力，在摩擦力的作用下，轴承压盖8带动旋进内组件4产生与转子1相同方向的转动，即旋进内组件4相对于旋进外组件5实现了被动式的旋入动作，当旋进内组件4带动套筒2到达位置B处时，套筒2与转子1之间的间隙完全消除，由于此时整个磁悬浮轴承系统失电，在保护轴承装置消除间隙的过程中，无主动控制系统介入，完全由保护轴承装置自动完成，故此时称为被动式自消除-恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置。当保护轴承完全消除间隙时，套筒2以及滚动轴承3内圈随着转子一同仍然绕着磁悬浮轴承系统正常工作时的旋转中心旋转，而滚动轴承3外圈以及旋进内组件4则通过圆弧形沟道中沿着周向均匀分布的滚珠6稳定支承，并且由于螺纹具有自锁的特点，所以在被动式保护轴承装置中，旋进内组件4不会自动相对于旋进外组件5产生回旋运动，而在主动式保护轴承装置中，由于外部步进电机的保持作用，旋进内组件4更加不会产生回旋运动，旋进内组件4不产生回旋运动，套筒2与转子1之间就不会产生松动，故当保护轴承装置无论是主动式还是被动式消除间隙后，滚动轴承都能够始终稳定支承转子继续旋转，即不会发生转子与保护轴承的碰撞，也不会对保护轴承产生反复冲击与振动，并且由于滚动轴承内圈安装有套筒2、外圈安装于旋进内组件4中，所以可以根据需要对滚动轴承3的内圈和外圈进行带有预紧力安装，满足了滚动轴承3高速运行时进行预紧的要求，从而提高了保护轴承运行精度、可靠性以及寿命。当磁悬浮轴承系统恢复供电或者控制系统恢复正常工作后，由控制系统控制外部步进电机使得旋进内组件4产生回旋动作，此时套筒2与转子1之间的间隙由零逐渐增加，当旋进内组件4回旋至初始位置后，套筒2与转子1之间的间隙恢复至原来状态，即保护轴承装置不会干扰磁悬浮轴承系统的再次正常工作。

Claims (6)

1.一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，包括转子（1）、保护轴承、端盖（7），端盖（7）与外部的机座固定连接；所述保护轴承包括套筒（2）、滚动轴承（3）、旋进内组件（4）、旋进外组件（5）、滚珠（6）以
及轴承压盖（8）；所述旋进外组件（5），旋进外组件（5）外圆表面安装于端盖（7）上，内圆表面靠近滚珠（6）端设置一圈圆弧型沟道，另一端设置有与旋进内组件（4）外圆表面的外螺纹G3配合的内螺纹；所述滚珠（6），滚珠（6）置于旋进内组件（4）和旋进外组件（5）的沟道之间；其特征是：所述转子（1），转子（1）端部加工成具有较小锥度的斜面H1和较大锥度的斜面H2，两种不同锥度的斜面沿着轴向交替设置；所述套筒（2），套筒（2）安装于滚动轴承（3）内圈，套筒（2）的内表面加工成与转子（1）端部一致的斜面，并置于转子（1）端部外围，套筒（2）内表面沿轴向与转子（1）端部表面存在均匀大小的径向间隙L1，轴向间隙为L2；所述滚动轴承（3），滚动轴承（3）外圈安装于旋进内组件（4）上；所述旋进内组件（4），旋进内组件（4）外圆表面轴向中间位置处设置有1 ~ 2圈外螺纹G3，外螺纹旋向与转子（1）转动方向一致，靠近滚珠的一端沿着周向设置有与滚珠的数量一致的圆弧型沟道G2，每段沟道沿着轴向有一定的螺旋，其导程与外螺纹G3的导程大小一致，另外一端沿着周向设置有齿轮轮齿G4，与外部的步进电机连接；所述轴承压盖（8），轴承压盖（8）通过螺钉与旋进内组件（4）连接轴向压紧滚动轴承（3），轴承压盖（8）与转子（1）之间存在径向间隙L3，L3设置为磁悬浮轴承系统所需的径向保护间隙大小，并且设置转子（1）与套筒（2）之间的间隙L1大于L3。
2.根据权利要求1所述的一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，其特征在于：所述滚珠（6）个数为2-200个。
3.根据权利要求1所述的一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，其特征在于：所述滚动轴承（3）为深沟球轴承、一对角接触轴承，或者为陶瓷球轴承。
4.根据权利要求1所述的一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，其特征在于：所述旋进内组件（4）和旋进外组件（5）表面的螺纹的牙型为矩形、梯形、锯齿形或者普通螺纹。
5.根据权利要求1所述的一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，其特征在于：所述轴承压盖（8）为圆盘状，圆盘沿圆周设有一圈螺钉孔，轴承压盖（8）压于旋进内组件（4）与滚动轴承（3）的接缝处。
6.根据权利要求1所述的一种主被动一体式自消除恢复转子径轴向间隙的保护轴承装置，其特征在于：所述保护轴承为金属和碳纤维制成的复合材料，或者为金属和玻璃纤维制成的复合材料。
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