CN109185339B - 一种分布式多节流域气体静压止推轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式多节流域气体静压止推轴承，包括轴承本体，该轴承本体呈圆柱体状，轴承本体内开设有圆柱体状的供气气室；其中，该供气气室的周向上均匀开设有若干与供气气室连通的供气螺纹孔，该供气气室与节流器连通，节流器中心处为与供气气室连通的主节流域，该主节流域的周向上均匀布置有若干与供气气室连通的辅节流域，周向相邻两个辅节流域之间开设有辅节流域间狭缝节流槽。本发明通过选择合理的结构参数使得轴承适用于不同的工况条件。本发明具有承载能力强，结构稳定性好，抗扰动以及恢复能力强、适用于旋转工况等显著优势，具有广阔的市场前景。

Description

一种分布式多节流域气体静压止推轴承

技术领域

本发明属于轴承设计技术领域，具体涉及一种分布式多节流域气体静压止推轴承，用于提供轴向推力。

背景技术

随着超精密测量以及航空航天等高精尖领域的迅猛发展，对于机械制造以及加工精度的要求不断提升，具有良好精度适应性的气体轴承得到了较为广泛的应用。而对于气体轴承而言，由于气体粘性以及弹性模量较小，如何提高气膜刚度以及运行稳定性，从而使得轴承安全可靠平稳地运行在工程需要的范围内成为一个重要课题。静压轴承主要依靠静压节流器来实现系统功能，目前在气体静压轴承方面采用的常见节流方式有小孔节流、环面节流、狭缝节流、毛细管节流、多孔质节流等，但就目前市场上的主流产品以及文献上的主要研究来看，大多采用单节流域，并且节流方式较为单一，这种结构会存在运行稳定性差、承载能力较低等、应用场合单一、工作范围较窄等缺陷。鉴于这种情况，本文有必要研究可以提升轴承承载能力、提高轴承稳定性、变工况适应性良好的气体轴承结构及节流方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式多节流域气体静压止推轴承，以解决单节流域狭缝及小孔节流方式下气体静压止推轴承稳定性较差、承载能力不高的问题。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种分布式多节流域气体静压止推轴承，包括轴承本体，该轴承本体呈圆柱体状，轴承本体内开设有圆柱体状的供气气室；其中，

供气气室与节流器直接相连，该节流器的中心处为与供气气室连通的主节流域，该主节流域的周向上均匀布置有若干与供气气室连通的辅节流域，周向相邻两个辅节流域之间开设有辅节流域间狭缝节流槽，该供气气室的周向上均匀开设有若干与供气气室连通的供气螺纹孔。

本发明进一步的改进在于，主节流域和若干辅节流域呈星形拓扑分布。

本发明进一步的改进在于，主节流域包括中心开设的主节流域小孔结构，以及以主节流域小孔结构为中心，周向均匀开设的若干主节流域狭缝槽结构，且主节流域小孔结构出口处的端面为主节流域凹锥曲面；

每个辅节流域包括中心开设的辅节流域小孔结构，以及以辅节流域小孔结构为中心，周向均匀开设的若干辅节流域狭缝槽结构，且辅节流域小孔结构出口处的端面为辅节流域凹锥曲面。

本发明进一步的改进在于，辅节流域的数量与每个辅节流域包括的辅节流域狭缝槽结构数量相同，均为4-8个。

本发明进一步的改进在于，每个主节流域狭缝槽结构的几何中心点位于主节流域与对应的辅节流域中心的连线上，且主节流域狭缝槽结构的宽度为5μm～30μm。

本发明进一步的改进在于，各个辅节流域的中心构成的辅助圆的半径大于静压轴承承载面半径的一半。

本发明进一步的改进在于，主节流域的半径为辅节流域半径的1.25～1.5倍，节流域半径定义为节流域中心点到该节流域狭缝几何中心点的距离。

本发明进一步的改进在于，主节流域小孔结构和辅节流域小孔结构的孔径均为0.1mm～0.3mm，小孔为直孔，在小孔入口处直径较大，在即将进入气膜区域的位置存在一个截面渐缩区域，将孔径缩至目标直径大小。

本发明进一步的改进在于，主节流域凹锥曲面和辅节流域凹锥曲面的深度均为5μm～20μm或与工作条件下气膜厚度相当，凹锥曲面的直径为对应节流域直径的0.5～0.9倍；

对于每个节流域，节流域狭缝槽结构周向的长度占比大于60％，且每个节流域狭缝槽结构的周向长度相同。

本发明进一步的改进在于，辅节流域间狭缝节流槽的截面为扇形，宽度为5μm～30μm。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，对节流域进行了组合优化，通过合理的结构引导流体流动，组织气膜内部的流动形式，从而提高轴承性能。

进一步，整体采用分布式结构，形成多个高压中心区域(节流区域)，相比于传统的单高压区模型，在载荷变化时(非破坏性载荷)，单个节流区域的不稳定因素不会扩散至其他节流区域，即各个节流区域具有较强的流动独立性，增强了轴承的运行稳定性与变工况适应性。另外，对于分布式布置的多个节流域而言，由于各个节流域内部均会产生一个高压区域，相比于传统单节流域轴承而言，高压区总面积更大，即结构的承载能力更佳。每个高压区内部由于压力梯度较小，内部压力分布较为均匀，对于轴承系统而言，这种压力分布形式相当于形成多个“面支撑”，而非传统小孔结构高压区形成的“点支撑”或狭缝结构产生的“线支撑”，使得整体承力结构更加稳固。

进一步，在每个节流区域内部，由狭缝流出的流体速度与中心节流小孔流出的流体速度会在凹锥曲面的边缘地带产生反向叠加，从而在凹锥曲面的内部则形成一个局部高压区，这里是轴承很大一部分承载力的来源，分析表明，在该区域内部压力梯度较小，压力大小变化平滑，也即形成了“平缓”的高压区，相对于传统的轴承，这种压力分布形式具有较高的承载力，并且有利于轴承的稳定运行。

进一步，在每个节流区域内，由于有狭缝节流槽的存在，即意味着在区域内采用了连续的供气点，从结构上减少了环向流动和扩散效应，降低了其对轴承承载的影响。

进一步，本发明中在各个辅节流域之间采用狭缝节流槽进行连接，减少了相邻两个辅节流域存在流场不连续的可能性，保证了流场的稳定性。同时，由于狭缝节流槽也为周向均匀分布，与辅节流域相互作用，相当于对辅节流域进行了加强，进一步提升了分布式节流器的综合效果。

进一步，本发明可应用于动静压轴承，支持双向旋转，在转子端面有旋转速度时，由于辅节流区的狭缝槽以及凹曲面并非沿着周向布置，会产生一部分动压效应，提供一部分承载。

进一步，辅节流域的数目、狭缝槽宽度、小孔的尺寸等可以根据实际情况进行改变，以适应不同工作条件。

综上所述，本发明所述的一种分布式的多节流域气体静压止推轴承结构，可显著提高周向止推轴承的承载能力，并且提高轴承的稳定性以及变工况条件下的轴承适应性。

附图说明

图1为本发明一种分布式多节流域气体静压止推轴承的结构示意图。

图2为本发明的A-A面剖视图。

图3为本发明的主节流域环绕狭缝的局部放大图。

图4为本发明的主节流域节流小孔的局部放大图。

图5为本发明的辅节流域节流小孔的局部放大图。

图6为本发明的供气螺纹孔的局部放大图。

图7为本发明一种分布式多节流域气体静压止推轴承的立体图。

附图标记说明：1为主节流域，2为辅节流域，3为辅节流域间狭缝节流槽，4为供气螺纹孔，5为供气气室；

11为主节流域狭缝槽结构，12为主节流域凹锥曲面，13为主节流域小孔结构；21为辅节流域狭缝槽结构，22为辅节流域凹锥曲面，23为辅节流域小孔结构。

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7，本发明提供的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，整体结构包括主节流域1、若干辅节流域2、辅节流域间狭缝节流槽3、供气螺纹孔4和供气气室5。主节流域1包含主节流域狭缝槽结构11、主节流域凹锥曲面12和主节流域小孔结构13；辅节流域2同样包含辅节流域狭缝槽结构21、辅节流域凹锥曲面22和辅节流域小孔结构23。辅节流域2周向均匀布置在主节流域1的四周，并且与主节流域1相隔一定距离，保证主节流域1和辅节流域2间流体过渡平缓。辅节流域2同轴承本体边缘之间也应有足够的间隙，保证辅节流域2的有效性，并保证正常工作条件下，辅节流域2在出口处不会因为结构原因产生超音速流动。主节流域1的半径为辅节流域2的1.25～1.5倍，辅节流域2的数目和每个区域包含的辅节流域间狭缝节流槽3的数目相同，一般取4～8个。

每个节流区域中，节流小孔位于节流区域的中心，节流小孔在靠近出气位置采用渐缩形式，节流小孔进口处半径为出口处半径的2～5倍，直径为0.1mm～0.3mm。如图4和图5，渐缩面为锥面，锥面渐缩结构前后均为直圆柱面；在辅节流域小孔结构23和主节流域小孔结构13的出口处布置辅节流域凹锥曲面22和主节流域凹锥曲面12，凹锥曲面由直角三角形以直角边为轴旋转切割而成，轴的高度为5μm～20μm(或与工作条件下气膜厚度相当)，凹锥曲面的非旋转轴直角边的长度(旋转后承载面上的圆半径)为该节流区域直径的0.5～0.9倍；另外，在区域四周布置狭缝节流槽(主节流域1为主节流域狭缝槽结构11，辅节流域2为辅节流域狭缝槽结构21)，狭缝周向的长度占比大于60％，每个狭缝的周向长度相同。

每个主节流域狭缝槽结构11的几何中心点位于主节流域1与对应的辅节流域2中心的连线上，且主节流域狭缝槽结构11的宽度为5μm～30μm；辅节流域间狭缝节流槽3的截面为扇形，宽度为5μm～30μm。

对于辅节流域间狭缝节流槽3，在不产生流体强烈对流干涉的条件下，辅节流域间狭缝节流槽3的周向包角尽可能大。

供气系统部分结构主要包含供气气室5以及供气螺纹孔4。供气螺纹孔4周向布置在轴承供气域的圆环上，个数及螺纹参数不限，螺纹形式不限，以满足强度要求和密封性要求为准。供气气室5腔壁厚度不限，以保证轴承运行安全性为准。

本发明的工作原理如下：

在工作状态下，从高压气源产生的高压气体经供气螺纹孔4进入供气气室5，供气气室5内的气体压力近似均匀分布，然后经各个节流区域的微通道流至气体静压系统间隙，形成具有一定承载力和一定刚度的润滑气膜。采用本发明的静压节流器，可以将高压流体按照发明中所述的结构进行引导，在气膜间隙形成一个主高压区和若干个周向分布的辅高压区，各个辅高压区沿着周向对称分布。对于每一个节流区域，一方面，由于在节流小孔的底部存在凹锥曲面，会使得从小孔出来的流体平滑流至气膜区域，不会产生激烈的湍流，保证了轴承运行的稳定性；另一方面，由于周围狭缝出来的流体向着垂直于狭缝边界的区域扩散，小孔出来的流体近似沿着径向扩散，当节流小孔流出的流体流至狭缝周边时，会与狭缝出来的流体产生一个反向速度叠加，在狭缝内侧产生一个圆形低速区，从而导致在凹锥曲面处形成一个相对“封闭”的高压区，在这个区域内压力梯度变化较小，保证了轴承具有较高的承载能力。另外，由于中间的主节流域面积最大，会驱动周围的流体以及辅节流区的流体向外运动，避免产生局部的回流以及漩涡，保证了轴承内部流场的稳定与流畅性。流体最后从轴承边缘流出至工作环境中去。

Claims (9)

1.一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，包括轴承本体，该轴承本体呈圆柱体状，轴承本体内开设有圆柱体状的供气气室(5)；其中，

供气气室与节流器(6)直接相连，该节流器(6)的中心处为与供气气室(5)连通的主节流域(1)，该主节流域(1)的周向上均匀布置有若干与供气气室(5)连通的辅节流域(2)，周向相邻两个辅节流域(2)之间开设有辅节流域间狭缝节流槽(3)，该供气气室(5)的周向上均匀开设有若干与供气气室(5)连通的供气螺纹孔(4)；

主节流域(1)包括中心开设的主节流域小孔结构(13)，以及以主节流域小孔结构(13)为中心，周向均匀开设的若干主节流域狭缝槽结构(11)，且主节流域小孔结构(13)出口处的端面为主节流域凹锥曲面(12)；

每个辅节流域(2)包括中心开设的辅节流域小孔结构(23)，以及以辅节流域小孔结构(23)为中心，周向均匀开设的若干辅节流域狭缝槽结构(21)，且辅节流域小孔结构(23)出口处的端面为辅节流域凹锥曲面(22)。

2.根据权利要求1所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，主节流域(1)和若干辅节流域(2)呈星形拓扑分布。

3.根据权利要求2所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，辅节流域(2)的数量与每个辅节流域(2)包括的辅节流域狭缝槽结构(21)数量相同，均为4-8个。

4.根据权利要求2所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，每个主节流域狭缝槽结构(11)的几何中心点位于主节流域(1)与对应的辅节流域(2)中心的连线上，且主节流域狭缝槽结构(11)的宽度为5μm～30μm。

5.根据权利要求1所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，各个辅节流域(2)的中心构成的辅助圆的半径大于静压止推轴承承载面半径的一半。

6.根据权利要求1所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，主节流域(1)的半径为辅节流域(2)半径的1.25～1.5倍，节流域半径定义为节流域中心点到该节流域狭缝槽结构几何中心点的距离。

7.根据权利要求1所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，主节流域小孔结构(13)和辅节流域小孔结构(23)的孔径均为0.1mm～0.3mm，小孔为直孔，在小孔入口处直径较大，在即将进入气膜区域的位置存在一个截面渐缩区域，将孔径缩至目标直径大小。

8.根据权利要求1所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，主节流域凹锥曲面(12)和辅节流域凹锥曲面(22)的深度均为5μm～20μm或与工作条件下气膜厚度相当，凹锥曲面的直径为对应节流域直径的0.5～0.9倍；

对于每个节流域，节流域狭缝槽结构周向的长度占比大于60％，主节流域内每个节流域狭缝槽结构的周向长度相同，且辅节流域内每个节流域狭缝槽结构的周向长度相同。

9.根据权利要求1所述的一种分布式多节流域气体静压止推轴承，其特征在于，辅节流域间狭缝节流槽(3)的截面为扇环，扇环径向边宽度为5μm～30μm。

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