CN108916230A - 一种螺旋节流的静压气体轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种螺旋节流的静压气体轴承，包括：上工作面与基座，其中基座内设有沿竖直方向延伸的供气孔，其中供气孔的上部形成圆柱形的节流孔，节流孔内设有螺旋轴；其中所述螺旋轴的外表面设有至少两条螺旋流道，其中所述螺旋流道沿螺旋轴的轴向螺旋延伸，以在螺旋轴的表面成螺旋形状延伸的螺旋流道；其中螺旋轴固定在所述节流孔内，且螺旋轴的外径与节流孔的内径相适配以使该螺旋轴表面的螺旋流道与节流孔内壁之间形成至少两条密封的螺旋通道；其中螺旋流道在基座顶部出口处与上工作面之间的角度α小于90°以向轴承气膜入口处切向供气。

Description

一种螺旋节流的静压气体轴承
技术领域
本发明涉及机械设计中的静压轴承技术领域，具体涉及一种螺旋节流的静压气体轴承，能够抑制自激振动，提高轴承稳定性。
背景技术
超精密加工技术在国防建设与工业发展中均有不可替代的作用，其在航空航天、船舶远洋、军事工业、新能源等众多高新技术领域发挥着巨大作用。作为“载人航天与探月工程”、“高档数控机床与基础制造装备”等一系列重大专项的技术基础，超精密加工技术已经成为了衡量一个国家科技、工业综合实力的指标之一。超精密加工技术是指尺寸精度和形位精度优于亚微米级，表面粗糙度为纳米级的加工技术。作为生产母机，超精密机床在提高精密产品的精度与质量方面具有重要作用。美国、英国、日本等发达国家在该项技术领域处于领先水平。由于超精密机床对国防与高科技领域的重要性及特殊性，国际公开文献中鲜有超精密机床的详细介绍。而我国的超精密加工技术开始于20世纪80年代，起步较晚。目前已经研制成功回转精度达0.025μm的超精密轴系，在某些方面达到世界先进水平。但是总体而言，与国外发达国家相比，我国的机床制造技术仍然具有相当的差距，亚微米级精度以上的超精密机床仍然无法工业化生产。
超精密机床静压气浮导轨由高精度的静导轨、动导轨和静压气体轴承等组成。在动静导轨之间存在由静压气体轴承排出的高速气体形成的润滑气膜，从而使得动静导轨分离。与常规液压导轨相比，气浮导轨具有清洁度高、使用寿命长、摩擦阻力小，无粘滞及高精密度等特点，这也使得气浮导轨在高精密机床中的使用前景更加广泛。为了提高承载力与支撑刚度，目前使用的静压气体轴承形式大多都开设了均压槽，同时也带来了自激振动等新问题，降低了轴承运行的可靠性与稳定性，成为超精密加工技术发展瓶颈。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明实施例要解决的技术问题是提出一种螺旋节流的静压气体轴承，至少部分的解决现有技术中存在的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种螺旋节流的静压气体轴承，包括：上工作面与基座，其中基座内设有沿竖直方向延伸的供气孔，其中供气孔的上部形成圆柱形的节流孔，节流孔内设有螺旋轴；其中所述螺旋轴的外表面设有至少两条螺旋流道，其中所述螺旋流道沿螺旋轴的轴向螺旋延伸，以在螺旋轴的表面成螺旋形状延伸的螺旋流道；其中螺旋轴固定在所述节流孔内，且螺旋轴的外径与节流孔的内径相适配以使该螺旋轴表面的螺旋流道与节流孔内壁之间形成至少两条密封的螺旋通道；其中螺旋流道在基座顶部出口处与上工作面之间的角度α小于90°以向轴承气膜入口处切向供气。
其中，所述螺旋轴由一个螺旋状旋转延伸的平面形成的，以形成单螺旋。
其中，所述螺旋轴由两个或两个以上螺旋状旋转延伸的平面形成的，以形成复螺旋。
其中，所述两个或两个以上螺旋状旋转延伸的平面均匀分布以形成形状相同的螺旋流道。
其中，所述螺旋流道的出口处与上工作面之间的夹角α小于90°以实现轴承气膜入口处的切向供气。
其中，所述螺旋轴的结构参数为针对不同工况、不同工质进行匹配设计的，其中所述结构参数包括以下的至少一种：壁厚、型线、螺距、旋角。
其中，所述基座上包括一个或一个以上供气孔。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种螺旋节流的静压气体轴承，在节流孔内设有螺旋轴5，从而形成至少两条蜜蜂的螺旋通道8。这样在气体从轴承外部输送到基座2的供气孔3内并流经螺旋通道8时，能够在螺旋通道8的扭曲作用下因离心力而产生二次回流，从而使得气流提前由层流边界层转换为湍流边界层，从而减少气流在流入基座2与上工作面1之间的气膜7时产生脱体涡的可能性。螺旋流道8与上工作面1之间的角度α小于90°，实现轴承气膜入口处的切向供气。这样与常规垂直供气相比，可以降低进入气膜7时的能量损失，改善流体域内整体流动情况，降低轴承流场内发生自激振动等现象的可能。
附图说明
图1为本发明实施例的整体纵向剖视图；
图2A、图2B、图3A、图3B、图4A、图4B、图5A、图5B、图6A、图6B、图7A、图7B为不同结构的螺旋轴的侧视图及俯视图；
图8A和图8B为螺旋流道的内部结构示意图；
图9A为本发明实施例中的整体气体流向示意图；
图9B为本发明实施例中的螺旋流道内的气体流线示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
具体的，如所有附图所示的，本发明实施例提出的一种如图1所示的螺旋节流的静压气体轴承，包括上工作面1与基座2，其中基座2内设有沿竖直方向延伸的供气孔3，其中供气孔3的顶端设有节流孔4，节流孔4内设有螺旋轴5；其中所述螺旋轴5的外表面设有至少两条螺旋流道，其中所述螺旋流道沿螺旋轴5的轴向，在螺旋轴5的表面成螺旋形状延伸；其中螺旋轴5固定在所述节流孔4内，且螺旋轴5的外径与节流孔4的内径相适配以使该螺旋轴5表面的螺旋流道与节流孔4内壁之间形成至少两条密封的螺旋通道8，以使气流在通过供气孔3流经节流孔4内时在螺旋轴5与节流孔4内壁之间形成的螺旋通道，以使得气流在螺旋通道8内因离心力而产生二次回流，使气流由层流边界层转换为湍流边界层，在所述节流孔4的顶部的上工作面1下表面与基座2上表面6之间产生气膜7。
如图2A、图2B、图3A、图3B、图4A、图4B、图5A、图5B、图6A、图6B、图7A、图7B所示的，该螺旋轴5为至少一个螺旋状旋转延伸的平面形成的，以形成单螺旋或是复螺旋的螺旋轴5。如图2A、图2B所示的，该螺旋轴5是由一个螺旋状旋转延伸的平面形成的，称为单螺旋。如图3A、图3B所示的，是由两个对称的螺旋状旋转延伸的平面形成的，称为复螺旋。如图4A、图4B是由六个对称的螺旋状旋转延伸的平面形成的，也称为复螺旋。如图5A、图5B、图6A、图6B、图7A、图7B所示的，都是由两个对称的螺旋状旋转延伸的平面形成的，但是这三种不同的复螺旋具有不同的转角，也就是螺距不同，这样就能够形成不同转角的螺旋流道，最终在于装配到节流孔4内壁后形成不同弯曲度的螺旋通道8，从而使得气流在螺旋通道8产生不同离心力。
其中，所述螺旋通道8位于基座2顶部的开口形成的气流方向与上工作面1的下表面之间的夹角α小于90°
其中，所述螺旋轴5设置在节流孔4内并固定；其中所述固定为电焊或是过盈配合或其他任何方式。
其中，所述螺旋轴5的壁厚、型线、螺距及旋角等结构参数可根据不同工况、不同工质进行匹配设计。
在基座2上可以设有一个或多个供气孔3；其中供气孔3的数量及开设位置根据轴承载荷进行匹配设计。
本发明的工作原理如下：
气体由基座2外部通过供气孔3流入，经过供气孔3顶部的节流孔4；在节流孔4与螺旋轴5之间的螺旋流道8的扭曲作用下，气流因离心力产生二次回流，最终使气流提前由层流边界层转化为湍流边界层，从而减少在流入气膜7时产生脱体涡的可能性。螺旋流道8的出口处与上工作面1之间的角度α小于90°，实现轴承气膜入口处的切向供气。这样与常规垂直供气相比，可以降低进入气膜7时的能量损失，改善流体域内整体流动情况，降低轴承流场内发生自激振动等现象的可能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，包括：上工作面与基座，其中基座内设有沿竖直方向延伸的供气孔，其中供气孔的上部形成圆柱形的节流孔，节流孔内设有螺旋轴；其中所述螺旋轴的外表面设有至少两条螺旋流道，其中所述螺旋流道沿螺旋轴的轴向螺旋延伸，以在螺旋轴的表面成螺旋形状延伸的螺旋流道；其中螺旋轴固定在所述节流孔内，且螺旋轴的外径与节流孔的内径相适配以使该螺旋轴表面的螺旋流道与节流孔内壁之间形成至少两条密封的螺旋通道；其中螺旋流道在基座顶部出口处与上工作面之间的角度α小于90°以向轴承气膜入口处切向供气。
2.根据权利要求1所述的螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，所述螺旋轴由一个螺旋状旋转延伸的平面形成的，以形成单螺旋。
3.根据权利要求2所述的螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，所述螺旋轴由两个或两个以上螺旋状旋转延伸的平面形成的，以形成复螺旋。
4.根据权利要求3所述的螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，所述两个或两个以上螺旋状旋转延伸的平面均匀分布以形成形状相同的螺旋流道。
5.根据权利要求1-4任一项所述的螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，所述螺旋流道的出口处与上工作面之间的夹角α小于90°以实现轴承气膜入口处的切向供气。
6.根据权利要求1-4任一项所述的螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，所述螺旋轴的结构参数为针对不同工况、不同工质进行匹配设计的，其中所述结构参数包括以下的至少一种：壁厚、型线、螺距、旋角。
7.根据权利要求1-4任一项所述的螺旋节流的静压气体轴承，其特征在于，所述基座上包括一个或一个以上供气孔。
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