CN109538631B - 一种防抱死气动轴承 - Google Patents

Abstract

一种防抱死气动轴承，包括转子、轴承外圈和安装底座，转子包括花键连接的涡轮叶片旋转轴和涡轮叶片，涡轮叶片旋转轴安装在轴承外圈的中心安装孔中，对转子进行轴向定位的涡轮定位片安装在安装底座中心，安装底座固定在轴承外圈端面上，安装底座上设有悬浮空气接口、驱动气体接口、制动气体接口和排气通道，涡轮叶片旋转轴套设在防抱死卡环内，防抱死卡环外侧面设有脆性材料制成的外花键，并和轴承外圈中心安装孔的内花键配合，防抱死卡环和涡轮叶片旋转轴之间留有间隙，防抱死卡环上设有悬浮空气通孔，和轴承外圈内部的悬浮空气通道连通，在涡轮叶片旋转轴上设有和悬浮空气通孔相对应的环槽。本发明克服了转子抱死问题，延长了轴承的使用寿命。

Description

一种防抱死气动轴承

技术领域

本发明属于气动轴承领域，具体涉及一种防抱死气动轴承，保证转子高速平稳转动，延长气动轴承使用寿命。

背景技术

在汽车涂装车间中，利用到一种高速旋转轴承，采用压缩空气驱动轴承转子高速旋转，带动油漆流出，并雾化油漆，从而均匀的将油漆喷涂在汽车车身上。

目前全球主流的气动轴承有两大品牌，一是德国杜尔公司的“ECOBELL-X”，另外是日本ABB的“IRB1000-XX”，产品主要用于汽车涂装车间的油漆喷涂雾化使用。气动轴承最大的特点如下：

1.采用压缩空气为动力；

2.最高转速8万转/分钟左右。

ECOBELL-X及IRB1000-X原理相似，结构如图1所示：

其工作流程如下：如图1所示；通入的悬浮空气可以使转子和定子（轴承外圈）分离，然后通入的驱动气体通过驱动转子叶片转动，带动整个转子高速旋转，停止工作时，可通入制动气体进行制动。

其中，所有气体均通过排气通道排出，转子转速的大小通过控制驱动气体流量的大小来实现，转速的数值反馈由传感器采集，恒温气体用于加热或冷却转子悬浮空气，以避免冷凝水的产生。

但是，现有气动轴承存在如下技术缺陷：

1. 由于工况不稳定，常出现转子抱死故障；

2. 恒温气体加热的延迟性，导致冷凝水的产生，污染工件；

3. 由于动平衡不足，存在脉冲负载，使用寿命降低。

因此，针对以上技术缺陷，需要提出新的技术方案加以解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种防抱死气动轴承，克服现有技术中存在的转子抱死、动平衡不足等技术缺陷，延长了气动轴承的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种防抱死气动轴承，包括转子、轴承外圈和安装底座，转子包括通过花键连接的涡轮叶片旋转轴和涡轮叶片，涡轮叶片旋转轴安装在轴承外圈的中心安装孔中，对转子进行轴向定位的涡轮定位片安装在安装底座的中心，安装底座通过螺栓固定在轴承外圈的端面上，安装底座上设有悬浮空气接口、驱动气体接口、制动气体接口和排气通道，所述的涡轮叶片旋转轴套设在圆柱形的防抱死卡环内，防抱死卡环外侧面设有脆性材料制成的外花键，并和所述轴承外圈中心安装孔的内花键配合，防抱死卡环和涡轮叶片旋转轴之间留有供涡轮叶片旋转轴旋转的间隙，防抱死卡环上设有悬浮空气通孔，悬浮空气通孔和轴承外圈内部的悬浮空气通道连通，在涡轮叶片旋转轴的轴体上设有和悬浮空气通孔相对应的环槽。

所述轴承外圈相对于安装底座的一端还设有自适应调节环，自适应调节环内安装振动传感器，振动传感器实时监测涡轮叶片旋转轴的转动振动参数，并传输给控制系统，使得自适应调节环内的介质作用在涡轮叶片旋转轴上，以实现对涡轮叶片旋转轴的旋转中心进行调节。

所述自适应调节环设有供涡轮叶片旋转轴端部穿过的中心孔以及围绕中心孔的多个调节腔，调节腔和中心孔相通，调节腔内引入压缩空气，所述的控制系统为压缩空气控制系统，向不同的调节腔提供压缩空气，由压缩空气推动涡轮叶片旋转轴进行偏心距的调节。

所述自适应调节环设有供涡轮叶片旋转轴端部穿过的中心孔以及围绕中心孔的多个调节腔，调节腔和中心孔相通，调节腔内滑动设置有滑块，所述的控制系统为液体介质控制系统，对液体加压控制不同调节腔内滑块的滑动，以推动涡轮叶片旋转轴进行偏心距的调节。

所述自适应调节环设有供涡轮叶片旋转轴端部穿过的中心孔以及围绕中心孔的多个调节腔，调节腔和中心孔相通，所述的控制系统为电控系统，电控系统通过电控执行元件控制设置在调节腔内的活动块沿调节腔运动，以推动涡轮叶片旋转轴进行偏心距的调节。

所述轴承外圈为圆锥体形或圆柱体形。

所述悬浮空气接口和悬浮空气管连接，悬浮空气管外部套设恒温空气气体管，恒温气体管内恒温空气气体对进入气动轴承内部的悬浮空气进行预热或冷却。

所述驱动气体接口和驱动气体管连接，驱动气体管外部套设恒温气体管，恒温气体管内恒温气体对进入气动轴承内部的驱动气体进行预热或冷却。

所述的涡轮叶片的一侧设有转速传感器，以采集转子的转速。

本发明的有益效果是：

第一，本发明采用防抱死卡环，利用防抱死卡环上脆性材料制作的外花键，当涡轮叶片旋转轴出现偏心振动时，涡轮叶片旋转轴作用在防抱死卡环上，使得防抱死卡环上外花键破碎和轴承外圈脱离，随涡轮叶片旋转轴一同旋转，因此可以有效的放置涡轮叶片旋转轴和轴承外圈之间卡死故障的发生，避免停机检修而影响喷涂作业的进行；

第二，本发明自适应调节环的使用，可以根据涡轮叶片旋转轴的旋转及振动情况，实时调整涡轮叶片旋转轴的旋转中心，保证轴承良好的动平衡，延长了气动轴承的使用寿命；

第三，本发明将恒温气体的预热或冷却前置，即悬浮空气或驱动气体进入气动轴承之前进行预热或冷却，这样降低了加工难度和加工成本，而且在避免冷凝水产生方面效果更加显著；

第四，本发明的气动轴承经试验，其投资成本可降低30%以上，使用维修成本可减少50%以上，其最高转速可达12万转/分钟以上。

附图说明

图1是背景技术中所述气动轴承的结构示意图；

图2是本发明气动轴承的结构示意图；

图3是本发明气动轴承的装配图；

图4是实施例1中自适应调节环的结构示意图；

图5是实施例2中自适应调节环的结构示意图；

图6是实施例3中自适应调节环的结构示意图；

图7是本发明中自适应调节环的调节原理图；

图中标记：1、转子，2、轴承外圈，3、悬浮空气接口，4、驱动气体接口，5、排气通道，6、转速传感器，7、制动气体接口，8、恒温气体接口，9、悬浮空气管，10、恒温气体管，11、驱动气体管，12、制动气体管，13、防抱死卡环，14、自适应调节盘，1401、调节腔，1402、中心孔，1403、滑块，1404、活动块，15、底座安装螺栓，16、涡轮定位片，17、安装底座，18、涡轮叶片，19、涡轮叶片旋转轴，20、调节环安装螺栓，21、振动传感器，22、悬浮空气通孔，23、环槽，24、介质。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图所示，一种防抱死气动轴承，包括转子1、轴承外圈2和安装底座17，转子1包括通过花键连接的涡轮叶片旋转轴19和涡轮叶片18，涡轮叶片旋转轴19安装在轴承外圈2的中心安装孔中，对转子1进行轴向定位的涡轮定位片16安装在安装底座17的中心，所述的涡轮叶片18的一侧设有转速传感器6，以采集转子1的转速；安装底座17通过底座安装螺栓15固定在轴承外圈2的端面上，安装底座17上设有悬浮空气接口3、驱动气体接口4、制动气体接口7和排气通道5，悬浮空气接口3、驱动气体接口4、制动气体接口7和排气通道5均和气动轴承内部相应的气体通道连通，实现转子1和轴承外圈2的悬浮分离、转子1的旋转和制动；所述的轴承外圈2可以是圆锥体形，也可以是圆柱体形的结构；

所述悬浮空气接口3和悬浮空气管9连接，悬浮空气管9外部套设恒温气体管10，恒温气体管10内恒温气体对进入气动轴承内部的悬浮空气进行预热或冷却；

所述驱动气体接口4和驱动气体管11连接，驱动气体管11外部套设恒温气体管10，恒温气体管10内恒温气体对进入气动轴承内部的驱动气体进行预热或冷却。

所述的涡轮叶片旋转轴19套设在圆柱形的防抱死卡环13内，防抱死卡环13外侧面设有脆性材料制成的外花键，并和所述轴承外圈2中心安装孔的钛合金内花键配合，防抱死卡环13和涡轮叶片旋转轴19之间留有供涡轮叶片旋转轴19旋转的间隙，防抱死卡环13上设有悬浮空气通孔22，悬浮空气通孔22和轴承外圈2内部的悬浮空气通道连通，在涡轮叶片旋转轴19的轴体上设有和悬浮空气通孔22相对应的环槽23。

所述的脆性材料可选择石墨，在受力超过50~100N时，由石墨制作的外花键粉碎成粉末，使得防抱死卡环13和轴承外圈2脱离，可以随涡轮叶片旋转轴19转动，并且粉碎后的石墨粉末又可以起到润滑作用，进一步增强防抱死效果。

脆性材料也可以选择纳米陶瓷、石蜡等，满足在受力超过50~100N时，由脆性材料制成的外花键跟轴承外圈2的内花键相作用而粉碎成粉末即可。

为了实现防抱死的目的，还可以通过改善转子1的动平衡，降低转子偏心的几率，具体方案如下：在所述轴承外圈2相对于安装底座17的一端还设有自适应调节环14，自适应调节环14通过调节环安装螺栓20固定在轴承外圈2端部，自适应调节环14内安装振动传感器21，振动传感器21实时监测转子1的转动振动参数，并传输给控制系统，使得自适应调节环14内的介质24作用在涡轮叶片旋转轴19上，以实现对涡轮叶片旋转轴19的旋转中心进行调节，所述的转动振动参数主要包括振动频率、振幅、初相位、转速。

由于自适应调节环14中参与调节的介质24可以有不同形式，因此自适应调节环14可有不同的实施方式，下面分别进行说明。

实施例1

本实施例中所述的自适应调节环14利用压缩空气作为介质24进行调节，介质24采用环形布局，推动涡轮叶片旋转轴19调节偏心距离，具体设置如下：

所述自适应调节环14设有供涡轮叶片旋转轴19端部穿过的中心孔1402以及围绕中心1402的多个调节腔1401，调节腔1401和中心孔1402相通，调节腔1401内引入压缩空气，所述的控制系统为压缩空气控制系统，根据振动传感器21实时检测的涡轮叶片旋转轴19的转动振动参数，向不同的调节腔分别提供压缩空气，由压缩空气推动涡轮叶片旋转轴19进行偏心距的调节。

实施例2

本实施例中所述的自适应调节环14利用液体以及滑块1403作为介质24进行调节，介质24采用环形布局推动涡轮叶片旋转轴19调节偏心距离，具体设置如下：

所述自适应调节环14设有供涡轮叶片旋转轴19端部穿过的中心孔1402以及围绕中心孔1402的多个调节腔1401，调节腔1401和中心孔1402相通，为了避免液体直接和涡轮叶片旋转轴19接触，在调节腔1401内滑动设置有滑块1403，所述的控制系统为液体介质控制系统，通过对液体加压，控制不同调节腔1401内滑块1403的滑动，以推动涡轮叶片旋转轴19进行偏心距的调节。

实施例3

本实施例中所述的自适应调节环14利用电控执行元件和活动块1404作为介质24进行调节，介质24采用环形布局推动涡轮叶片旋转轴19调节偏心距离，具体设置如下：

所述自适应调节环14设有供涡轮叶片旋转轴19端部穿过的中心孔1402以及围绕中心孔1402的多个调节腔1401，调节腔1401和中心孔1402相通，所述的控制系统为电控系统，电控系统通过电控执行元件驱动设置在调节腔内的活动块1404沿调节腔1401运动，以推动涡轮叶片旋转轴19进行偏心距的调节。

所述的电控执行元件可采用凸轮机构、气动阀、比例阀等。

采用凸轮机构时，电控系统控制凸轮机构中的电机旋转，带动凸轮转动，活动块1404在凸轮带动下沿调节腔1401直线运动；

采用气动阀时，在压缩空气管路上安装气动阀和活塞，电控系统控制气动阀开启程度，控制压缩空气流量，控制活塞杆运动，并由活塞杆作用在活动块1404上，推动活动块1404的运动；

采用比例阀时，比例阀根据电压或电流大小，控制与之连接的伸缩杆的伸缩长度，再由伸缩杆推动活动块1404运动；

自适应调节环14对涡轮叶片旋转轴19偏心距的调节原理如图7所示：

假设振动传感器21所测涡轮叶片旋转轴19轴心的振动为H, 则公式表达如下：

H = λ(x·ω +θ)

其中λ为振幅，单位μm; x为时间，单位s；ω为转速，单位°/s；θ为初相位，单位是°。

那么偏心距所需调整的距离即为-H，由相应的控制系统通过介质24作用于涡轮叶片旋转轴19，对偏心距进行补偿后，涡轮叶片旋转轴19旋转中心的偏心距即为0。

当然，除了以上介绍的采用防抱死卡环或自适应调节环以外，还可以将二者结合起来使用，效果更优。

Claims (7)

1.一种防抱死气动轴承，包括转子（1）、轴承外圈（2）和安装底座（17），转子（1）包括通过花键连接的涡轮叶片旋转轴（19）和涡轮叶片（18），涡轮叶片旋转轴（19）安装在轴承外圈（2）的中心安装孔中，对转子（1）进行轴向定位的涡轮定位片（16）安装在安装底座（17）的中心，安装底座（17）通过螺栓固定在轴承外圈（2）的端面上，安装底座（17）上设有悬浮空气接口（3）、驱动气体接口（4）、制动气体接口（7）和排气通道（5），其特征在于：所述的涡轮叶片旋转轴（19）套设在圆柱形的防抱死卡环（13）内，防抱死卡环（13）外侧面设有脆性材料制成的外花键，并和所述轴承外圈（2）中心安装孔的内花键配合，防抱死卡环（13）和涡轮叶片旋转轴（19）之间留有供涡轮叶片旋转轴（19）旋转的间隙，防抱死卡环（13）上设有悬浮空气通孔（22），悬浮空气通孔（22）和轴承外圈（2）内部的悬浮空气通道连通，在涡轮叶片旋转轴（19）的轴体上设有和悬浮空气通孔（22）相对应的环槽（23）；所述轴承外圈（2）为圆锥体形或圆柱体形；所述的涡轮叶片（18）的一侧设有转速传感器（6），以采集转子（1）的转速。

2.根据权利要求1所述的一种防抱死气动轴承，其特征在于：所述轴承外圈（2）相对于安装底座（17）的一端还设有自适应调节环（14），自适应调节环（14）内安装振动传感器（21），振动传感器（21）实时监测涡轮叶片旋转轴（19）的转动振动参数，并传输给控制系统，使得自适应调节环（14）内的介质（24）作用在涡轮叶片旋转轴（19）上，以实现对涡轮叶片旋转轴（19）的旋转中心进行调节。

3.根据权利要求2所述的一种防抱死气动轴承，其特征在于：所述自适应调节环（14）设有供涡轮叶片旋转轴（19）端部穿过的中心孔（1402）以及围绕中心孔（1402）的多个调节腔（1401），调节腔（1401）和中心孔（1402）相通，调节腔（1401）内引入压缩空气，所述的控制系统为压缩空气控制系统，向不同的调节腔（1401）提供压缩空气，由压缩空气推动涡轮叶片旋转轴（19）进行偏心距的调节。

4.根据权利要求2所述的一种防抱死气动轴承，其特征在于：所述自适应调节环（14）设有供涡轮叶片旋转轴（19）端部穿过的中心孔（1402）以及围绕中心孔（1402）的多个调节腔（1401），调节腔（1401）和中心孔（1402）相通，调节腔（1401）内滑动设置有滑块（1403），所述的控制系统为液体介质控制系统，对液体加压推动不同调节腔（1401）内滑块（1403）的滑动，以实现对涡轮叶片旋转轴（19）进行偏心距的调节。

5.根据权利要求2所述的一种防抱死气动轴承，其特征在于：所述自适应调节环（14）设有供涡轮叶片旋转轴（19）端部穿过的中心孔（1402）以及围绕中心孔（1402）的多个调节腔（1401），调节腔（1401）和中心孔（1402）相通，所述的控制系统为电控系统，电控系统通过电控执行元件控制设置在调节腔（1401）内的活动块（1404）沿调节腔（1401）运动，以推动涡轮叶片旋转轴（19）进行偏心距的调节。

6.根据权利要求1所述的一种防抱死气动轴承，其特征在于：所述悬浮空气接口（3）和悬浮空气管（9）连接，悬浮空气管（9）外部套设恒温气体管（10），恒温气体管（10）内恒温气体对进入气动轴承内部的悬浮空气进行预热或冷却。

7.根据权利要求1所述的一种防抱死气动轴承，其特征在于：所述驱动气体接口（4）和驱动气体管（11）连接，驱动气体管（11）外部套设恒温气体管（10），恒温气体管（10）内恒温气体对进入气动轴承内部的驱动气体进行预热或冷却。