CN111577765A - 一种静压型径向气体轴承结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静压型径向气体轴承结构，其主要由固定轴承座、金属橡胶、轴瓦、轴瓦挡板等部件组成。所述固定轴承座为圆环设计，对轴瓦以及金属橡胶具有固定作用。固定轴承座内部设有环形高压气体腔，内表面沿轴向延伸防转沟槽，两端端面固定安装轴瓦挡板。所述轴瓦由碳石墨合金材料加工制作，外表面沿轴向设置防转沟槽，轴瓦两端端面设计环向沟槽，用于安装金属封严环。所述金属橡胶安装于轴承座与轴瓦之间，设计有与固定轴承座及轴瓦防转沟槽对应的限位凸起。轴瓦挡板安装于固定轴承座，其与轴瓦两端端面配合形成密封面，用于密封轴承高压供气。

Description

一种静压型径向气体轴承结构
技术领域
本发明属于气体轴承技术领域，涉及一种径向气体轴承，尤其涉及一种静压型径向气体轴承结构，通过其整体结构布局，可以有效提高气体轴承的支承刚度及阻尼，扩宽气体轴承的使用环境；通过采用金属橡胶进行支承，扩大了轴承的应用范围，轴承可以在高温、腐蚀环境下应用，金属橡胶采用具有不同物性参数的金属材料，不同的缠绕方式，经不同的压制力压制而成，可以有效调节轴承支承结构的刚度、阻尼特性，提高转子的运行稳定性。
背景技术
气体轴承具有“轻巧、干净、运转平滑”等优点，广泛应用于国防、能源、机床及医疗等行业，尤其是在高速旋转机械和超精密仪器技术领域具有明显的优越性。
气体轴承按压力产生的原理，可以分为静压型和动压型。静压型轴承是从外部输入高压气体，经节流器进入轴承，产生承载润滑效果。其优点为依靠外界压力气体来承压，摩擦系数小；缺点是需要一套供气系统，增加了设备的复杂性以及费用。
静压气体轴承通常采用橡胶“O”型圈进行支承，可以起到密封轴承高压供气，并提供部分支承阻尼的作用。其存在的主要问题为：橡胶“O”型圈采用有机橡胶制作而成，其在高温(>200℃)、腐蚀环境下工作时会产生老化失效，影响“O”型圈的材料特性，从而影响转子动力学稳定性，造成转子振动失稳，影响设备安全稳定。此外“O”型圈支承刚度、阻尼调节范围小，不能有效调节轴系的动力学特性。
发明内容
针对上述现有静压气体轴承的缺点和不足，本发明的目的是提供一种静压型径向气体轴承结构，通过其整体结构布局，可以有效提高气体轴承的支承刚度及阻尼，扩宽气体轴承的使用环境；通过采用金属橡胶进行支承，扩大了轴承的应用范围，轴承可以在高温、腐蚀环境下应用，金属橡胶采用具有不同物性参数的金属材料，不同的缠绕方式，经不同的压制力压制而成，可以有效调节轴承支承结构的刚度、阻尼特性，提高转子的运行稳定性。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种静压型径向气体轴承结构，至少包括固定轴承座、金属橡胶环、轴瓦和轴瓦挡板，所述轴瓦的径向内侧用以布置转轴，其特征在于，
所述金属橡胶环在径向上设置在所述固定轴承座和轴瓦之间，
所述固定轴承座、金属橡胶环、轴瓦的轴向长度相同，且轴向的两端相互对齐，所述固定轴承座轴向的两端面分别通过紧固件固定设置一轴瓦挡板，所述金属橡胶环及轴瓦轴向的两端分别顶抵在所述轴瓦挡板上，且所述轴瓦轴向的两端面与所述轴瓦挡板之间配合形成密封面，
所述固定轴承座内至少设置一沿轴向延伸的环形高压气体腔，所述固定轴承座的外壁上至少设置一与所述环形高压气体腔连通的高压空气管接头，所述高压空气管接头用于与外界高压气源连通，所述固定轴承座的内壁上均布有多个与所述环形高压气体腔连通的径向高压供气孔，
所述金属封严环的壁面上设有多个与所述径向高压供气孔一一对应的径向高压通气孔，
所述轴瓦的壁面上设有多个与所述高压通气孔一一对应的高压节流孔，每一所述高压节流孔均包括相互连通的一顶部导气段和一底部节流喷嘴段，所述顶部导气段沿径向延伸，所述底部节流喷嘴段的延伸方向偏离径向布置，使得其末端的节流孔喷嘴方向与所述轴瓦的内径表面呈径向相切，并与转轴的转动方向相反。
优选地，所述轴瓦轴向的两端面与所述轴瓦挡板之间设有金属封严环进行密封，进一步地，每一所述轴瓦的端面上均设有用以安装所述金属封严环的环向沟槽。
优选地，所述固定轴承座的内壁上沿轴向设有两排径向高压供气孔，每排径向高压供气孔均沿径向均匀布置，所述金属橡胶环上的径向高压通气孔、所述轴瓦上的高压节流孔与所述径向高压供气孔一一对应布置。
优选地，所述径向高压供气孔、高压通气孔以及所述高压节流孔的顶部导气段的内径至少基本相同。
优选地，每一所述高压节流孔中，其底部节流喷嘴段的内径远小于顶部导气段的内径，使得所述高压节流孔形成小孔节流结构。
优选地，所述轴瓦采用碳石墨合金材料加工制造，其内表面与转轴形成摩擦副，二者之间的配合间隙内形成高压承载气膜，以支承转轴旋转，进一步地，轴瓦内壁上设置有阵列布置的动压槽结构，以通过动静压混合的方式形成轴瓦与转轴之间的高压承载气膜。
优选地，所述固定轴承座的内表面以及所述轴瓦的外表面上均设有沿轴向延伸的防转沟槽，所述金属橡胶环的外壁及内壁上分别设有与所述防转沟槽对应配合的限位凸起。
优选地，根据转子系统对支承刚度、阻尼的要求，所述金属橡胶环可采用不同材料金属丝经缠绕、加压制作而成，且在压制过程中可通过调整压制力，调节金属橡胶的刚度以及阻尼。
本发明的静压型径向气体轴承结构中，固定轴承座对轴瓦以及金属橡胶具有固定作用；金属橡胶安装于固定轴承座内表面，其对轴瓦起径向支承作用；轴瓦采用碳石墨合金材料加工制造，采用纯静压或动静压混合结构，轴瓦内表面与转轴形成摩擦副，配合间隙内形成高压承载气膜，以支承转子旋转；轴瓦挡板安装于固定轴承座两端，采用紧固件预紧，与轴瓦两端端面配合形成密封平面。
本发明的静压型径向气体轴承结构中，固定轴承座为圆环结构，固定轴承座内部设计环形高压气体腔，形成环向贯通的空气流路，且内表面上设置有径向高压供气孔作为高压气体通道。固定轴承座外表面设计高压空气管接头，内表面沿轴向设计防转沟槽，两端端面设计连接孔，用于安装轴瓦挡板。
本发明的静压型径向气体轴承结构中，轴瓦上布置有纯静压或动静压混合结构：采用小孔节流，轴向双排节流孔方式，节流孔的位置尽量远离轴瓦的轴向对称中心，节流孔喷嘴方向与轴瓦内表面呈径向相切，与转子转动方向相反。轴瓦内表面根据需要设计动压槽结构，外表面沿轴向设计防转沟槽。
本发明的静压型径向气体轴承结构中，轴瓦两端端面设计环向沟槽，用于安装金属封严环。轴承安装完成后，轴瓦两端端面与轴瓦挡板端面相互配合形成密封面，实现对轴承高压供气的密封。
本发明的静压型径向气体轴承结构中，金属橡胶环安装于固定轴承座与轴瓦中间，根据轴系对支承刚度、阻尼的要求选取具有不同物性参数的金属材料经缠绕、加压制成，通过调整压制过程中的压制力大小可以调节金属橡胶环的特性。金属橡胶环沿轴向设计两排通孔，通孔与固定轴承座供气孔及轴瓦节流孔一一对应，实现供气。金属橡胶环沿轴向设计分别与固定轴承座以及轴瓦防转沟槽对应的限位凸起。轴承安装完成后，金属橡胶环限位凸起分别安装于固定轴承座及轴瓦的防转沟槽内。
同现有技术相比，本发明的静压型径向气体轴承结构，其有益效果：
1.根据本发明的静压型径向气体轴承，其采用金属橡胶进行支承，扩大了轴承的应用范围，轴承可以在高温、腐蚀环境下应用；
2.金属橡胶采用具有不同物性参数的金属材料，不同的缠绕方式，经不同的压制力压制而成，可以有效调节轴承支承结构的刚度、阻尼特性，提高转子的运行稳定性。
附图说明
图1为本发明的静压型径向气体轴承的外观结构示意图；
图2为本发明的静压型径向气体轴承的轴向剖视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为本发明中固定轴承座的结构示意图，其中，(A)为固定轴承座的整体结构示意图，(B)为固定轴承座的轴向剖视图；
图5为本发明中金属橡胶的结构示意图；
图6为本发明中轴瓦的结构示意图，其中，(A)为轴瓦的整体结构示意图，(B)为轴瓦的节流孔中心剖视图；
图7为设置在轴瓦内壁上的动压槽结构示意图；
图中：1-固定轴承座，2-金属橡胶，3-轴瓦，4-轴瓦挡板，5-金属封严环，6-紧固螺钉，7-转轴，11-环形高压气体腔，12-高压空气管接头，13-径向高压供气孔，14-紧固螺钉孔，15-防转沟槽，21-径向高压通气孔，22-限位凸起，23-限位凸起，31-环向沟槽，32-防转沟槽，33-高压节流孔，331-顶部导气段，332-底部节流喷嘴段。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图1～3所示，本发明的静压型径向气体轴承结构包括固定轴承座1、金属橡胶环2、轴瓦3、轴瓦挡板4、金属封严环5以及紧固螺钉6，轴瓦3的径向内侧用以布置转轴7。金属橡胶环2在径向上设置在固定轴承座1和轴瓦3之间，固定轴承座1、金属橡胶环2、轴瓦3的轴向长度相同，且轴向的两端相互对齐，固定轴承座1轴向的两端面分别设有紧固螺钉孔14并通过紧固件例如紧固螺钉6固定设置轴瓦挡板4，金属橡胶环2及轴瓦3轴向的两端分别顶抵在轴瓦挡板4上，且轴瓦3轴向的两端面与轴瓦挡板4之间配合形成密封面，具体地，轴瓦3轴向的两端面与轴瓦挡板4之间设有金属封严环5进行密封，金属封严环5设置在轴瓦3两端面上的环向沟槽31中。
如图4所示，固定轴承座1整体为圆环结构，其内部至少设置一沿轴向延伸的环形高压气体腔11，形成环向贯通的空气流路，固定轴承座1的外壁上至少设置一与环形高压气体腔11连通的高压空气管接头12，高压空气管接头12用于与外界高压气源连通，固定轴承座1的内表面上设置有与环形高压气体腔11连通的径向高压供气孔13作为高压气体流路，图4中固定轴承座1的内壁上沿轴向设有两排径向高压供气孔13，每排径向高压供气孔均沿径向均匀布置。此外，固定轴承座1两端端面设计有紧固螺钉孔14，用于通过紧固件例如紧固螺钉6安装轴瓦挡板4，固定轴承座1的内表面设有沿轴向延伸的防转沟槽15，起到防止金属橡胶环2周向旋转的作用。
如图5所示，金属橡胶环2的壁面上沿轴向设计两排径向高压通气孔21，径向高压通气孔21与固定轴承座1上的高压供气孔13一一对应。此外，金属橡胶环2的内外壁面上均设有沿轴向延伸的限位凸起22、23，其中，设置在外壁上的限位凸起22与固定轴承座1上的防转沟槽15相互配合，设置在内壁上的限位凸起23与轴瓦3上的防转沟槽32相互配合。轴承安装完成后，金属橡胶环2的限位凸起分别安装于固定轴承座1以及轴瓦3的防转沟槽内。
如图6所示，轴瓦3优选采用碳石墨合金材料加工制作，轴瓦的壁面上设有多个与金属橡胶环2上的高压通气孔21一一对应的高压节流孔33，每一高压节流孔33均包括相互连通的一顶部导气段331和一底部节流喷嘴段332，顶部导气段331沿径向延伸，底部节流喷嘴段332的延伸方向偏离径向布置，使得其末端的节流孔喷嘴方向与轴瓦3的内径表面呈径向相切，并与转轴7的转动方向相反。本发明中，轴瓦3可采用纯静压或动静压混合结构：通过采用小孔节流，轴向设置双排高压节流孔33，高压节流孔33的位置尽量远离轴瓦3的轴向对称中心，节流孔喷嘴方向与轴瓦3内表面呈径向相切，与转轴7的转动方向相反；轴瓦3的内径表面上根据工作需要可以选择是否加工动压槽，典型动压槽结构如图7所示。此外，如图6所示，轴瓦3两端端面均设有环向沟槽31，用于安装金属封严环5。轴承安装完成后，轴瓦3两端端面与轴瓦挡板4端面相互配合形成密封面，实现对轴承高压供气的密封。如图6所示，轴瓦3外表面沿轴向延伸的防转沟槽32，用于防止轴瓦3发生周向偏转。根据这种结构，金属橡胶环2安装于固定轴承座1与轴瓦3中间，金属橡胶环2的内壁紧贴轴瓦3的外壁，外壁紧贴固定轴承座1内壁。金属橡胶环2根据转子轴系对支承刚度、阻尼的要求可选取具有不同物性参数的金属材料经缠绕、加压制成，可以有效调节轴承支承结构的刚度、阻尼特性，提高转子的运行稳定性。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。上例为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改及变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种静压型径向气体轴承结构，至少包括固定轴承座、金属橡胶环、轴瓦和轴瓦挡板，所述轴瓦的径向内侧用以布置转轴，其特征在于，
所述金属橡胶环在径向上设置在所述固定轴承座和轴瓦之间，
所述固定轴承座、金属橡胶环、轴瓦的轴向长度相同，且轴向的两端相互对齐，所述固定轴承座轴向的两端面分别通过紧固件固定设置一轴瓦挡板，所述金属橡胶环及轴瓦轴向的两端分别顶抵在所述轴瓦挡板上，且所述轴瓦轴向的两端面与所述轴瓦挡板之间配合形成密封面，
所述固定轴承座内至少设置一沿轴向延伸的环形高压气体腔，所述固定轴承座的外壁上至少设置一与所述环形高压气体腔连通的高压空气管接头，所述高压空气管接头用于与外界高压气源连通，所述固定轴承座的内壁上均布有多个与所述环形高压气体腔连通的径向高压供气孔，
所述金属封严环的壁面上设有多个与所述径向高压供气孔一一对应的径向高压通气孔，
所述轴瓦的壁面上设有多个与所述高压通气孔一一对应的高压节流孔，每一所述高压节流孔均包括相互连通的一顶部导气段和一底部节流喷嘴段，所述顶部导气段沿径向延伸，所述底部节流喷嘴段的延伸方向偏离径向布置，使得其末端的节流孔喷嘴方向与所述轴瓦的内径表面呈径向相切，并与转轴的转动方向相反。
2.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，所述轴瓦轴向的两端面与所述轴瓦挡板之间设有金属封严环进行密封，进一步地，每一所述轴瓦的端面上均设有用以安装所述金属封严环的环向沟槽。
3.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，所述固定轴承座的内壁上沿轴向设有两排径向高压供气孔，每排径向高压供气孔均沿径向均匀布置，所述金属橡胶环上的径向高压通气孔、所述轴瓦上的高压节流孔与所述径向高压供气孔一一对应布置。
4.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，所述径向高压供气孔、高压通气孔以及所述高压节流孔的顶部导气段的内径至少基本相同。
5.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，每一所述高压节流孔中，其底部节流喷嘴段的内径远小于顶部导气段的内径，使得所述高压节流孔形成小孔节流结构。
6.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，所述轴瓦采用碳石墨合金材料加工制造，其内表面与转轴形成摩擦副，二者之间的配合间隙内形成高压承载气膜，以支承转轴旋转，进一步地，轴瓦内壁上设置有阵列布置的动压槽结构，以通过动静压混合的方式形成轴瓦与转轴之间的高压承载气膜。
7.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，所述固定轴承座的内表面以及所述轴瓦的外表面上均设有沿轴向延伸的防转沟槽，所述金属橡胶环的外壁及内壁上分别设有与所述防转沟槽对应配合的限位凸起。
8.根据上述权利要求所述的静压型径向气体轴承结构，其特征在于，根据转子系统对支承刚度、阻尼的要求，所述金属橡胶环可采用不同材料金属丝经缠绕、加压制作而成，且在压制过程中可通过调整压制力，调节金属橡胶的刚度以及阻尼。
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