CN110886767A - 一种气悬浮推力轴承 - Google Patents

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邹莹
丁强明
朱杰
周少华
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Abstract

本发明公开了一种气悬浮推力轴承，设有一推力盘，所述推力盘设有多个冷却气孔，所述冷却气孔的延长线不经过推力盘的圆心。本发明的气悬浮推力轴承，解决了推力轴承加工装配的困难和容易出现故障的问题，同时解决了气悬浮推力轴承冷却气路设置困难。

Description

一种气悬浮推力轴承
技术领域
本发明涉及轴承结构技术领域，具体涉及一种气悬浮推力轴承。
背景技术
气悬浮推力轴承由于不需要润滑介质，环保，运转速度高，开始被广泛的应用到各类高速设备。气悬浮推力轴承由于其承载相对较高，其散热问题一直是制约着气悬浮推力轴承应用的关键问题，对于气悬浮推力轴承应用是需要加工制造复杂的气路并提供外部冷却气体实现对推力轴承的冷却。另外目前常用的气悬浮推力轴承常采用焊接点焊或者将气轴承内外径增加的方式进行固定。焊接的方式存在质量难以控制，并且变形量较大的问题，并且采用内外径增加的方式固定将会增加气悬浮推力轴承的尺寸。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种气悬浮推力轴承，此承板可以单独安装、拆卸，维护过程中可单独更换。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种气悬浮推力轴承，设有一推力盘，所述推力盘设有多个冷却气孔，所述冷却气孔的延长线不经过推力盘的圆心。
作为上述技术方案的进一步改进为：
所有所述冷却气孔沿推力盘圆周方向布设。
所有所述冷却气孔的倾斜方向相同。
所有所述冷却气孔的倾斜角度相同。
所述冷却气孔的直径d满足下列公式：
Figure RE-GDA0001973042090000011
其中，l为冷却气孔的长度；F总为气体所受沿冷却气孔方向的总力；m为单位体积的气体质量；d为冷却气孔的直径；t为推力盘转动一周的时间；t1为质量m的气体通过冷却气孔的时间。
每一个质量为m的气体在位置x时冷却气孔与推力盘经过x点的半径之间的夹角为θ，θ满足下列公式：
Figure RE-GDA0001973042090000021
其中，l为冷却气孔的长度；R为推力盘的外径，r为推力盘的内径。
所述轴承还包括轴承体、压块和箔片，所述箔片通过压块压紧于轴承体上。
所述箔片包括顶箔和波箔，所述顶箔位于波箔和推力盘之间。
所述压块设有多个。压块通过螺栓固定于轴承的底座上。所述压块一般使用压条，并沿底座的圆周方向均匀布设。
所述压块沿推力盘圆周方向阵列分布。
与现有技术相比，本发明提供的气悬浮推力轴承具有以下优点：
本发明的气悬浮推力轴承，在推力盘上设计一个圆周方向的孔同时通过内部气路设计实现对气悬浮推力轴承的冷却功能。即在推力盘上加工斜孔，转轴在运转过程中由于离心力的作用将会把转轴内部的空气抽出形成一气压从而实现气流流动形成冷却气流，冷却气流从波箔流过从而带走气悬浮推力轴承运转所产地的热量，并最终从径向排除系统。
本发明的气悬浮推力轴承，在气悬浮推力轴承底座上加工一个压块实现对于顶箔和波箔的定位。本发明的气悬浮推力轴承，在加工制造方面具有质量容易控制、可靠性高的特点。
附图说明
图1是现有技术中承板的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明板块单元的结构示意图。
图4是本发明冷却气孔的结构示意图。
图中标号说明：
1、推力盘；2、顶箔、3、波箔；4、压块；5、冷却气孔；6、螺钉；7、底座。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图2至图3示出了本发明气悬浮推力轴承的一种实施方式，气悬浮推力轴承包括推力盘、轴承体、
压块和箔片，推力盘设有多个冷却气孔。所有冷却气孔沿推力盘圆周方向布设，所有冷却气孔的倾斜角度相同。
本实施例中，箔片包括顶箔和波箔，顶箔位于波箔和推力盘之间。压块设有多个，压块一般使用压条，并沿底座的圆周方向均匀布设，压块通过螺栓固定于轴承的底座上。
本实施例中，本根据轴承的功耗可以确定冷却轴承所需的流量为q，根据气路设计确定所需的压力为p。冷却气孔的尺寸为d，则其截面积为pi*d2/4，假设转速为ω，泵气推力盘的内半径为r，推力盘的外半径为R，假设单位体积的气体质量为m，则在转速ω的情况下气体的压力增加则每一个质量为m的气体在位置为x的位置所受的离心力大小为可以按如下公式进行计算，以及采用以下方式设计冷却气孔：
冷却气孔内的气体主要受两个力的作用，第一是离心力F离，第二个是推力盘对气体作用的力F切，其方向为切向方向，垂直于离心力方向，对该两个力进行受力分解得到沿冷却气孔方向的力和垂直于冷却气孔方向的力，沿冷却气孔方向的力使冷却气孔内的气体加速从而提高压力，具体计算过程如下：
设每一个质量为m的气体在位置x时，冷却气孔与推力盘经过x点的半径之间的夹角为θ，气体所受离心力公式如式(a)所示
F离＝mω2x (a)
其中，其中x的取值范围为r到R。
离心力沿冷却气孔方向的分量如式(b)所示
Figure RE-GDA0001973042090000031
推力盘作用在气体上的力分解为垂直于冷却气孔方向和沿冷却气孔方向的力，垂直于冷却气孔方向的力与压强P平衡，沿冷却气孔方向的力如式(c)所示，式中S＝4m/pi*d*ρ，
F切＝PS tanθ (c)
气体所受沿冷却气孔方向的总力如下：
Figure RE-GDA0001973042090000032
气体在冷却气孔内加速的总长度如(e)所示。
Figure RE-GDA0001973042090000033
m＝Qρ (f)
其中，Q为气体在冷却气孔中的体积流量。
气体在冷却气孔内加速的总长等于速度对时间的积分：
Figure RE-GDA0001973042090000034
其中，l为冷却气孔的长度；F总为气体所受沿冷却气孔方向的总力；m为单位体积的气体质量；d为冷却气孔的直径；t为推力盘转动一周的时间；t1为质量m的气体通过冷却气孔的时间。
Figure RE-GDA0001973042090000041
根据式(g)和(e)求解得出t1，将t1带入式(h)得v的值。
将v值带入式(i)可以求解得到流量。
Figure RE-GDA0001973042090000042
根据式(j)求解得P值。
Figure RE-GDA0001973042090000043
冷却气孔中轴线与推力盘经过冷却气孔中心点的半径之间的夹角为θ，θ满足下列公式：
Figure RE-GDA0001973042090000044
其中，l为冷却气孔的长度；R为推力盘的外径，r为推力盘的内径。
质量为m的气体在推力盘转动情况下所获得的能量如下：
W＝1/2mw2(R2-r2)
式中m＝q*ρ*t
气体所获得的能量均用于克服管道阻力做功。
假设该气悬浮推力轴承所受载荷为1000N，运行转速ω为25000rpm，轴承内径r为85mm，外径R为150mm，轴承高度h为0.5mm，根据轴承设计计算得该气悬浮推力轴承所产生的功耗为500w(采用本领域现有技术的计算方式得到，在此不过多描述)。
通过热分析可知，该轴承冷却所需的气体流量为25g/s，转化为体积流量Q为0.0221m3/s，初步设计冷却气路可得冷却气体所需压力为800pa。空气在40℃情况下密度为1.128kg/m3,初步设计泵气孔为6个，则每个泵气孔的流量需求为0.00368m3/s。
由该已知量带入公式(h)可得：
l＝32.5/cosθ
F切＝800*l*d*tanθ＝800*10-6*32.5*d*tanθ/cosθ
V＝58.75*w2*t1+800*32.5*d*tanθ*t1/Mcosθ
l＝0.5*t1 2*58.75*w2+0.5*t1 2*800*32.5*d*tanθ/Mcosθ
M＝1.128*10-9*pi*l*d2/4
V＝4*Q/pi*d2
W＝25000*2*3.14/60＝2616.67rad/s
结合如上公式可去除t1,得表达式如下：
32.5/cosθ＝0.5*4*0.00368/(pi*d2*(58.75*w2+800*32.5*d*tanθ /0.25*1.128*10-9*pi*d2*cosθ)*(58.75*w2+800*32.5*d*tanθ /0.25*1.128*10-9*pi*l*d2*cosθ) (m)
并根据公式(j)可得
(800*10-6*32.5*d*tanθ/cosθ)*l+1.128*10-9*pi*d2*58.75*l＝800*0.00368/1000 (n)
联立上式(m)和(n)求解可得：
d＝6.2mm
θ＝32.5°
为具备一定的裕度将d设计为8mm
此外，还可以通过流场分析方法来进行孔径大小以及角度的优化分析计算。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种气悬浮推力轴承，其特征在于，设有一推力盘，所述推力盘设有多个冷却气孔，所述冷却气孔的延长线不经过推力盘的圆心。
2.根据权利要求1所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所有所述冷却气孔沿推力盘圆周方向布设。
3.根据权利要求2所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所有所述冷却气孔的倾斜方向相同。
4.根据权利要求3所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所有所述冷却气孔的倾斜角度相同。
5.根据权利要求1所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所述冷却气孔的直径d满足下列公式：
Figure FDA0001932735710000011
其中，1为冷却气孔的长度；F总为气体所受沿冷却气孔方向的总力；m为单位体积的气体质量；d为冷却气孔的直径；t为推力盘转动一周的时间；t1为质量m的气体通过冷却气孔的时间。
6.根据权利要求1所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，每一个质量为m的气体在位置x时冷却气孔与推力盘经过x点的半径之间的夹角为θ，θ满足下列公式：
Figure FDA0001932735710000012
其中，1为冷却气孔的长度；R为推力盘的外径，r为推力盘的内径。
7.根据权利要求1所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，还包括轴承体、压块和箔片，所述箔片通过压块压紧于轴承体上。
8.根据权利要求7所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所述箔片包括顶箔和波箔，所述顶箔位于波箔和推力盘之间。
9.根据权利要求8所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所述压块设有多个。
10.根据权利要求9所述的气悬浮推力轴承，其特征在于，所述压块沿推力盘圆周方向阵列分布。
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