CN110939655A - V型节流式重载静压气浮轴承 - Google Patents

V型节流式重载静压气浮轴承 Download PDF

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徐文丽
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Abstract

本发明提供了V型节流式重载静压气浮轴承，属于轴承领域，包括上端盖和下托板，所述上端盖和下托板之间设有密封圈，所述下托板靠近所述上端盖的一侧设有气腔，所述下托板的侧面设有与所述气腔连通的供气孔，所述下托板的下端设有与所述气腔连通的节流孔，所述节流孔竖直设置，所述节流孔包括上端的大径孔和下端的小径孔，所述小径孔为截面逐渐缩小的锥形结构。本发明保证气流实现平滑地矢量转弯，使得轴承内部从节流孔到气膜的流动变的更加稳定，从而提升轴承的稳定性。

Description

V型节流式重载静压气浮轴承
技术领域
本发明属于轴承领域，涉及气浮轴承，尤其涉及V型节流式重载静压气浮轴承。
背景技术
随着我国航天产业的快速发展，大型、超大型航天器微低重力模拟仿真试验，是保证航天器性能及可靠性必不可少的地面试验。
静压气浮轴承作为航天器微重力地面仿真试验过程中的关键设备，其性能高低将直接影响地面试验的精度，但针对目前大型、超大型航天器载荷越来越大、精度越来越高的发展趋势和地面试验对于气浮轴承承载能力的要求也越来越高，传统静压气浮轴承通常为小孔节流式气浮轴承，其基本原理是轴承内气流通过节流孔流出，使得轴承与下平面间形成一层气膜，从而使得轴承悬浮起来，而提高轴承能力则需要提高供气压力的大小，但是随着供气压力的提高，轴承节流孔内流速会急剧增加，甚至会出现超音速流、激波等复杂现象，由伯努利原理可知，气体在流速越大，压降越明显，过大的流动速度会严重影响气膜内的压力，从而影响宏观的承载能力。
静压气浮轴承具有无摩擦、无污染、精度高、成本小等优点，在航空航天、电子信息、特种加工、精密机械等领域内有着广泛的应用，但传统气浮轴承的承载能力小、刚度低等缺点，限制了气体轴承的发展，特别是对于精密加工和检测设备，如精密机床、精密测量仪等，对刚度和稳定性有更高的要求。
由气体动力学可知，气流在由高压低速区域膨胀加速过程中，在亚音速阶段，随着流道面积减小，气流速度增大，气流在喉部达到音速后，进入超音速阶段后，随着流道面积增加，气流速度才能继续增大。因此在需要超音速流动时，内流道面积通常设计为收敛段-喉部-扩张段的“喇叭口”形状。
而对于传统静压气浮轴承来讲，其通常为小孔节流式气浮轴承，基本原理是轴承内气流通过节流孔流出，使得轴承与下平面间形成一层气膜，从而使得轴承悬浮起来，对于轴承承载而言，轴承承载力F是由气膜压力积分所形成的，其与流速V方向正交，即流速越大，压力越小，承载力也越小，传统气浮轴承由于内部节流孔流道构型呈现出一种“类喇叭口”的形状，因此在高供气压力时极易产生超音速流现象，从而影响轴承承载性能。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供V型节流式重载静压气浮轴承，在高供气压力条件下，没有扩张段流道的存在，保证气流速度无法继续增大，能够很好地实现降速增压的效果，从而能够实现轴承承载能力的明显提升。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：V型节流式重载静压气浮轴承，包括上端盖和下托板，所述上端盖和下托板之间设有密封圈，所述下托板靠近所述上端盖的一侧设有气腔，所述下托板的侧面设有与所述气腔连通的供气孔，所述下托板的下端设有与所述气腔连通的节流孔，所述节流孔竖直设置，所述节流孔包括上端的大径孔和下端的小径孔，所述小径孔为截面逐渐缩小的锥形结构。
进一步的，所述节流孔相对所述下托板的轴线均布设置为多个，所述节流孔可均布为多圈设置。
进一步的，所述小径孔的最小孔径为0.03mm～0.3mm。
进一步的，所述小径孔的锥度为60～90度。
进一步的，所述小径孔的锥度为70～80度。
进一步的，所述大径孔和小径孔同轴设置，所述大径孔和小径孔通过圆锥段连接，所述圆锥段的锥度为25～35度。
进一步的，所述大径孔的直径是所述小径孔最大孔径的2.8～3.6倍，所述大径孔的长度是所述小径孔长度的4～6倍。
进一步的，所述大径孔的上端设有导入孔，所述导入孔与所述大径孔同轴设置，所述导入孔的直径是所述大径孔直径的4～6倍，所述导入孔的深度小于所述大径孔的深度且大于大径孔深度的85％。
进一步的，所述下托板远离所述上端盖的一侧对应设置有下平板，气流经过节流孔排出后，在所述下平板与所述下托板之间形成气膜。
进一步的，V型节流式重载静压气浮轴承为平面止推轴承、弧形径向轴承或球形轴承。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明适用于平面、球面等各类气浮轴承，节流孔从上到下设置大径孔和小径孔，而且截面积逐渐缩小，避免了流道的突然扩张和变化，介质流出过程中，没有扩张段流道的存在，气流速度无法继续增大，气流能够很好地实现降速增压的效果，从而能够实现轴承承载能力的明显提升；
2、本发明可应用于航天微低重力模拟、超高精度测试转台、微电子装备、高精度机床等对气浮轴承提出高刚度以及高稳定性要求的设备中，具有良好的社会效应和经济价值；
3、小径孔的最小孔径为0.03mm～0.3mm；优选为0.15～0.2mm；更优选地，小径孔的锥度为60～90度，由于小径孔的直径非常小，以微米计算，锥度和孔径要匹配，小径孔的最小直径越小，则其锥度越大，为方便加工制造，通常会采用较大钻头先加工大径孔，最后加工小径孔，设置以上合理的比例参数，使得节流孔更加方便制造，降低成本，而且保证气流的稳定性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明V型节流式重载静压气浮轴承的结构示意图；
图2是本发明节流孔的剖视图；
图3是本发明小径孔的放大图。
附图标记：
1、上端盖；2、下托板；21、气腔；3、供气孔；4、节流孔；41、大径孔；42、小径孔；43、圆锥段；44、导入孔；5、密封圈；6、下平板；7、气膜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1～图3所示，V型节流式重载静压气浮轴承，包括上端盖1和下托板2，上端盖1和下托板2之间设有密封圈5，下托板2靠近上端盖1的一侧设有气腔21，下托板2的侧面设有与气腔21连通的供气孔3，下托板2的下端设有与气腔21连通的节流孔4，节流孔4竖直设置，节流孔4包括上端的大径孔41和下端的小径孔42，小径孔42为截面逐渐缩小的锥形结构。
优选地，节流孔4相对下托板2的轴线均布设置为多个，节流孔4可均布为多圈设置，根据承载需要，设计节流孔4数量与布局，即可满足实际使用需求，如果承载力需求较大，则需要设置较多的节流孔4，保证更多的气体流出，提升承载力，如果承载力较小，则设置较少的节流孔4即可，节流孔4的布置不需要对称或其他特殊设定要求。
优选地，小径孔42的最小孔径为0.03mm～0.3mm；优选为0.15～0.2mm；更优选地，小径孔42的锥度为60～90度，由于小径孔42的直径非常小，以微米计算，锥度和孔径要匹配，小径孔42的最小直径越小，则其锥度越大，为方便加工制造，通常会采用较大钻头先加工大径孔41，最后加工小径孔42，设置以上合理的比例参数，使得节流孔4更加方便制造，降低成本，而且保证气流的稳定性。
优选地，小径孔42的锥度为70～80度，在此锥度范围内，介质流出过程中，没有扩张段流道的存在，气流速度无法继续增大，气流能够很好地实现降速增压的效果，从而能够实现轴承承载能力的明显提升。
优选地，大径孔41和小径孔42同轴设置，大径孔41和小径孔42通过圆锥段43连接，圆锥段43的锥度为25～35度，设置一定的过渡，更有利于大径孔41和小径孔42之间的过渡和加工，圆锥段43的锥度太大，导致小径孔42结构布局不利于设置，圆锥段43锥度太小，过渡不够平缓，不利于气流稳定。
优选地，大径孔41的直径是小径孔42最大孔径的2.8～3.6倍，大径孔41的长度是小径孔42长度的4～6倍；更优选地，大径孔41的上端设有导入孔44，导入孔44与大径孔41同轴设置，导入孔44的直径是大径孔41直径的4～6倍，导入孔44的深度小于大径孔41的深度且大于大径孔41深度的85％，以上设置的参数，都更好的保证了流道逐渐缩小的过程，避免了流道的突然扩张和变化，更好的保证了气流速度的稳定，进一步保证了降速增加效果，提升承载能力。
优选地，下托板2远离上端盖1的一侧对应设置有下平板6，气流经过节流孔4排出后，在下平板6与下托板2之间形成气膜7，气膜7的存在即形成的气浮层，实现了气浮原理。
优选地，V型节流式重载静压气浮轴承为平面止推轴承、弧形径向轴承或球形轴承，适用范围广。
在实际使用的过程中，供气孔3与外部的供气装置进行连接，可以是氮气或者普通的气体，根据实际情况进行设定，通过供气孔3对气腔21进行供气，然后气体通过节流孔4喷出，在下托板2与下平板6之间形成气膜7，即气浮层，由于节流孔4从上到下依次设置导入孔44、大径孔41和小径孔42，而且截面积逐渐缩小，避免了流道的突然扩张和变化，介质流出过程中，没有扩张段流道的存在，气流速度无法继续增大，气流能够很好地实现降速增压的效果，从而能够实现轴承承载能力的明显提升。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：包括上端盖和下托板，所述上端盖和下托板之间设有密封圈，所述下托板靠近所述上端盖的一侧设有气腔，所述下托板的侧面设有与所述气腔连通的供气孔，所述下托板的下端设有与所述气腔连通的节流孔，所述节流孔竖直设置，所述节流孔包括上端的大径孔和下端的小径孔，所述小径孔为截面逐渐缩小的锥形结构。
2.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述节流孔相对所述下托板的轴线均布设置为多个，所述节流孔可均布为多圈设置。
3.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述小径孔的最小孔径为0.03mm～0.3mm。
4.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述小径孔的锥度为60～90度。
5.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述小径孔的锥度为70～80度。
6.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述大径孔和小径孔同轴设置，所述大径孔和小径孔通过圆锥段连接，所述圆锥段的锥度为25～35度。
7.根据权利要求1～6任一项所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述大径孔的直径是所述小径孔最大孔径的2.8～3.6倍，所述大径孔的长度是所述小径孔长度的4～6倍。
8.根据权利要求1～6任一项所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述大径孔的上端设有导入孔，所述导入孔与所述大径孔同轴设置，所述导入孔的直径是所述大径孔直径的4～6倍，所述导入孔的深度小于所述大径孔的深度且大于大径孔深度的85％。
9.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：所述下托板远离所述上端盖的一侧对应设置有下平板，气流经过节流孔排出后，在所述下平板与所述下托板之间形成气膜。
10.根据权利要求1所述的V型节流式重载静压气浮轴承，其特征在于：V型节流式重载静压气浮轴承为平面止推轴承、弧形径向轴承或球形轴承。
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