CN113555998A - 一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，包括轴、转子组件、左右两止推板、左右两锁紧螺母；在轴的中心设有轴向进气通孔，在轴向进气通孔内安装有过滤芯；在轴的外环面上与转子组件配合的中部位置制有均压环槽，在均压环槽与进气通孔之间设有径向通气孔；在轴外环面上位于均压环槽两侧均制有数条轴面导气螺旋槽，两侧轴面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向由轴中部向两侧方向延伸；在左止推板内端面上和右止推板内端面上均制有沿圆周方向布设的数条端面导气螺旋槽，左止推板上的端面导气螺旋槽和右止推板上端面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向均由止推板的中心部位朝向外环方向延伸。本发明缓解动压气浮轴承污染问题，延长了陀螺电机寿命。

Description

一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构
技术领域
本发明属于动压轴承陀螺电机技术领域，具体涉及一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构。
背景技术
高精度三浮陀螺、液浮陀螺均采用气体动压轴承陀螺电机。动压气浮轴承没有外界气源，利用气体介质的粘性，在转子运动时，将气体带入微米级的间隙中，由转子轴孔偏心及螺旋槽结构形成径、轴向动压支撑，实现转子与定子的无接触悬浮，理论运行寿命无限长。由于动压效应的实现依赖于定转子相对运动后形成的气膜速度梯度，通常气膜必须小至微米量级才体现出一定支撑刚度，微米量级的尺寸精度要求亚微米量级的形位精度，环境介质中的微量污染物将对轴承造成致命的影响。实际运行的动压气浮轴承，由于存在启停磨损，磨损颗粒物会形成轴承中的污染物。同时，陀螺电机装配在浮子内腔中，其运行环境中非金属材料的挥发效应也会产生污染物，因此，总会有污染物在轴承中累计，长期运行后，污染累计到一定程度，造成轴承启动性能下降，甚至不能启动。为此，必须对轴承中的污染物进行控制。
动压轴承由止推轴承和径向轴承组成，径向轴承工作原理：当转子静止时，转子端盖轴孔与电机轴是线接触；转子转动时，带动间隙中的气体一起运动，当运动的气体介质趋近变小间隙时，气体被压缩，形成楔形气膜及相应的高压区。转子加速旋转，该气膜托起转子，转子与轴形成无机械接触的动压支承气膜，形成径向轴承。止推轴承工作原理：转子被电机拖动开始旋转，止推板外缘的气体也被带动旋转并沿螺旋槽泵入轴承，当气体进入到槽根部，因受到槽的台阶阻挡，出现压力升高；随着转子转速提高，压力继续升高，当压力升高到一定值时，转子得以托起，转子止推面与止推板间构成无机械接触的动压支承气膜，形成止推轴承。径向、轴向轴承原理说明分别见图4a和图4b。
目前，控制动压轴承污染常采用的方法有三种，一种是选用高硬度耐摩擦材料，减少电机启停过程中的材料磨损。二是在整个浮子内部选用低挥发性的材料或者对部件在装配前进行真空排气。三是加强零部件的清洗，减少装配带入浮子的污染物。以上措施在各个研究机构、生产厂家都有采取，但这些方法只能是对污染进行抑制，考虑到轴承间隙仅仅1μm-3μ m量级，即使非常少的污染物仍会对轴承造成影响，因此，以上措施仍不足以保证高精度、长寿陀螺仪对电机的寿命要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可改变气体介质的流向、且能实现污染颗粒有效过滤的带污染过滤装置的动压气浮轴承结构。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，包括轴、转子组件、左止推板、右止推板、左锁紧螺母和右锁紧螺母，所述转子组件以微米级的间隙套装配合在轴上，所述左止推板和右止推板均以微米级的间隙套装在轴上且分别位于转子组件的两端外，所述左止推板和右止推板的内端面分别与转子组件的左端和右端之间设置有微米级的间隙；所述左锁紧螺母和右锁紧螺母均旋装在轴上且分别与左止推板的外端面和右止推板的外端面压紧接触，其特征在于：
在轴的中心设置有轴向进气通孔，在轴向进气通孔内安装有用于过滤污染颗粒的过滤芯；在轴的外环面上与转子组件配合的中部位置制有均压环槽，在均压环槽与进气通孔之间设置有径向通气孔；
在轴的外环面上位于均压环槽的两侧均制有数条轴面导气螺旋槽，两侧的轴面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向由轴的中部向两侧方向延伸；
在左止推板的内端面上和右止推板的内端面上均制有沿圆周方向布设的数条端面导气螺旋槽，左止推板上的端面导气螺旋槽的旋向和右止推板上端面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向均由止推板的中心部位朝向止推板的外环方向延伸。
进一步的：所述均压环槽的环槽宽度0.2mm-1mm，环槽深度0.01mm-0.2mm。
进一步的：所述径向通气孔的直径Φ0.5mm-Φ1mm。
进一步的：所述轴向进气通孔的直径Φ1mm-Φ3mm。
进一步的：所述过滤芯为金属多孔质过滤芯，过滤孔的孔径小于1μm。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明在轴的中心设置轴向进气通孔，并在轴向进气通孔内安装过滤芯，并针对转子组件的旋转方向，对轴面导气螺旋槽的旋向和端面导气螺旋槽的旋向进行匹配设计，形成一种轴承中污染物主动过滤方式，在封闭空间中运动的气浮轴承，气体流通路径被限制为必须通过过滤器循环，适用于陀螺电机在浮子密闭空间中运动的结构，随着电机运行的同时，污染物被过滤收集同时进行，极大延长动压气浮轴承电机的使用寿命。
2、本发明不增加外部装置，不影响电机的驱动结构及方式，不改变现有电机与框架的接口方式；
3、本发明在轴表面的中部设置均压环槽，使轴的安装位置不受径向进气孔相对负载方向的影响，无安装角度要求。
附图说明
图1是本发明的整体结构剖视图；
图2a是本发明左止推板内端面结构示意图；
图2b是本发明右止推板内端面结构示意图；
图3是本发明轴的外观示意图；
图4a是径向轴承原理示意图；
图4b是止推轴承原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
如图1所示，本发明提供一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，该结构可应用在高精度陀螺电机中，或其它封闭环境使用的动压气浮轴承中。主要包括轴1、转子组件3、左右两止推板2、左、右两锁紧螺母4、过滤芯5几部分。其中，左止推板和右止推板为设置有中心孔的圆盘形结构。轴、左止推板、右止推板、左锁紧螺母、右锁紧螺母和过滤芯为静止件，转子组件为运动件。其中，轴的外圆面与转子组件的内孔面之间设置有微米级的配合间隙，在工作过程中，转子组件旋转，转子组件与轴的配合间隙之间通过气流，使转子组件与轴之间构成径向轴承结构。转子组件的两端面分别与左止推板的内端面和右止推板的内端面之间设置有微米级的配合间隙，在工作过程中，转子组件旋转，转子组件的两端与左止推板和右止推板的配合间隙之间通过气流，使转子组件分别与左止推板、右止推板构成左止推结构和右止推结构。
基于上述技术特征，本带污染过滤装置的动压气浮轴承结构的发明点如下：
1、在轴的中心设置有轴向进气通孔，在轴向进气通孔内安装有用于过滤污染颗粒的过滤芯。在轴的外环面上与转子组件配合的中部位置制有均压环槽1.1，在均压环槽与进气通孔之间设置有径向通气孔1.2。其中，均压环槽的环槽宽度优选为0.2mm-1mm，环槽深度0.01mm-0.2mm。径向通气孔的直径优选为Φ0.5mm-Φ1mm。轴向进气通孔的直径优选为Φ1mm- Φ3mm。过滤芯优选采用金属多孔质过滤芯，过滤孔的孔径小于1μm。
2、在轴的外环面上位于均压环槽的两侧均设置有数条轴面导气螺旋槽1.3，两侧的轴面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向由轴的中部向两侧方向延伸。
3、在左止推板的内端面上和右止推板的内端面上均设置有沿圆周方向布设的数条端面导气螺旋槽2.1，数条端面导气螺旋槽采用阿基米德螺旋线槽，数条端面导气螺旋槽的起始圆直径大于对应止推板的内孔直径，数条端面导气螺旋槽的终止圆直径小于对应止推板的外圆直径。左止推板上的端面导气螺旋槽的旋向和右止推板上端面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向均由止推板的中心部位朝向止推板的外环方向延伸。
上述轴面导气螺旋槽的旋向和端面导气螺旋槽的旋向要根据转子组件的旋转方向来设计。以图3所述轴为例，从轴的左端向右看，转子组件在运动时呈顺时针旋转，此时，轴上位于均压环槽左边的轴面导气螺旋槽为逆时针旋进槽，而位于均压环槽右边的轴面导气螺旋槽为顺时针旋进。轴面导气螺旋槽与轴上母线的夹角为30°-35°。
如图2所示，上述左、右止推板内端的端面导气螺旋槽采用的加工方式为：通过掩模板加离子刻蚀方式，或者采用激光加工。
如图3所示，上述轴的直径、轴的长度与转子组件进行加工配做，满足气浮轴承间隙要求，轴上的轴面导气螺旋槽采用工具磨床，或者通过掩模板加离子刻蚀方式、激光加工等方式来完成。
如图1所示，上述构成动压气浮轴承结构的各零件完成精密机械加工后，对气浮轴承需要的关键尺寸及形位精度指标通过研磨工艺保证，最后，在洁净间完成装配工作，首选将过滤芯装配到轴的轴向进气通孔，构成轴组件；然后将轴组件装配入转子组件；然后两端装配左右止推板，最后通过左、右锁紧螺母完成锁紧，完成装配。
本发明带污染过滤装置的动压气浮轴承结构的气流方向与现有动压气浮轴承结构气流方向不同，具体为：
现有的动压气浮轴承结构形式决定了，电机运转时，轴承带动气流从止推板边缘进入止推轴承，沿着止推轴承向内部旋转流进，从止推轴承和径向轴承的交界处进入径向轴承，在绕着径向轴承(轴)旋转的过程中，由于槽的作用继续向内部流动，随着轴向速度的降低，最终污染物沉积在轴表面。
而本发明所述动压气浮轴承结构，电机启动运转时，转子组件与轴之间的径向间隙中的气流绕轴旋转，角速度方向向右，由于轴上均压环槽的作用，气流分别向两端流动，分别进入左止推轴承与转子组件左端之间的间隙和右止推轴承与转子组件右端之间的间隙；以左止推板为例，此时气流逆时针旋转，气体自轴承中向外排出轴承。轴承内气流流出造成其压力下降，由于电机装配在封闭浮子组件中，此时浮子空腔内的气体沿着轴的轴向进气通孔进入轴承，由于过滤器芯的作用，污染物被过滤掉，干净气体介质得以进入轴承中，从而缓解动了压气浮轴承污染问题，延长了陀螺电机寿命。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，包括轴、转子组件、左止推板、右止推板、左锁紧螺母和右锁紧螺母，所述转子组件以微米级的间隙套装配合在轴上，所述左止推板和右止推板均以微米级的间隙套装在轴上且分别位于转子组件的两端外，所述左止推板和右止推板的内端面分别与转子组件的左端和右端之间设置有微米级的间隙；所述左锁紧螺母和右锁紧螺母均旋装在轴上且分别与左止推板的外端面和右止推板的外端面压紧接触，其特征在于：
在轴的中心设置有轴向进气通孔，在轴向进气通孔内安装有用于过滤污染颗粒的过滤芯；在轴的外环面上与转子组件配合的中部位置制有均压环槽，在均压环槽与进气通孔之间设置有径向通气孔；
在轴的外环面上位于均压环槽的两侧均制有数条轴面导气螺旋槽，两侧的轴面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向由轴的中部向两侧方向延伸；
在左止推板的内端面上和右止推板的内端面上均制有沿圆周方向布设的数条端面导气螺旋槽，左止推板上的端面导气螺旋槽的旋向和右止推板上端面导气螺旋槽的旋向相反且导气方向均由止推板的中心部位朝向止推板的外环方向延伸。
2.根据权利要求1所述的带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，其特征在于：所述均压环槽的环槽宽度0.2mm-1mm，环槽深度0.01mm-0.2mm。
3.根据权利要求2所述的带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，其特征在于：所述径向通气孔的直径Φ0.5mm-Φ1mm。
4.根据权利要求1所述的带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，其特征在于：所述轴向进气通孔的直径Φ1mm-Φ3mm。
5.根据权利要求1所述的带污染过滤装置的动压气浮轴承结构，其特征在于：所述过滤芯为金属多孔质过滤芯，过滤孔的孔径小于1μm。
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