CN105683600B - 带有通孔的单轴旋转气体轴承 - Google Patents

带有通孔的单轴旋转气体轴承 Download PDF

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Abstract

旋转气体轴承允许在通过轴承供给增压气体的同时绕单轴旋转。气体轴承包括气体供给部件和气体陷阱部件。筒状凹陷部定位在气体供给部件和气体陷阱部件中的一个中。筒状突起从气体供给部件和气体陷阱中的另一个突出并且定尺寸为以预定间隙适配在筒状凹陷部内。气体供给轴承表面与气体陷阱轴承表面相对。开口位于气体供给轴承表面中，多孔涂层覆盖气体供给轴承表面的围绕开口的部分。多孔涂层经由气体供给部件而与增压气体供给源连通，用于维持多孔涂层与气体陷阱轴承表面之间的轴承压力，使得轴承压力大于馈给压力。位于气体陷阱轴承表面中的环状通道与开口对准且与开口相对地定位，并且经由气体陷阱部件而与气体陷阱连通。

Description

带有通孔的单轴旋转气体轴承
技术领域
公开的实施例涉及增压气体轴承领域，更特别地，涉及带有气体通孔的旋转增压气体轴承领域。
背景技术
在机械轴承中经常选择尤其是流体轴承和气体轴承是有多方面原因的。例如，气体轴承可以具有几乎为零的摩擦，即使在极低速时以及当启动或停止时，显示出轴承表面上的近零磨损以及提供优良的机械振动隔离。因此，气体轴承的一个应用是提供具有几乎为零的摩擦旋转运动的旋转接合处以及优良的有效载荷振动隔离。
然而，难以跨过气体轴承将增压气体供给到旋转侧的气体陷阱。传统地，有三种方式来实现这点：使软管从气体供给直接延伸到气体陷阱，通过使用滑环，以及通过在气体轴承的旋转侧上包含额外的气体供给源。软管的使用将气体轴承的运动范围限制到在软管变得缠结或扭绞之前至多几个完整圈。滑环引入了跨轴承的摩擦和机械振动，可能抵消气体轴承所提供的一些优点。在气体轴承的旋转侧上的单独的气体供给源引入了额外的机械复杂度以及额外的重量，并且如果使用压缩机还会引入机械振动以及向气体轴承的旋转侧供给电力的需求。
发明概述
根据一个实施例，描述了在供给通过轴承的增压气体的同时允许绕单轴旋转的旋转气体轴承。气体轴承构造为与增压气体供给源和气体陷阱流体连通。气体轴承包括限定了气体供给轴承表面的气体供给部件和限定了气体陷阱轴承表面的气体陷阱部件。限定了气体供给轴承表面和气体陷阱轴承表面中的一个的筒状凹陷部，位于所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的一个中。筒状突起从所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的另一个突出，并且其尺寸适于以预定间隙装配在筒状凹陷部内。所述筒状突起限定了气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的另一个。所述气体供给轴承表面与所述气体陷阱轴承表面相对。适于经由气体供给部件而在馈给压力下与增压气体供给源流体连通的至少一个开口，位于所述气体供给轴承表面中。多孔涂层覆盖所述气体供给轴承表面的围绕开口的部分。所述多孔涂层适于经由所述气体供给部件而与所述增压气体供给源流体连通，用于维持所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的轴承压力，所述轴承压力大于所述馈给压力。位于所述气体陷阱轴承表面中的环状通道与所述开口对准且相对地定位，并且适于经由所述气体陷阱部件而与气体陷阱流体连通。
在另一实施例中，所述多孔涂层包括烧结材料。
在另一实施例中，所述多孔涂层包括黄铜和碳中的至少之一。
在另一实施例中，所述多孔涂层包括石墨。
在另一实施例中，选择所述预定间隙而使得所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的空隙在5μm与50μm之间。
在另一实施例中，选择所述预定间隙而使得所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的空隙在12μm与25μm之间。
在另一实施例中，所述增压气体包括空气。
在另一实施例中，所述增压气体包括氧气、氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的至少之一。
在另一实施例中，所述馈给压力比轴承压力小大约30kPa。
在另一实施例中，所述轴承压力在600kPa与1000kPa之间，且所述馈给压力在570kPa与970kPa之间。
在另一实施例中，所述通道的宽度大于所述至少一个开口的宽度。
在另一实施例中，所述环状通道绕着所述筒状突起的周缘延伸。
在另一实施例中，所述筒状凹陷部位于所述气体供给部件中，并且所述筒状突起从所述气体陷阱部件突出。
根据另一实施例，描述了在供给通过轴承的增压气体的同时允许绕单轴旋转的旋转气体轴承。所述气体轴承构造为与增压气体供给源和气体陷阱流体连通。所述气体轴承包括限定气体供给轴承表面的气体供给部件以及限定气体陷阱轴承表面的气体陷阱部件。定形为第一回转表面且限定所述气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的一个的凹陷部，位于所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的一个中。定形为第二回转表面且限定所述气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的另一个的突起，从所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的另一个突出。所述突起被定尺寸为以预定间隙装配在所述凹陷部内。适于经由所述气体供给部件而在馈给压力下与所述增压气体供给源流体连通的至少一个开口，位于所述气体供给轴承表面中。多孔涂层覆盖所述气体供给轴承表面的部分。所述多孔涂层适于经由所述气体供给部件而与所述增压气体供给源流体连通，用于维持所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的轴承压力，所述轴承压力大于所述馈给压力。所述气体陷阱轴承表面中的环状通道与所述开口对准且与所述开口相对地定位。所述通道适于经由所述气体陷阱部件而与所述气体陷阱流体连通。
在另一实施例中，所述凹陷部是锥形凹陷部，并且所述突起是锥形突起。
在另一实施例中，所述凹陷部是截头锥形凹陷部，并且所述突起是截头锥形突起。
在另一实施例中，所述多孔涂层围绕所述开口。
附图说明
为更好的理解所描述的实施例以及更清楚地表明它们如何实施，将通过示例的方式参考附图，在附图中：
图1示出了带有通孔的单轴旋转气体轴承的一个实施例的剖视图。
图2示出了图1所描绘的带有通孔的单轴旋转气体轴承的实施例的立体剖开视图。
图3示出了带有通孔的单轴旋转气体轴承的另一实施例的剖视图。
图4示出了带有通孔的单轴旋转气体轴承的另一实施例的剖视图。
发明详述
图1示出了带有通孔的单轴旋转气体轴承的一个实施例的剖视图。气体轴承1000允许气体陷阱(集气汇，gas sink)部件1010相对于气体供给部件1020绕轴线1005自由旋转，同时从气体供给部件1020上的增压气体供给源1030向气体陷阱部件1010上的气体陷阱1040供给增压气体。气体陷阱1040可以是任何类型的气体陷阱，包括例如沿着不同旋转轴线对准的其它气体轴承。
在气体轴承1000中使用的气体可以是任何适合的工作气体。优选地，因空气是易于得到的供给源，工作气体是空气。可选地，还可以使用诸如氮气、氧气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气的其它各种气体中的一种或混合物。
增压气体供给源1030包括能够在气体轴承1000运转期间维持充足压力(参见下面)的任何合适的增压气体供给源。例如，增压气体供给源1030可以包括带有气体供给源的压缩机或者带有调节器的增压和/或液化气体罐。优选地，工作气体是空气，使得可以使用在环境空气中抽气的压缩机。
继续参考图1，气体轴承1000包括在气体供给部件1020中的筒状凹陷部1025，其内表面具有气体供给轴承表面1050。对应的筒状突起1015从气体陷阱部件1010延伸出。筒状突起1015的外表面包括气体陷阱轴承表面1060。筒状突起1015被定尺寸为以预定间隙适配在筒状凹陷部1025内(下文进一步详细描述)。多孔涂层1070施加到轴承表面1050上，并且经由轴承气体供给导管1080连接到增压气体供给源1030。来自增压气体供给源1030的增压气体从多孔涂层1070逸出到多孔涂层1070与气体陷阱轴承表面1060之间的空隙1090，在轴承压力下提供了增压气体缓冲，这允许气体陷阱部件1010绕着气体轴承1000的轴线1005而关于气体供给部件1020旋转。
多孔涂层1070可以包括任何适合于构造气体轴承的材料，取决于所选的运转压力和工作气体。例如，多孔黄铜或诸如石墨的多孔碳可用于构造多孔涂层1070。更一般地，由烧结材料构造而成的多孔涂层是适合的。
补充轴承1100优选地也包括多孔涂层且连接到增压气体供给源1030，可用于防止气体供给部件1020接触气体陷阱部件1010。
选择预定间隙以平衡所需增压气体的量与制造气体轴承的难度。多孔涂层1070与气体陷阱轴承表面1060之间的较小的空隙导致较低的气体损失以维持增压气体缓冲，但是也更难以制造。已经发现，应选择预定的间隙以使得图1中的多孔涂层1070与气体陷阱轴承表面1060之间的空隙，在5μm与50μm之间，优选地在12μm与25μm之间。
开口1110位于气体供给轴承表面1050与多孔涂层1070之间。开口1110经由馈给气体供给导管1120和馈给气体压力调节器1130而连接到增压气体供给源1030。
馈给气体供给导管1120在开口1110处的气体压力(也称为“馈给压力”)，由压力调节器1130调节成小于多孔涂层1070与气体陷阱轴承表面1060之间的轴承压力。优选地，馈给压力比轴承压力小近似30kPa(4-5psi)。在一个实施例中，馈送压力维持在570kPa(近似85psi)与970kPa(140psi)之间，而轴承压力对应地维持在600kPa(近似90psi)与1000kPa(近似145psi)之间。
绕着筒状突起1015的周缘以及与开口1110相对，在气体陷阱轴承表面1060中切割出通道1140。通道1140经由气体陷阱导管1150连接到气体陷阱1040。可以使用在筒状突起1015的周缘间隔开的额外的气体陷阱导管1150，使得随着气体陷阱部件1010关于气体供给部件1020旋转，气体陷阱1040所经历的压力变化最小化。
优选地，开口1110的宽度和通道1140的宽度近似相等。
在可选的实施例中，开口1110可以绕着筒状凹陷部1025的周缘延伸而在气体供给轴承表面1050中形成通道，其与气体陷阱轴承表面1060中的通道1140相对且通过多个开口1110连接到增压气体供给源1030。
在操作时，增压气体从增压气体供给源1030经由轴承气体供给导管1080供给到多孔涂层1170且任选地供给到补充轴承1100。这维持多孔涂层1070与气体陷阱轴承表面1060之间的轴承压力。增压气体供给源1030也在小于轴承压力的调节后馈给压力下将增压气体供给到开口1110。处于馈给压力下的增压气体从开口1110传递到通道1140中，且传递到气体陷阱1040上。
图2示出了图1中描绘的带通孔的单轴旋转气体轴承的实施例的立体剖开视图。相同的标记指代相同的部件。为图示简化，未示出增压气体供给源、轴承气体供给导管和增压气体陷阱。
图3示出了带通孔的单轴旋转气体轴承的另一实施例的剖视图。同样，相同的标记指代相同的构件。与先前的实施例对比而言，多孔涂层1070和补充轴承1100从增压气体供给源1030供给，同时开口1110由增压气体供给源1035供给，其中增压气体供给源1035的气体压力小于轴承压力。另外，如图3所示，可以颠倒图1中的实施例的几何结构而在气体陷阱部件1010中具有筒状凹陷部1025以及在气体供给部件1020中具有筒状突起1015。多孔涂层1070可以定位在类似于图1的构造的轴承表面1050或如图3所示的轴承表面1060上，只要多孔涂层在气体供给部件上。
图4示出了带通孔的单轴旋转气体轴承的另一实施例的剖视图，其中相同的标记指代相同的构件。本领域技术人员现在将理解，筒状凹陷部1025和突起的先前描述的几何结构不是唯一可实施的几何结构。还可以使用如图4所示的锥形或截头锥形的几何结构。由于气体供给轴承表面1050和气体陷阱轴承表面1060是倾斜的，所以锥形或截头锥形几何结构将补充轴承的功能与多孔涂层1070相结合。
更一般地，本领域技术人员现在将认识到，可以根据本说明书，使用任何回转表面作为基础形状，可以构造带通孔的单轴旋转气体轴承。
此处所述的具体实施例仅为实例，不意在是带通孔的单轴气体轴承的所有可能构造的穷尽陈列。本领域技术人员将认识到，此处描述的特征可以按不同的方式组合或重新布置而产生相似的结果。

Claims (17)

1.一种旋转气体轴承，用于在供给通过所述轴承的增压气体的同时，允许绕着单轴旋转，所述气体轴承构造为与增压气体供给源和气体陷阱流体连通，所述气体轴承包括：
a)限定气体供给轴承表面的气体供给部件；
b)限定气体陷阱轴承表面的气体陷阱部件；
c)位于所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的一个中的筒状凹陷部，所述筒状凹陷部限定所述气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的一个；
d)筒状突起，其从所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的另一个突出，所述筒状突起被定尺寸成以预定间隙适配在所述筒状凹陷部内，所述筒状突起限定所述气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的另一个，其中所述气体供给轴承表面与所述气体陷阱轴承表面相对；
e)位于所述气体供给轴承表面中的至少一个开口，所述开口适于经由所述气体供给部件在馈给压力下与所述增压气体供给源流体连通；
f)多孔涂层，其覆盖所述气体供给轴承表面的围绕所述开口的部分，所述多孔涂层适于经由所述气体供给部件与所述增压气体供给源流体连通，用于维持所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的轴承压力，所述轴承压力大于所述馈给压力；
g)环状通道，其位于所述气体陷阱轴承表面中，与所述开口对准且与所述开口相对地定位，所述通道适于经由所述气体陷阱部件而与所述气体陷阱流体连通。
2.如权利要求1所述的旋转气体轴承，其中所述多孔涂层包括烧结材料。
3.如权利要求1所述的旋转气体轴承，其中所述多孔涂层包括黄铜和碳中的至少一个。
4.如权利要求3所述的旋转气体轴承，其中所述多孔涂层包括石墨。
5.如权利要求1-3中的任一项所述的旋转气体轴承，其中选择所述预定间隙，以使所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的空隙在5μm与50μm之间。
6.如权利要求4所述的旋转气体轴承，其中选择所述预定间隙，以使所述多孔涂层与所述气体陷阱轴承表面之间的空隙在12μm与25μm之间。
7.如权利要求1-4和6中的任一项所述的旋转气体轴承，其中所述增压气体包括空气。
8.如权利要求1-4和6中的任一项所述的旋转气体轴承，其中所述增压气体包括氧气、氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的至少之一。
9.如权利要求1-4和6中的任一项所述的旋转气体轴承，其中所述馈给压力比所述轴承压力小大约30kPa。
10.如权利要求9所述的旋转气体轴承，其中所述轴承压力在600kPa与1000kPa之间，并且所述馈给压力在570kPa与970kPa之间。
11.如权利要求1-4和6中的任一项所述的旋转气体轴承，其中所述通道的宽度大于所述至少一个开口的宽度。
12.如权利要求1-4和6中的任一项所述的旋转气体轴承，其中所述环状通道绕着所述筒状突起的周缘延伸。
13.如权利要求12所述的旋转气体轴承，其中所述筒状凹陷部位于所述气体供给部件中，并且所述筒状突起从所述气体陷阱部件突出。
14.一种旋转气体轴承，用于在供给通过所述轴承的增压气体的同时允许绕着单轴旋转，所述气体轴承构造为与增压气体供给源和气体陷阱流体连通，所述气体轴承包括：
a)限定气体供给轴承表面的气体供给部件；
b)限定气体陷阱轴承表面的气体陷阱部件；
c)在所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的一个中的凹陷部，所述凹陷部定形为第一回转表面，所述凹陷部限定所述气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的一个；
d)从所述气体供给部件和所述气体陷阱部件中的另一个突出的突起，所述突起定形为第二回转表面，所述突起定尺寸成以预定间隙适配在所述凹陷部内，所述突起限定所述气体供给轴承表面和所述气体陷阱轴承表面中的另一个；
e)在所述气体供给轴承表面中的至少一个开口，所述开口适于经由所述气体供给部件而在馈给压力下与所述增压气体供给源流体连通；
f)覆盖所述气体供给轴承表面的部分的多孔涂层，所述多孔涂层适于经由所述气体供给部件而与所述增压气体供给源流体连通，用于维持所述多孔涂层和所述气体陷阱轴承表面之间的轴承压力，所述轴承压力大于所述馈给压力；
g)环状通道，其位于所述气体陷阱轴承表面中，与所述开口对准且与所述开口相对地定位，所述通道适于经由所述气体陷阱部件而与所述气体陷阱流体连通。
15.如权利要求14所述的旋转气体轴承，其中所述凹陷部是锥形凹陷部，且所述突起是锥形突起。
16.如权利要求14所述的旋转气体轴承，其中所述凹陷部是截头锥形凹陷部，且所述突起是截头锥形突起。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的旋转气体轴承，其中所述多孔涂层围绕所述开口。
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