CN113124057B - 基于多环带排气的静压气浮止推轴承 - Google Patents

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Abstract

基于多环带排气的静压气浮止推轴承属于气体轴承与气体润滑技术领域。该装置通过在气膜入口小孔节流与在排气入口多孔质节流复合式流量控制结构，在保证气体流量不受损失的同时，起到了均化压力的效果，提高了轴承的刚度。该装置中的节流器采用小孔节流，其扩散流动采用了三种不同的方式引导，分别是一级均压、二级均压和多孔质环压力控制，这种可调的复合式扩散流动可提高轴承的承载与刚度。该装置中的多环带排气结构，使远离自然压力边界的气膜具有稳定的可调的压力边界，使静压气体止推轴承具有更好的自适应性，能够适应多种供气条件及变化的负载，兼顾了静压气体轴承的承载、刚度以及稳定性，实现了一轴多用的目的。

Description

基于多环带排气的静压气浮止推轴承
技术领域
本发明涉及一种气浮止推轴承，特别涉及一种基于多环带排气的静压气浮止推轴承。
背景技术
静压气浮轴承因其长寿命、高精度、低功耗、阻尼特性好、速度范围宽和便于加工等显著优点,在精密及超精密工程、微细工程、空间技术、航空航天医疗器械以及核能工程等领域有着重要应用。为此,众多学者对其进行了不辍研究,以期实现轴承性能的优化与提高。
专利CN200810209792.8“一种多孔质气体静压止推轴承”、专利CN201110070094.6“双柱面多孔质气体静压电主轴”、CN201410635802.X“一种带均压环槽的双半球多孔质空气静压轴系”中均描述了以多孔质为材料的零件或结构单元，但没有给出能够实现高稳定性的轴承结构，且没有解决多孔质材料本身易于堵塞的问题。而本发明详细描述了一种多孔质环带排气型静压气浮止推轴承，并将多孔质材料应用于限流和排气，避免了多孔质材料本身易于堵塞导致节流性能下降的问题。
专利CN201810238115.2“一种带有多孔介质垫片的磁气双悬浮径向轴承”、专利CN201810258343.6“一种带有多孔介质的磁气双悬浮轴向轴承、CN201810890722.7“一种带有多孔介质的磁气双悬浮分断式锥形轴承”中均描述了以多孔质为材料与磁悬浮技术结合的功能性能轴承，但没有给出同时实现轴、径双向支撑导向功能。而本发明详细描述了一种多孔质环带排气型静压气浮止推轴承，采用小孔节流与多孔质限流相结合的思路，发明了一种同时具有轴向和径向气浮支撑的止推轴承结构。
专利CN201810910337.4“一种真空吸附型多孔质气体静压止推轴承”、专利CN201811259257.3“一种小孔-多孔质节流组合式气浮主轴、CN201910501896.4“多孔气体轴承”中均描述了小孔节流与多孔质材料相结合的轴承结构，但多孔质的功能为进气、小孔为排气，因此仍然存在易堵塞问题。而本发明详细描述了一种小孔节流器为进气、多孔质环带为排气功能的轴径双向气浮推轴承结构，从原理上避免了多孔质材料本身易于堵塞导致轴承性能下降的问题。
现有的技术均没有使用出口压力边界可控的思想和方法，特别是在轴向支承气膜与径向支承气膜交汇处不能产生稳定的气压，容易诱发气锤震动，造成轴承失稳。本发明通过采用多孔质材料以及多种节流形式的复合，实现出口压力边界的控制，能够将交汇处的冗余气体排出，与此同时可将轴向节流器的入口压力适当提高以达到新的平衡，在这种平衡状态下气膜的间的平均压强更高，经过压力均化效应，能够获得更高的承载和刚度以及更好的稳定性。通过流量控制装置来调节冗余气体排出的速率，使轴承可以适应多种供气条件及变化的负载。达到了兼顾静压气体轴承的承载、刚度以及稳定性的目的。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的由于多孔质材料易堵影响轴承性能的问题以及由于出口压力不可控造成的承载与稳定性难以兼顾的问题，提出一种基于多环带排气的静压气浮止推轴承。通过气膜入口小孔节流与排气入口多孔质节流相结合的流量控制结构，在多孔质材料由于堵塞造成的孔隙度降低的情况下，仍能保证气体流量不受损失，起到了均化压力的效果，提高了轴承的刚度。该装置中的节流器采用小孔节流，其扩散流动采用了三种不同的方式引导，分别是一级均压、二级均压和多孔质环压力控制，同周节流器之间用一级均压槽连通，同相位节流器之间用二级均压槽连通，多孔质环通过排气管道、连通道和导气管与流量控制装置连通并控制其附近气膜的压力及流量边界，这种可调的复合式扩散流动可提高轴承的承载与刚度。该装置中的多环带排气结构，使远离自然压力边界的气膜具有稳定的可调的压力边界，使静压气体止推轴承具有更好的自适应性，能够适应多种供气条件及变化的负载，兼顾了静压气体轴承的承载、刚度以及稳定性。
上述目的通过以下的技术方案实现：
一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，包括气浮套、气浮轴、导气管和流量控制装置，所述的气浮套包括基座和多孔质环，多孔质环沿圆周均匀镶嵌在圆环型的基座上，多孔质环上开设有气腔，气腔与排气管道连通，相邻的排气管道之间通过外圈连通道和内圈连通道连通，再经由导气管与流量控制装置连通；所述的基座上沿圆周均匀分布有外圈节流器、控压节流器和内圈节流器，且外圈节流器、控压节流器和内圈节流器的分布圆半径依次减小；所述的压节流器与多孔质环的数目相等，且两者同心布置；所述的外圈节流器之间通过外圈一级均压槽相互贯通，内圈节流器之间通过内圈一级均压槽相互贯通，且每个外圈节流器与其同相位的内圈节流器之间通过二级均压槽连通；所述的外圈节流器、控压节流器和内圈节流器三种节流器的内部结构相同，包括浅腔、喷嘴和进气管。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，其所述的多孔质环开设有气腔，气腔位于多孔质环与气浮套之间；所述的气腔可采用连续式气腔、分隔式气腔或者沟道连通的分隔式气腔。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，其所述的外圈节流器和内圈节流器的周围不设置多孔质环，控压节流器的周围设置多孔质环。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，其所述的外圈节流器、控压节流器以及内圈节流器的圈数之和应大于等于3。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，其所述的外圈一级均压槽与内圈一级均压槽的槽截面相同，他们的槽截面的宽度大于二级均压槽的槽截面的宽度，他们的槽截面的深度小于二级均压槽的槽截面的深度。
多环带排气型复合式静压气体止推轴承工作时，由外圈节流器和内圈节流器的进气管输送高压气体，气体通过喷嘴进入轴承间隙会产生气膜，这种喷嘴可近似为拉伐尔喷管，在喷嘴附近的轴承间隙中气体进行超音速流动，以小孔节流的方式将喷出气体的压力均化在喷嘴附近的气膜内，使气膜具有一定的承载和刚度。由喷嘴进入轴承间隙的气体会迅速进入浅腔，进行再一次压力均化，由于浅腔的深度大于平均气膜厚度和气体本身具有的可压缩性，浅腔内的气体更容易被压缩因此能够提高气膜的承载和刚度。为了在气体轴承的承载和刚度优化中对气膜内气体运动模型的建立更加准确、计算更加方便，我们通常会对止推轴承气膜内的气体进行径向均匀流动假设或者压力沿径向线性分布来进行近似计算，但实际上气体进入气膜后首先是会有扩散效应的。为了使计算模型更加接近实际，多环带排气型复合式静压气体止推轴承中采用内圈一级均压槽使相邻的内圈节流器相互连通、采用外圈一级均压槽使相邻的外圈节流器相互连通，当气体从浅腔流出时引导其先进行周向流动，再进行径向流动，不仅实现了气膜压力沿周向的均化，又使气体进行径向均匀流动的假设更贴切实际模型。每个外圈节流器与其同相位的内圈节流器之间通过二级均压槽连通，实际上是将两个环型的高压气膜相连，起到减少高压区的面积，实现压力均化的目的。经过多次节流的气体形成的气膜在多次压力均化后，靠近自然边界的气体从自然边界排出，远离自然边界的气体，则通过多孔质环等一系列的排气装置排出轴承之外。远离自然边界的气体会通过多孔质环进入气腔，再通过排气管道进入流量控制装置，通过流量控制装置的调节作用排出轴承之外。由于远离自然边界的气体所在的气膜仍是提供轴承的承载和刚度的主要部分，不能使气体流失过快，故不能直接与环境压力向连需采用流量控制装置来降低气体排出的速度，否则将会影响该部分以及周边气膜的承载和刚度，采用多孔质节流配合流量控制装置的调节作用可使远离自然边界的气膜具有稳定的可调的压力边界，兼顾了静压气体轴承的承载、刚度以及稳定性。
本发明采用上述结构，具有以下特点及有益效果：
1、本发明方法与装置通过气膜入口小孔节流与排气入口多孔质节流复合式流量控制结构，在保证气体流量不受损失的同时，起到了均化压力的效果，提高了轴承的刚度。
2、本发明方法与装置中的节流器采用小孔节流，其扩散流动采用了三种不同的方式引导，分别是一级均压、二级均压和多孔质环压力控制，同周节流器之间用一级均压槽连通，同相位节流器之间用二级均压槽连通，多孔质环通过排气管道、连通道和导气管与流量控制装置连通并控制其附近气膜的压力及流量边界，这种可调的复合式扩散流动可提高轴承的承载与刚度。
3、本发明方法与装置中的多环带排气结构，使远离自然压力边界的气膜具有稳定的可调的压力边界，使静压气体止推轴承具有更好的自适应性，能够适应多种供气条件及变化的负载，兼顾了静压气体轴承的承载、刚度以及稳定性。
附图说明
图1为一种基于多环带排气的静压气浮止推轴承的总装配图；
图2为气浮套的部件图；
图3为气浮套部件的局部放大图；
图4为气浮套部件的局部放大图的全剖图；
图5为气浮套沿C-C的局剖图；
图6为气浮套沿D-D的局剖图；
图7为多孔质环零件图；
图8为带有连续式气腔的多孔质环零件的俯视图；
图9为带有分隔式气腔的多孔质环零件的俯视图；
图10为带有沟道连通的分隔式气腔的多孔质环零件的俯视图；
图中：1、气浮套；2、气浮轴；3、导气管；4、流量控制装置；5、基座；6、多孔质环；7、外圈节流器；8、内圈节流器；9、控压节流器；10、外圈一级均压槽；11、内圈一级均压槽；12、二级均压槽；13、排气管道；14、外圈连通道；15、内圈连通道；16、浅腔；17、喷嘴；18、进气管；19、气腔；20、连续式气腔；21、分隔式气腔；21、沟道连通的分隔式气腔。
具体实施方式
为使本发明的技术手段、创作特征、达成目标与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1，本发明的多环带排气型复合式静压气体止推轴承，包括气浮套1、气浮轴2、导气管3和流量控制装置4。
参照图2，所述的气浮套1包括基座5和多孔质环6，多孔质环6沿圆周均匀镶嵌在圆环型的基座5上，所述的基座上沿圆周均匀分布有外圈节流器、控压节流器和内圈节流器，且外圈节流器、控压节流器和内圈节流器的分布圆半径依次减小，所述的压节流器与多孔质环的数目相等，且两者同心布置。
参照图3，所述的外圈节流器7之间通过外圈一级均压槽10相互贯通，内圈节流器8之间通过内圈一级均压槽11相互贯通，且每个外圈节流器7与其周向同相位的内圈节流器8之间通过二级均压槽12连通。
参照图4、5，所述的多孔质环6上开设有气腔19，气腔19与排气管道13连通，相邻的排气管道13之间通过外圈连通道14和内圈连通道15连通，再经由导气管3与流量控制装置4连通。
参照图5、6，所述的三种节流器的结构相同，包括浅腔16、喷嘴17和进气管18。
参照图5、7，所述的多孔质环6开设有气腔19，位于多孔质环6与气浮套1之间。
参照图8-10，所述的气腔19可采用连续式气腔20、分隔式气腔21或者沟道连通的分隔式气腔22。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，其所述的外圈节流器7和内圈节流器8的周围不设置多孔质环6，控压节流器9的周围设置多孔质环6。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，为了使多孔质环6的作用更加明显，外圈节流器7，控压节流器9和内圈节流器8的圈数之和应大于等于3。
上述的一种多环带排气型复合式静压气体止推轴承，其所述的外圈一级均压槽10与内圈一级均压槽11的槽截面相同，他们的槽截面的宽度大于二级均压槽12的槽截面的宽度，他们的槽截面的深度小于二级均压槽12的槽截面的深度，且他们的槽截面的面积等于或者略小于二级均压槽12的槽截面的面积。
以上显示和描述了本发明的基本原理特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附属的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于多环带排气的静压气浮止推轴承，包括气浮套(1)、气浮轴(2)、导气管(3)和流量控制装置(4)，其特征在于：所述的气浮套(1)包括基座(5)和多孔质环(6)，多孔质环(6)沿圆周均匀镶嵌在圆环型的基座(5)上，多孔质环(6)上开设有气腔(19)，气腔(19)与排气管道(13)连通，相邻的排气管道(13)之间通过外圈连通道(14)和内圈连通道(15)连通，再经由导气管(3)与流量控制装置(4)连通；所述的基座(5)上沿圆周均匀分布有外圈节流器(7)、控压节流器(9)和内圈节流器(8)，且外圈节流器(7)、控压节流器(9)和内圈节流器(8)的分布圆半径依次减小；所述的控压节流器(9)与多孔质环(6)的数目相等，且两者同心布置；所述的外圈节流器(7)之间通过外圈一级均压槽(10)相互贯通，内圈节流器(8)之间通过内圈一级均压槽(11)相互贯通，且每个外圈节流器(7)与其同相位的内圈节流器(8)之间通过二级均压槽(12)连通；所述的外圈节流器(7)、控压节流器(9)和内圈节流器(8)三种节流器的内部结构相同，包括浅腔(16)、喷嘴(17)和进气管(18)；外圈节流器(7)、控压节流器(9)以及内圈节流器(8)的圈数之和应大于等于3。
2.根据权利要求1所述的基于多环带排气的静压气浮止推轴承，其特征在于：所述的多孔质环(6)开设有气腔(19)，气腔(19)位于多孔质环(6)与气浮套(1)之间；所述的气腔(19)可采用连续式气腔(20)、分隔式气腔(21)或者沟道连通的分隔式气腔(22)。
3.根据权利要求1所述的基于多环带排气的静压气浮止推轴承，其特征在于：所述的外圈节流器(7)和内圈节流器(8)的周围不设置多孔质环(6)，控压节流器(9)的周围设置多孔质环(6)，多孔质环(6)采用不易堵塞的高孔隙度材料。
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