CN110195744B - 一种具备快速散热功能的气浮轴承结构 - Google Patents
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Abstract
一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，涉及三浮陀螺仪电机球形气体轴承设计领域；包括气体球轴、n个螺旋浅腔、2n个连接通道和环形散热槽；其中，气体球轴为半球体结构；气体球轴的水平面水平放置；环形散热槽水平设置在气体球轴的顶端外壁处；n个螺旋浅腔均匀设置在气体球轴的外壁；且位于环形散热槽一个的下方；2n个连接通道两两一组，分成n组；每组连接通道对应1个螺旋浅腔；且每组连接通道的顶部与环形散热槽连通；每组连接通道的底部与对应的螺旋浅腔连通；n为正整数；本发明经过散热设计的气浮轴承具备合理的尺寸，使得旋转磨损效应有效降低，不会出现气锤振动或涡动失稳现象，有效增加气浮轴承的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种三浮陀螺仪电机球形气体轴承设计领域，特别是一种具备快速散热功能的气浮轴承结构。
背景技术
气体轴承具有摩擦极小，精度高，无污染，寿命长，工作稳定等优点，气体的粘性约为液体粘性的千分之一，在极高的转速下摩擦损耗也非常小，因此特别适合极低和极高的转速下工作，如我国研制出的超高速精密空气主轴，转速达到3.3x105r/min，小型氦透平膨胀机转速达到6.5x105r/min，而三轴仿真气浮台的转动速度可低至0.06°/s～0.07°/s，这是液体轴承和普通的滚动轴承难以达到的。
气体轴承的气膜具有匀化误差的作用，轴承能达到比滚动轴承高百倍以上的精密度，且基本无振动、噪声。气体轴承在正常工作时无机械接触，润滑气体一般为空气或者惰性气体，理论上不存在磨损，在保持高精度的情况下同时具有长的寿命。同时气体静压轴承气膜厚度只有几到几十微米，要求零件具有高的加工精度，由于气体的可压缩性等特点，气源压力不能过高，承载能力和静态刚度比同尺寸的液体静压轴承约小一个数量级。当设计不当及使用不当时，会出现气锤振动或涡动而失稳，或者出现卡滞甚至咬合现象。
气体轴承在极高速旋转的过程中，随着气体动压的增加和气体粘性，会产生大量热量，随着时间的增加，这些热量会在狭小的气膜腔内快速聚集，导致轴承结构温度快速升高、轴承表面温度分布不均等问题，极大地影响高精度陀螺仪、高精度导轨等设备的使用精度。目前并没有很好的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，经过散热设计的气浮轴承具备合理的尺寸，使得旋转磨损效应有效降低，不会出现气锤振动或涡动失稳现象，有效增加气浮轴承的使用寿命。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，包括气体球轴、n个螺旋浅腔、2n个连接通道和环形散热槽；其中，气体球轴为半球体结构；气体球轴的水平面水平放置；环形散热槽水平设置在气体球轴的顶端外壁处；n个螺旋浅腔均匀设置在气体球轴的外壁；且位于环形散热槽一个的下方；2n个连接通道两两一组，分成n组；每组连接通道对应1个螺旋浅腔；且每组连接通道的顶部与环形散热槽连通；每组连接通道的底部与对应的螺旋浅腔连通；n为正整数。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述的环形散热槽为环形凹槽结构；环形散热槽的截面为倒置梯形形状；梯形截面的上边L1长为500mm；下边L2长为200mm；高为8μm。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述环形散热槽与连接通道连通的底边圆弧半径为5.6-5.7mm。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述的螺旋浅腔为螺旋凹槽结构；螺旋浅腔的凹槽截面为矩形形状；螺旋浅腔凹槽的槽宽为1.9-2.0mm；槽深为6μm；12≤n≤24。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述的螺旋浅腔的母线为螺旋线；母线的螺距为17.1-17.2mm；高度为4.6mm；螺旋浅腔顶部的钝角顶点为圆角结构；钝角顶点圆角的半径为0.5mm；螺旋浅腔顶部的锐角顶点为圆角结构；锐角顶点圆角的半径为0.1mm。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述连接通道为螺旋凹槽结构；连接通道凹槽的截面形状为圆形。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述每组连接通道沿母线方向对称设置在对应螺旋浅腔的顶部。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述气浮轴承的工作温度为-40℃～50℃；气浮轴承工作时的温度变化小于等于±1℃。
在上述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，所述气浮轴承的工作过程为：
气浮轴承开始高速旋转后，沿螺旋浅腔母线方向产生气体动压；由于气浮轴承高转速和气体粘性，产生大量热量，聚集在螺旋浅腔的钝角顶点和锐角顶点附近，造成气浮轴承短时间局部温度梯度升高；通过连接通道实现将热量随着动压方向快速传递至环形散热槽；直至通过气体球轴的顶部排出气浮轴承外，实现降低气浮轴承间隙温度梯度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明一种新型气浮轴承结构，通过优化气体球轴表面结构，使得气浮轴承间隙流场产生的热量能够快速散布均匀并且通过自旋转产生的动压由出口排出轴承结构，相比于现有气浮轴承结构通过外部高压气源流经轴承间隙再由排气口排出轴承外的冷却系统，本发明具有无需外部能量输入、散热效率高等特点；
(2)本发明基于CFD技术、微流动原理，通过对半球形气浮轴承间隙空间流场的数值模拟，得到间隙气体流场的空间压力场分布和温度场分布，极大地提高了散热结构优化设计过程的效率；
(3)本发明经过优化设计的螺旋浅腔，具备快速产生稳定气体动压，减少在启动和停止阶段，由于没有足够转速，轴承的运动之间发生的接触性干摩擦，使得球形气浮轴承短时间到达稳定的工作状态；
(4)本发明的环形散热槽，其母线设计经过数值方法优化，具备特有的凹槽型面，相比于传统的矩形槽设计，其散热效率提高了接近20％；
(5)本发明位于螺旋浅腔和环形散热槽之间的连接通道，可以有效地将螺旋浅腔附近空间流场产生的热量由动压方向导入环形散热槽，增加气体球轴表面各结构间的热传导，相比于现有气浮轴承结构，气体球轴表面温度分布更加均匀，极大的提高了气浮轴承的使用效能。
附图说明
图1为本发明气浮轴承整体示意图；
图2为本发明环形散热槽示意图；
图3为本发明螺旋浅腔示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，使得极高速旋转的气浮轴承能够保持正常的工作温度。此外，经过散热设计的气浮轴承具备合理的尺寸，使得旋转磨损效应有效降低，不会出现气锤振动或涡动失稳现象，有效增加气浮轴承的使用寿命。
如图1所示为气浮轴承整体示意图，由图可知，一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，包括气体球轴1、n个螺旋浅腔3、2n个连接通道4和环形散热槽5；其中，气体球轴1为半球体结构；气体球轴1的水平面水平放置；环形散热槽5水平设置在气体球轴1的顶端外壁处；n个螺旋浅腔3均匀设置在气体球轴1的外壁；且位于环形散热槽5一个的下方；2n个连接通道4两两一组，分成n组；每组连接通道4对应1个螺旋浅腔3；且每组连接通道4的顶部与环形散热槽5连通；每组连接通道4的底部与对应的螺旋浅腔3连通；n为正整数。螺旋浅腔3用于产生气体动压；连接通道4用于热量交换；环形散热槽5用于快速充分散热。
如图2所示为环形散热槽示意图，由图可知，环形散热槽5为环形凹槽结构；环形散热槽5的截面51为倒置梯形形状；梯形截面51的上边L1长为500mm；下边L2长为200mm；高为8μm。环形散热槽5与连接通道4连通的底边圆弧52半径为5.6-5.7mm。
如图3所示为螺旋浅腔示意图，由图可知，螺旋浅腔3为螺旋凹槽结构；螺旋浅腔3的凹槽截面为矩形形状；螺旋浅腔3凹槽的槽宽为1.9-2.0mm；槽深为6μm；12≤n≤24。
螺旋浅腔3的母线32为螺旋线；母线32的螺距为17.1-17.2mm；高度为4.6mm；螺旋浅腔3顶部的钝角顶点33为圆角结构；钝角顶点33圆角的半径为0.5mm；螺旋浅腔3顶部的锐角顶点34为圆角结构；锐角顶点34圆角的半径为0.1mm。
连接通道4为螺旋凹槽结构；连接通道4凹槽的截面形状为圆形。每组连接通道4沿母线方向对称设置在对应螺旋浅腔3的顶部。
气浮轴承的工作温度为-40℃～50℃；气浮轴承工作时的温度变化小于等于±1℃。
气浮轴承的工作过程为：
气浮轴承开始高速旋转后，沿螺旋浅腔3母线方向产生气体动压；由于气浮轴承高转速和气体粘性，产生大量热量，聚集在螺旋浅腔3的钝角顶点33和锐角顶点34附近，造成气浮轴承短时间局部温度梯度升高；通过连接通道4实现将热量随着动压方向快速传递至环形散热槽5；直至通过气体球轴1的顶部排出气浮轴承外，实现降低气浮轴承间隙温度梯度。
气体球轴1是半球形构造，保证高速旋转的同时，增加轴承气膜受力面，保证轴承承载能力。螺旋浅腔3是气体动压发生器，当气浮轴承1以极高转速旋转时，粘性气体向着轴承楔形气体间隙变小的方向流动，产生动压效果，从而产生支撑负载的压力。环形散热槽5是利用增加散热表面面积的原理，热量通过间隙气体螺旋方向由螺旋浅腔3经连接通道4至环形散热槽5，一部分热量通过气体出口排出轴承结构，一部分由气体球轴1吸收。螺旋浅腔3与环形散热槽5通过连接通道4连通，保证有效热交换。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：包括气体球轴(1)、n个螺旋浅腔(3)、2n个连接通道(4)和环形散热槽(5)；其中，气体球轴(1)为半球体结构；气体球轴(1)的水平面水平放置；环形散热槽(5)水平设置在气体球轴(1)的顶端外壁处；n个螺旋浅腔(3)均匀设置在气体球轴(1)的外壁；且位于环形散热槽(5)一个的下方；2n个连接通道(4)两两一组，分成n组；每组连接通道(4)对应1个螺旋浅腔(3)；且每组连接通道(4)的顶部与环形散热槽(5)连通；每组连接通道(4)的底部与对应的螺旋浅腔(3)连通；n为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述的环形散热槽(5)为环形凹槽结构；环形散热槽(5)的截面(51)为倒置梯形形状；梯形截面(51)的上边L1长为500μm；下边L2长为200μm；高为8μm。
3.根据权利要求2所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述环形散热槽(5)与连接通道(4)连通的底边圆弧(52)半径为5.6-5.7mm。
4.根据权利要求3所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述的螺旋浅腔(3)为螺旋凹槽结构；螺旋浅腔(3)的凹槽截面为矩形形状；螺旋浅腔(3)凹槽的槽宽为1.9-2.0mm；槽深为6μm；12≤n≤24。
5.根据权利要求4所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述的螺旋浅腔(3)的母线(32)为螺旋线；母线(32)的螺距为17.1-17.2mm；高度为4.6mm；螺旋浅腔(3)顶部的钝角顶点(33)为圆角结构；钝角顶点(33)圆角的半径为0.5mm；螺旋浅腔(3)顶部的锐角顶点(34)为圆角结构；锐角顶点(34)圆角的半径为0.1mm。
6.根据权利要求5所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述连接通道(4)为螺旋凹槽结构；连接通道(4)凹槽的截面形状为圆形。
7.根据权利要求6所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述每组连接通道(4)沿母线方向对称设置在对应螺旋浅腔(3)的顶部。
8.根据权利要求7所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述气浮轴承的工作温度为-40℃～50℃；气浮轴承工作时的温度变化小于等于±1℃。
9.根据权利要求8所述的一种具备快速散热功能的气浮轴承结构，其特征在于：所述气浮轴承的工作过程为：
气浮轴承开始高速旋转后，沿螺旋浅腔(3)母线方向产生气体动压；由于气浮轴承高转速和气体粘性，产生大量热量，聚集在螺旋浅腔(3)的钝角顶点(33)和锐角顶点(34)附近，造成气浮轴承短时间局部温度梯度升高；通过连接通道(4)实现将热量随着动压方向快速传递至环形散热槽(5)；直至通过气体球轴(1)的顶部排出气浮轴承外，实现降低气浮轴承间隙温度梯度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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