CN111486169A - 用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体。主轴上端和滑环轴下端同轴固接，滑环轴上端套装有滑环；主轴中部装有磁流体密封结构和密封法兰；磁流体密封结构包括轴承盖、深沟球轴承、壳体和O型圈；密封法兰在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封，油封上侧设有孔用弹性挡圈，密封法兰环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈；主轴下端经胀紧套和连接法兰同轴固接。本发明解决了高转速、高载荷、真空环境下下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴脱离的关键难题，能满足不同转速工况环境，适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境，能实现载荷在自身重力作用下自动调平功能。

Description

用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体

技术领域

本发明涉及主轴和轴承技术领域的一种离心超重力用主轴，尤其涉及一种用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体。

背景技术

利用超重力加快多相介质相间相对运动效应以及超重力模拟常重力过程的缩尺效应、缩时效应和强化能量效应，在超重力离心机上搭载振动台、高压釜、熔铸炉、高压高温腔等机载实验装置，揭示其中的新现象和新规律。为此，深地、地质、材料等领域研究工作者，为了利用超重力离心模拟实验装置完成科学实验，需要在超重力离心模拟实验装置上安装一些特定的实验装置或仪器，如高温高压装置、熔铸炉、材料力学性能测试装置等。但由于超重力离心模拟实验装置工作时，处于高速旋转状态，为了确保特定的实验装置或仪器在离心机上安全运行，离心超重力装置的主轴就非常关键。

为了在高转速下实现超大载荷的超重力实验，现有下驱式主轴复合体只能通过提高真空度，减少风阻，但由于该主轴复合体的扭矩输出在主轴上面，给超大载荷主轴动平衡调平带来困难，尤其当转速接近系统共振点时，“头重脚轻”结构非常危险，一旦发生意外，无法采用有效措施保护主轴免受破坏。

发明内容

为了解决针对转速大于5万转/min、载荷超过500kg、10^-2Pa环境下17a驱式主轴复合体无法实现自动调平和发生意外时载荷与主轴不能自动脱离的关键难题，本发明提供了一种装配简单、使用方便、安全系数高的上驱式主轴复合体，结构简单，方便安装和零件更换，高速工作时安全可靠。

本发明采用如下技术方案：

本发明包括滑环、滑环轴、主轴、小带轮、磁流体密封结构、密封法兰、连接法兰和胀紧套。

主轴上端和滑环轴下端同轴固接，滑环轴上端套装有滑环；主轴中部从上到下依次套装有磁流体密封结构和密封法兰；磁流体密封结构包括轴承盖、深沟球轴承、壳体和O型圈；壳体套装在主轴外，壳体和主轴中部之间具有径向间隙形成游动腔游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承，使得壳体和主轴之间通过深沟球轴承转动连接，游动腔上端口处的壳体开口并安装有轴承盖，轴承盖套装于主轴外并轴向对深沟球轴承限位；壳体在下端处的壳体封闭形成封闭端，壳体下端封闭端和主轴之间密封连接；壳体的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔，螺栓穿过连接孔连接到离心超重力装置的实验腔顶板，从而将壳体的下端部固定连接到离心超重力实验腔的顶板，且壳体的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈，通过O型圈使得壳体的下端面和实验腔的顶板顶面密封配合。

密封法兰在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封，油封上侧设有孔用弹性挡圈，孔用弹性挡圈嵌装在密封法兰环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈，通过密封圈使得密封法兰顶面和离心超重力实验腔的顶板底面密封配合；主轴下端经胀紧套和连接法兰同轴固接，连接法兰下端连接离心超重力装置的转子系统。

所述的磁流体密封结构上方的主轴局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，小带轮通过内外圆锥面同轴套装于主轴的轴环部上。

所述的油封选用SKF的氟橡胶油封。

本发明能满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性，适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境，能实现载荷在自身重力作用下自动调平功能；在高转速时，解决了高转速、高载荷、真空环境下下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴脱离的关键难题。

本发明主要适用于转速大于5万转/min高速旋转工况环境，能够搭载重量超过500kg的载荷，同时具备在10^-2Pa高真空环境下使用的可行性，具有在低转速下通过载荷自重自动调平的能力，也具备在发生意外时载荷自动与主轴脱离的功能，结构模块化设计，安装和拆卸方便，具有很强的适应性和拓展性。

本发明采用的技术方案：

本发明的磁流体密封结构、密封法兰和油封组成主轴复合体的密封和润滑系统，通过密封法兰和油封实现一次密封，当他们的密封效果无法满足10^-2Pa高真空要求时，磁流体密封结构可以实现二次密封，解决高速旋转状态下现有主轴无法同时满足过载保护、高真空等特殊要求的关键难题，使该发明的主轴复合体可以适应真空、非真空、动密封等多种工况条件，具有应用范围广的特点。如果主轴复合体在非真空条件下工作，可以去掉磁流体密封结构。

本发明中，连接法兰、胀紧套与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，这种结构使连接法兰、胀紧套直接与载荷连接，在载荷自身重力作用下，以主轴为轴心可以自动找平衡；安装好载荷后，通过低转速调试转子系统和主轴系统的动平衡；由于连接法兰为自由端，在高转速情况下，通过转子系统和主轴末端的自由晃动，避免形成过静定结构，从而在高转速情况下再次达到动平衡，有利于上驱式主轴复合体在高转速、超大载荷下长时间安全运行。

本发明中，连接法兰、胀紧套与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，这种结构使连接法兰、胀紧套直接与载荷连接。高速试验过程中，一旦载荷在离心作用下发生破坏或意外，与主轴连接的胀紧套，如果瞬间受力超过设计要求，胀紧套的内外套内涨外缩，减少主轴和胀紧套51包容面产生的摩擦力，通过主轴和胀紧套异速旋转，保护主轴。当转子系统的重量大于胀紧套51包容面产生的摩擦力时，转子系统在重力作用下自动与主轴脱落，直接掉到实验舱底部；主轴复合体空载后，在自身重力作用下，再次自动找回平衡，免受破坏。这种结构安装和拆卸方便。在主轴过载或意外发生时，通过胀紧套自动失去与离心超重力装置传动系统的联结，使主轴复合体免受损坏。

本发明的小带轮与离心超重力装置的传动系统相连，可根据需要通过调整小带轮传动比满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。

本发明的有益效果和特点是：

本发明的上驱式主轴复合体，采用磁流体密封结构和密封法兰分体密封结构，有利于根据实验所需的真空要求，灵活地进行非真空、低真空、高真空功能扩展和/或功能组合，有利于在高转速下满足各种真空要求。

本发明的上驱式主轴复合体，通过搭载高速滑环，可以实时在线检测、跟踪实验过程中的各种信号。

本发明的上驱式主轴复合体，主轴下端经胀紧套和连接法兰同轴固接，解决了高转速、高载荷、真空环境下下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴脱离的关键难题，能满足不同转速工况环境，适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境，能实现载荷在自身重力作用下自动调平功能。

本发明的上驱式主轴复合体具有安装和拆卸方便，在主轴过载或意外发生时，通过自动失联，使主轴复合体免受损坏；可通过调整小带轮传动比，满足不同转速工况环境；能适应不同转速下搭载不同重量的机载装置。

本发明的上驱式主轴复合体适应转速大于5万转/min、载荷超过500kg工况下真空、非真空、动密封等多种工况条件，具有应用范围广的特点，解决17a下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴59脱离的关键难题。

附图说明

图1是上驱式主轴复合体的结构剖视图；

图2是主轴的结构图；

图3是滑环轴和主轴的局部连接结构图；

图4是磁流体密封结构的结构剖视图；

图5是密封法兰的结构剖视图；

图6是小带轮的结构剖视图。

图中的附图标记如下：滑环51、滑环轴52、主轴59、小带轮510、磁流体密封结构511、密封法兰513、连接法兰515、胀紧套516；511-2轴承盖；511-3深沟球轴承；511-4壳体；511-5游动腔；511-6连接孔；511-7O型圈；513-1油封；513-2孔用弹性挡圈；513-3密封圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施包括滑环51、滑环轴52、主轴59、小带轮510、磁流体密封结构511、密封法兰513、连接法兰515和胀紧套516；如图3所示，主轴59上端和滑环轴52下端同轴固接，滑环轴52上端套装有滑环51；滑环51是实现离心超重力装置机载装置与地面供电、控制系统、冷却系统之间供电、通讯和供气。滑环51的内圈转子紧固套在滑环轴52上，滑环51的内圈转子随主轴59一起旋转，可根据需要方便更换滑环51；滑环51的外圈转子固定在实验腔的内顶面。

如图1所示，主轴59中部从上到下依次套装有磁流体密封结构511和密封法兰513。

如图4所示，磁流体密封结构511包括轴承盖511-2、深沟球轴承511-3、壳体511-4和O型圈511-7；壳体511-4套装在主轴59外，壳体511-4和主轴59中部之间具有径向间隙形成游动腔511-5，轴承座511密封固定于离心超重力实验腔的顶板中心通孔孔端面，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承511-3，使得壳体511-4和主轴59之间通过深沟球轴承511-3转动连接，游动腔511-5上端口处的壳体511-4开口并安装有轴承盖511-2，轴承盖511-2套装于主轴59外并轴向对深沟球轴承511-3限位；壳体511-4在下端处的壳体511-4封闭形成封闭端，壳体511-4下端封闭端和主轴59之间密封连接；

壳体511-4的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔511-6，螺栓穿过连接孔511-6连接到离心超重力装置的实验腔顶板，从而将壳体511-4的下端部固定连接到离心超重力实验腔的顶板，从而磁流体密封结构511通过连接孔511-6固定在离心超重力装置。且壳体511-4的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈511-7，通过O型圈511-7使得壳体511-4的下端面和实验腔的顶板顶面密封配合；

磁流体密封结构511和主轴59和小带轮510组成固定-游动支承结构，这种固定-游动支承结构设计可以补偿主轴59因热变形及制造安装误差所引起的长度变化。

主轴59为复合体传递扭矩，是主轴复合体的重要零件，可根据传递转矩，选择不同的材料类型，但该材料务必需要具备较强的强度和韧性。

磁流体密封结构511为主轴59提供高水平动密封，用于产生磁流体密封的磁铁及磁靴环放置在游动腔511-5里面。磁流体密封结构511通过安装孔511-1与主轴59相连，主轴59与磁流体密封结构511之间采用一对角接触球轴承511-3连接；角接触球轴承511-3采用背对背排列，支点间跨距较大，悬臂长度较小，悬臂端支承刚度较大。

如图5所示，密封法兰513在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封513-1，油封513-1上侧设有孔用弹性挡圈513-2，孔用弹性挡圈513-2嵌装在密封法兰513环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰513顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈513-3，通过密封圈513-3使得密封法兰513顶面和离心超重力实验腔的顶板底面密封配合；密封法兰513提供主轴复合体与离心超重力装置真空实验腔之间的静密封。密封法兰513套装安装在主轴59上，给密封法兰513提供静密封的密封圈513-3安装在凹槽513-2里面，密封法兰513通过螺栓安装在心超重力装置真空实验腔内顶部。密封圈513-3为密封法兰513提供密封，以隔绝外部大气压与内部真空腔室，密封性能好，寿命长，结构紧凑，装拆方便。

主轴59下端经胀紧套516和连接法兰515同轴固接，连接法兰515下端连接离心超重力装置的转子系统。主轴59高速旋转时，连接法兰515固定不动，胀紧套516随主轴59一起旋转。胀紧套516使零件制造和安装简单，由于胀紧套516依赖摩擦传动，无需在主轴59上开槽，避免开槽对主轴59强度的影响。胀紧套516拆卸方便，具有良好的互换性。

根据主轴59传递的扭矩和负荷，胀紧套516选择原则为：传递扭距：M_t≥a×M；承受轴向力：F_t≥a×F_x；传递力：F_t≥a×(F_x ²+(M×d×10^-3/2)²)^0.5；承受径向力：P_t≥a×F_r×10³/d/l，式中：a：安全系数；M：需传递的扭矩，kN·m；Fx：需承受的轴向力，kN；Ft：需承受径向力，kN；Mt：胀套的额定扭矩，kN·m；Ft：胀套的额定轴向力；kN；d、l：胀套的内径和内环宽度，mm；Pt：胀套与轴结合面上的压力，N/mm²。

如图2和图6所示，磁流体密封结构511上方的主轴59局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮510的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，即均为上端小下端大的圆锥面，小带轮510通过内外圆锥面同轴套装于主轴59的轴环部上。

小带轮510为主轴复合体输入扭矩。小带轮510与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，小带轮510通过安装孔与主轴59相连，把旋转扭矩传递到主轴59。根据需要，通过调整小带轮传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮510与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。

油封513-1选用SKF的氟橡胶油封，适合耐高温、极限转速高的工况环境，为主轴复合体提供二次动密封。

根据本发明上述结构，在扭矩输出结构中，通过连接法兰515和胀紧套516设计，利用胀紧套516摩擦传动的特点，无需在主轴59表面上开槽，避免开槽对主轴59强度的影响，同时主轴59过载时，胀紧套516通过内外套内涨外缩，减少主轴59和胀紧套516包容面产生的摩擦力，借助主轴59和胀紧套516异速旋转，实现对主轴59的过载保护；根据载荷、转速，灵活调整小带轮510传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮510与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏；采用磁流体密封结构511，防止高真空环境下润滑油挥发，使本发明适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境；采用扭矩输入结构上置，扭矩输出结构下置，可以在相同扭矩情况下，增加主轴59的载荷，且能实现载荷在自身重力作用下自动调平功能；在高转速时，载荷失稳或出现意外，载荷在重力和离心力作用下通过胀紧套516自动与主轴59脱落，从而解决了转速大于5万转/min、载荷超过500kg、10^-2Pa环境下17a下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴59脱离的关键难题。结构简单，方便安装更换，高速工作安全可靠。

本发明的具体实施工作过程如下：

第一步：根据主轴传递的扭矩和载荷确定安全系数a，然后根据胀紧套516选择原则确定胀紧套516的型号和关键参数。

第二步：真空度要求，确定是否需要磁流体密封结构511；如果转速小于5万转，常温条件下，可以不用磁流体密封结构511；如果大于5万转，实验温度超过1000℃，必须采用磁流体密封结构511。

第三步：上驱式主轴复合体装配：

第四步：检查上驱式主轴复合体，并进行动平衡测试。

第五步：将组装好的上驱式主轴复合体与离心超重力装置连接，并再次进行动平衡调试。

Claims (3)

1.一种用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体，其特征在于：包括滑环(51)、滑环轴(52)、主轴(59)、小带轮(510)、磁流体密封结构(511)、密封法兰(513)、连接法兰(515)和胀紧套(516)；

主轴(59)上端和滑环轴(52)下端同轴固接，滑环轴(52)上端套装有滑环(51)；主轴(59)中部从上到下依次套装有磁流体密封结构(511)和密封法兰(513)；磁流体密封结构(511)包括轴承盖(511-2)、深沟球轴承(511-3)、壳体(511-4)和O型圈(511-7)；壳体(511-4)套装在主轴(59)外，壳体(511-4)和主轴(59)中部之间具有径向间隙形成游动腔(511-5)游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承(511-3)，使得壳体(511-4)和主轴(59)之间通过深沟球轴承(511-3)转动连接，游动腔(511-5)上端口处的壳体(511-4)开口并安装有轴承盖(511-2)，轴承盖(511-2)套装于主轴(59)外并轴向对深沟球轴承(511-3)限位；壳体(511-4)在下端处的壳体(511-4)封闭形成封闭端，壳体(511-4)下端封闭端和主轴(59)之间密封连接；壳体(511-4)的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔(511-6)，螺栓穿过连接孔(511-6)连接到离心超重力装置的实验腔顶板，从而将壳体(511-4)的下端部固定连接到离心超重力实验腔的顶板，且壳体(511-4)的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈(511-7)，通过O型圈(511-7)使得壳体(511-4)的下端面和实验腔的顶板顶面密封配合；

密封法兰(513)在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封(513-1)，油封(513-1)上侧设有孔用弹性挡圈(513-2)，孔用弹性挡圈(513-2)嵌装在密封法兰(513)环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰(513)顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈(513-3)，通过密封圈(513-3)使得密封法兰(513)顶面和离心超重力实验腔的顶板底面密封配合；主轴(59)下端经胀紧套(516)和连接法兰(515)同轴固接，连接法兰(515)下端连接离心超重力装置的转子系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体，其特征在于：所述的磁流体密封结构(511)上方的主轴(59)局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮(510)的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，小带轮(510)通过内外圆锥面同轴套装于主轴(59)的轴环部上。

3.根据权利要求1所述的一种用于离心超重力装置的上驱式主轴复合体，其特征在于：所述的油封(513-1)选用SKF的氟橡胶油封。

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