CN109139698B - 带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，该节流器整体呈正六面体，节流器上半部分为供气气室，供气气室的周向均匀开有若干与其连通的进气螺纹孔，用于导入外部高压气源所提供的气体；节流器下半部分为节流部分，节流部分的上表面开有进气小孔，包含沿轴向开设的中心节流孔以及布置于其周向的呈中心对称分布的若干楔形节流孔，与气膜间隙贯通，中心节流孔与供气气室相连通；节流部分的下表面开有若干条贝塞尔曲线均压槽，每道贝塞尔曲线均压槽始于中心节流孔，并绕节流器几何中心呈中心对称分布。本发明具有结构稳定性高、气膜刚度大、节流面积灵活可变等优势，具有良好的市场前景。

Description

带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器

技术领域

本发明涉及一种带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，用于提供轴向推力。

背景技术

现代精密加工以及精密测量技术迅猛发展对于精密控制提出了更加严峻的挑战，气体润滑技术以其高转速适应性、高运行寿命、高精度、低磨损、低污染等诸多优势在精密制造领域得到了广泛的应用。然而，由于气体粘性相对较小，造成了气膜刚度相对较低、稳定性较差等困扰人们良久的问题。如何提高系统的承载能力以及运行稳定性和安全性成为了近年来的研究热点，气体静压节流器系统作为应用气体润滑技术的最直观案例一直为相关科学以及工程人员所重视。在气体静压节流器的设计过程中，由于气膜间隙内部流场的组织很难做到尽善尽美，往往不能同时兼顾气膜刚度以及稳定性两个方面需求，这就需要在两者的此消彼长之间寻求一个平衡点，使得系统的整体性能达到最优；另外，传统的静压节流器只能应用于固定的场合，工况适应性较差。本发明基于以上问题，提出了一种新型的气体静压节流装置，以提高静压节流的稳定性、气膜刚度以及场合适应性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，以解决传统气体静压止推节流器稳定性低、气膜刚度小、应用场合单一、承载面积小等问题。

本发明采用如下技术方案来实现的：

带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，该节流器整体呈正六面体，节流器上半部分为供气气室，供气气室的周向均匀开有若干与其连通的进气螺纹孔，用于导入外部高压气源所提供的气体；节流器下半部分为节流部分，节流部分的上表面开有进气小孔，包含沿轴向开设的中心节流孔以及布置于其周向的呈中心对称分布的若干楔形节流孔，与气膜间隙贯通，中心节流孔与供气气室相连通；节流部分的下表面开有若干条贝塞尔曲线均压槽，每道贝塞尔曲线均压槽始于中心节流孔，并绕节流器几何中心呈中心对称分布。

本发明进一步的改进在于，节流部分下表面的中心节流孔出口处开设有凹曲面，若干楔形节流孔均匀分布在凹曲面的周向，每个楔形节流孔与对应的贝塞尔曲线均压槽连通。

本发明进一步的改进在于，凹曲面由抛物线旋转而成，凹曲面的底面圆半径取0.5mm～2mm，且凹曲面的底面圆轮廓线与楔形节流孔的内部轮廓线之间留有适当的距离。

本发明进一步的改进在于，该节流器能够扩展，扩展时，多个节流器进行组合，获得多单元扩展节流器结构，以适应不同场合对于节流面积的不同要求；且对于多单元扩展节流器结构，在相邻两个单元蜂窝节流器结构之间开设有泄压导流槽，用于减小相邻节流单元之间流场的干扰。

本发明进一步的改进在于，泄压导流槽的截面为矩形，宽度取4mm～8mm，深度取2～4mm。

本发明进一步的改进在于，多单元扩展节流器结构采用整体制造或者由单元蜂窝状节流器拼凑方法制造得到。

本发明进一步的改进在于，贝塞尔曲线均压槽为2阶及以上的贝塞尔曲线形式，且贝塞尔曲线的第一个控制点位于节流部分的中心；贝塞尔曲线均压槽的截面几何形状为矩形、多边形、半圆形或者弧形，贝塞尔曲线均压槽的宽度取20μm～200μm，深度取20μm～200μm，即宽度和深度的最大尺寸近似相等；且贝塞尔曲线均压槽的数量大于等于6条。

本发明进一步的改进在于，楔形节流孔的截面由两条同心的弧线和两条直线组成，弧线的半径差取20μm～200μm；周向数量与贝塞尔曲线均压槽数量相同，所有楔形节流孔靠近节流器中心一侧弧线的长度之和占圆周长度的比例大于75％。

本发明进一步的改进在于，中心节流孔的形式采用收缩孔或者直孔形式，中心节流孔出口处孔径为0.1mm～0.3mm。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，通过合理的引导高压流体的流动方式，提高节流器性能。其中，采用贝塞尔曲线均压槽对高压气体进行引导，高压气体在通过不同的楔形节流孔进入贝塞尔曲线均压槽后均匀散开，使得节流器表面的压力分布相对均匀，也就是使得承载面上的承载能力均匀，相比于传统节流器，这种贝塞尔曲线均压槽布置结构能够更好地组织气膜内部的流动形式，提高了气膜的刚度及稳定性。同时由于在贝塞尔曲线均压槽内气体压力相对于周围较高，相当于在节流区域形成了若干条高压支撑曲线，这种从中心到四周的支撑曲线沿周向均匀分布，使得节流器的稳定性得到增强。同时，由于采用分离的楔形节流孔分别对不同的均压槽进行供气，减小了各股气流的干涉，从而减小了在气膜区域形成湍流以及微漩涡的可能，使流动更加稳定。

进一步，由于在中心节流孔的出口处布置凹曲面，一方面使得高压流体能够更加平滑的进入气膜区域，减小了气膜振动的幅度；另一方面，由于凹曲面区域的气膜厚度相对较大，使得气体在凹曲面内部形成一个高压区。在凹曲面的边缘区域，由中心节流孔流进的气体会近似沿着径向向外扩散，另外，由于楔形节流孔朝着凹曲面方向的宽度较大，由楔形节流孔流出的高压流体会产生一个沿着径向向内流动的速度，在这两种速度的叠加作用下，会在凹曲面的边缘上产生一个低速区，相当于一个环形低速区将中心的高压区进行包裹。高压区会产生一个较大的承载力，提高节流器整体的气膜刚度，从而提升承载能力，同时，这个高压区相当于在节流器的中心位置形成了一个支撑面，配合周围的曲线支撑，使得节流器的支撑更加稳定，进一步提高了节流器的稳定性。

进一步，本发明中节流器呈蜂窝状，可以对节流器进行扩展从而增加承载面积，与传统的不可扩展形式的静压节流器相比，这种节流器具有更强的场景实用性以及应用灵活性。

进一步，对于多单元扩展节流器结构，在不同的节流单元间开有泄压导流槽，这种布置形式能够使得各个节流区域内部流出的气体通过泄压导流槽流至环境空间中去，减少了各个节流单元之间相互干涉的可能，从而保证了从各个节流单元出来的流体不会产生湍流。

进一步，各个节流单元间的耦合连接方式可以灵活选择，实际工作中节流器的固定采用与传统节流器相同的固定方式。

进一步，在计算机绘图领域，本发明采用的贝塞尔曲线是图形造型运用得最多的基本线条之一，采用该种贝塞尔曲线均压槽具有易于绘制的优点，从而使得贝塞尔曲线均压槽的优化成本降低。

综上所述，本发明所述的带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，可显著提高静压节流器的稳定性以及承载能力，并可以扩展应用于不同领域不同场合，具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器示意图。

图2为本发明的A-A面剖视图。

图3为本发明的B-B面剖视图。

图4为本发明的节流小孔出口处的局部放大图。

图5为本发明的中心节流小孔出口凹曲面局部放大图。

图6为本发明的3单元扩展蜂窝型节流器示意图。

图7为本发明的7单元扩展蜂窝型节流器示意图。

图8为本发明采用的2阶贝塞尔曲线示意图。

图9为本发明采用的3阶贝塞尔曲线示意图。

图10为本发明带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器一个蜂窝单元的立体图。

图中：1为贝塞尔曲线均压槽，2为楔形节流孔，3为凹曲面，4为中心节流孔，5为供气气室，6为进气螺纹孔，7为泄压导流槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下内容。在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

参见图1到图10，本发明提供的带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，整体结构包括贝塞尔曲线均压槽1、楔形节流孔2、凹曲面3、中心节流孔4、供气气室5、进气螺纹孔6和泄压导流槽7。本发明的单元蜂窝型气体静压节流器整体上呈六边形，节流器包括上部的供气气室5和供气气室5下方的节流部分，供气气室5的四周均匀开设有进气螺纹孔6用于将外界高压气源的气体导入节流器；供气气室5的下方通过开设中心节流孔4和环绕在其四周的楔形节流孔2将气体引入气膜间隙，节流区域下方开设有若干条贝塞尔曲线均压1槽，贝塞尔曲线均压槽1采用的贝塞尔曲线形式如图8和图9(图8为2阶贝塞尔曲线的构造方式，图9为3阶贝塞尔曲线的构造方式)，贝塞尔曲线均压槽1的起始位置为楔形节流孔2，终止于节流器边缘处，呈周向周期对称分布，贝塞尔曲线均压槽1的数目一般大于6条。中心节流孔4的气体出口端开设有凹曲面3，构成该凹曲面3的旋转几何为抛物线。

优选的，多单元扩展节流器包含多个蜂窝节流器单元，相邻蜂窝节流单元的节流区域底部开设有泄压导流槽7，用于将各个单元流出的气体排出至环境中去，避免相邻单元间气体的干涉以及湍流的形成。泄压导流槽7的截面为矩形，宽度取4mm～8mm，深度取2～4mm。多单元扩展节流器结构采用整体制造或者由单元蜂窝状节流器拼凑方法制造得到。

优选的，贝塞尔曲线均压槽1为2阶及以上的贝塞尔曲线形式，且贝塞尔曲线的第一个控制点位于节流部分的中心。贝塞尔曲线均压槽的截面几何形状为矩形、多边形、半圆形或者弧形，贝塞尔曲线均压槽1的宽度取20μm～200μm，深度取20μm～200μm，即宽度和深度的最大尺寸近似相等。贝塞尔曲线均压槽1的其余控制点位置、曲线阶数以及均压槽的数量可根据需要灵活选择，且贝塞尔曲线均压槽1的数量大于等于6条。

优选的，楔形节流孔2的截面由两条同心的弧线和两条直线组成，弧线的半径差取20μm～200μm；周向数量与贝塞尔曲线均压槽1数量相同，所有楔形节流孔2靠近节流器中心一侧弧线的长度和占圆周长度的比例大于75％。

优选的，凹曲面3由抛物线旋转而成，凹曲面3的底面圆半径取0.5mm～2mm，且凹曲面3的底面圆轮廓线与楔形节流孔2的内部轮廓线之间留有适当的距离。

优选的，中心节流孔4的形式采用收缩孔或者直孔形式，中心节流孔4)出口处孔径为0.1mm～0.3mm。

工作前，首先将本发明沿轴向固定(具体的固定方式与传统节流器相同，本发明不给出固定出的装置结构)，保证节流器提供轴向推力。

将高压气源产生的高压气体通过进气螺纹孔6引入供气气室5，通过中心节流孔4进入节流区域的气体在凹曲面3出口处缓冲聚集形成高压区域，通过楔形节流孔2进入的气体被引流到贝塞尔曲线均压槽1，并沿着贝塞尔曲线均压槽1流动，产生气浮效应，使得节流器在给定工况下工作。

本发明的工作原理：在工作状态下，高压气体经进气螺纹孔6进入供气气室5，在供气气室5内的气体压力近似均匀分布，经过中心节流孔4以及周向布置的楔形节流孔2的引导，高压气体进入气膜间隙工作区域。由楔形节流孔2引导的高压气体，大部分直接在楔形节流孔2出口处进入贝塞尔曲线均压槽1，另有一小部分沿着楔形节流孔2的侧面进入气膜间隙中；由中心节流孔4引导的高压气体，在中心节流孔4出口处经由凹曲面3，平滑地进入气膜间隙并近似沿着径向扩散。对于单个蜂窝型节流器，流体最终流至节流器边缘，并从六边形边缘进入环境空间；对于多单元扩展节流器结构，气体通过泄压导流槽7的引导进入环境空间。

Claims (4)

1.带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，其特征在于，该节流器整体呈正六面体，节流器上半部分为供气气室(5)，供气气室(5)的周向均匀开有若干与其连通的进气螺纹孔(6)，用于导入外部高压气源所提供的气体；节流器下半部分为节流部分，节流部分的上表面开有进气小孔，包含沿轴向开设的中心节流孔(4)以及布置于其周向的呈中心对称分布的若干楔形节流孔(2)，与气膜间隙贯通，中心节流孔(4)与供气气室(5)相连通；节流部分的下表面开有若干条贝塞尔曲线均压槽(1)，每道贝塞尔曲线均压槽(1)始于中心节流孔(4)，并绕节流器几何中心呈中心对称分布；

节流部分下表面的中心节流孔(4)出口处开设有凹曲面(3)，若干楔形节流孔(2)均匀分布在凹曲面(3)的周向，每个楔形节流孔(2)与对应的贝塞尔曲线均压槽(1)连通；凹曲面(3)由抛物线旋转而成，凹曲面(3)的底面圆半径取0.5mm～2mm，且凹曲面(3)的底面圆轮廓线与楔形节流孔(2)的内部轮廓线之间留有适当的距离；

贝塞尔曲线均压槽(1)为2阶及以上的贝塞尔曲线形式，且贝塞尔曲线的第一个控制点位于节流部分的中心；贝塞尔曲线均压槽的截面几何形状为矩形、多边形、半圆形或者弧形，贝塞尔曲线均压槽(1)的宽度取20μm～200μm，深度取20μm～200μm，即宽度和深度的最大尺寸近似相等；且贝塞尔曲线均压槽(1)的数量大于等于6条；

楔形节流孔(2)的截面由两条同心的弧线和两条直线组成，弧线的半径差取20μm～200μm；周向数量与贝塞尔曲线均压槽(1)数量相同，所有楔形节流孔(2)靠近节流器中心一侧弧线的长度之和占圆周长度的比例大于75％；

中心节流孔(4)的形式采用收缩孔或者直孔形式，中心节流孔(4)出口处孔径为0.1mm～0.3mm。

2.根据权利要求1所述的带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，其特征在于，该节流器能够扩展，扩展时，多个节流器进行组合，获得多单元扩展节流器结构，以适应不同场合对于节流面积的不同要求；且对于多单元扩展节流器结构，在相邻两个单元蜂窝节流器结构之间开设有泄压导流槽(7)，用于减小相邻节流单元之间流场的干扰。

3.根据权利要求2所述的带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，其特征在于，泄压导流槽(7)的截面为矩形，宽度取4mm～8mm，深度取2～4mm。

4.根据权利要求2所述的带有贝塞尔曲线均压槽的可扩展蜂窝型气体静压节流器，其特征在于，多单元扩展节流器结构采用整体制造或者由单元蜂窝状节流器拼凑方法制造得到。

Images