CN113685440B - 气浮旋转组件以及包含其的磁流体密封件 - Google Patents

气浮旋转组件以及包含其的磁流体密封件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种气浮旋转组件以及包含其的磁流体密封件，气浮旋转组件包括：旋转轴，旋转轴具有环形凸台，且环形凸台的轴向两侧相背延伸都形成逐渐减小的圆形外曲面；第一轴承外圈，其径向内侧具有同轴的第一圆形内曲面，在第一轴承外圈的外周具有第一进气口，第一进气口连通至第一圆形内曲面上，第一轴承外圈套在旋转轴上，第二轴承外圈与第一轴承内圈相同，第一轴承外圈与第二轴承外圈通过紧固件同轴贴合连接，使得第一圆形内曲面、第二圆形内曲面与对应的圆形外曲面形成具有间隙的转动副。本发明的旋转轴与轴承外圈之间为无摩擦的相对转动，同时旋转轴因为受到轴承外圈沿轴向的有效支撑而具有轴向支撑力。

Description

气浮旋转组件以及包含其的磁流体密封件
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，具体地说，涉及一种气浮旋转组件以及包含其的磁流体密封件。
背景技术
空气轴承是指以空气(或某种气体)作为润滑剂的滑动轴承，工作时滑动副表面之间由一层压力气膜隔开，避免滑动副之间发生的摩擦。由于空气的粘滞性非常小，因此空气轴承摩阻非常低，并且空气能耐高温，所以空气轴承可以实现超高转速、超高精度、低摩擦、低发热量的转动。空气轴承主要分为两类：空气动压轴承和空气静压轴承。空气动压轴承使用范围有限。空气静压轴承在半导体制造和精密加工行业应用非常广泛。常见的空气静压轴承有径向空气轴承和止推空气轴承。径向空气轴承也称为气浮轴套，可以转动，也可以实现沿轴向的滑动，但是它没有轴向承载力，为了增强其轴向承载力，常常将径向空气轴承和止推空气轴承组合实现有轴向负载情况下的旋转运动。专利CN107255119A公开了一种气浮旋转结构，采用了一个径向气浮轴承和两个止推气浮轴承的组合。这样的组合结构复杂，加工难度较高，使用不便。因此，有必要开发一种自身具有轴向支撑能力的径向空气旋转轴承。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种气浮旋转组件，包括：
旋转轴，所述旋转轴具有环形凸台，且所述环形凸台的轴向两侧相背延伸都形成逐渐减小的圆形外曲面；
第一轴承外圈，其径向内侧具有同轴的第一圆形内曲面，在所述第一轴承外圈的外周具有第一进气口，所述第一进气口连通至第一圆形内曲面上，所述第一轴承外圈套在旋转轴上环形凸台的一侧，
第二轴承外圈，其径向内侧具有同轴的第二圆形内曲面，在所述第二轴承外圈的外周具有第二进气口，所述第二进气口连通至第二圆形内曲面上，所述第二轴承外圈套在旋转轴上环形凸台的另一侧，
所述第一圆形内曲面、第二圆形内曲面都与所述圆形外曲面形状一致，第一轴承外圈与第二轴承外圈通过紧固件同轴贴合连接，使得第一圆形内曲面、第二圆形内曲面与对应的圆形外曲面形成具有间隙的转动副。
可选地，所述第一轴承外圈具有第一环形气道，所述第一圆形内曲面具有多个第一节流孔，所述第一环形气道与所述第一进气口和各第一节流孔连通；
所述第二轴承外圈具有第二环形气道，所述第二圆形内曲面具有多个第二节流孔，所述第二环形气道与所述第二进气口和各第二节流孔连通。
可选地，所述第一节流孔不少于3个，且沿第一圆形内曲面圆周方向均布，所述第二节流孔不少于3个，且沿第二圆形内曲面圆周方向均布。
可选地，所述圆形外曲面、第一圆形内曲面、第二圆形内曲面都为圆锥面。
可选地，所述第一圆形内曲面在远离所述环形凸台的方向与所述旋转轴外径配合；
所述第二圆形内曲面在远离所述环形凸台的方向与所述旋转轴外径配合。
可选地，所述第一进气口、第二进气口用于向所述间隙中充入气体形成气膜。
可选地，所述第一轴承外圈、第二轴承外圈之间通过螺栓连接。
可选地，所述第一轴承外圈、第二轴承外圈上都间隔180度设置有定位销孔，且所述第一轴承外圈的一个定位销孔是沿径向的长圆孔。
本发明还提供一种磁流体密封件，采用以上所述的气浮旋转组件，所述磁流体密封件套设在所述旋转轴上，所述第一轴承外圈、第二轴承外圈组装在旋转轴的环形凸台处。
本发明的旋转轴与轴承外圈之间为无摩擦的相对转动，同时旋转轴因为受到轴承外圈沿轴向的有效支撑而具有轴向支撑力，旋转轴的支撑能力来自于轴承外圈，只要轴承外圈的承压能力足够强，旋转轴就可以具有足够大的轴向支撑力。由于该气浮旋转组件在轴向正反方向和径向都具有支撑能力，所以可以进行任意方向安装使用。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1a是本发明实施例的气浮旋转组件的爆炸视图；
图1b是本发明实施例的第一轴承外圈透视图；
图1c是本发明实施例的旋转轴的立体示意图；
图1d是本发明实施例的第二轴承外圈透视图；
图1e是本发明实施例的气浮旋转组件的半剖面视图；
图1f是本发明实施例的圆形外曲面的示意图；
图2是本发明实施例的采用气浮旋转组件的磁流体密封旋转导入结构的半剖面视图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
如图1a至图1d所示，本实施例的气浮旋转组件包括旋转轴11、第一轴承外圈10、第二轴承外圈13，所述旋转轴11具有环形凸台111，且所述环形凸台111的轴向两侧相背延伸都形成逐渐减小的圆形外曲面，具体的，分别为第一圆形外曲面112和第二圆形外曲面113。所述圆形外曲面是指围绕旋转轴11一周的曲面，例如可以是圆锥形，如图1c所示，所述第一圆形外曲面112和第二圆形外曲面113都为圆锥面。但本实施例不限制其仅为圆锥形，也可以是其他曲面形式，例如图1f所示的圆形外曲面是向外凸起的弧形。
第一轴承外圈10的径向内侧具有同轴的第一圆形内曲面105，在所述第一轴承外圈10的外周具有第一进气口103，所述第一进气口103连通至第一圆形内曲面105上，所述第一轴承外圈10套在旋转轴11上。
第二轴承外圈13的径向内侧具有同轴的第二圆形内曲面134，在所述第二轴承外圈13的外周具有第二进气口133，所述第二进气口133连通至第二圆形内曲面134上，所述第二轴承外圈13套在旋转轴11上。
所述第一圆形内曲面105、第二圆形内曲面134都与旋转轴11的圆形外曲面形状一致，第一轴承外圈10与第二轴承外圈13通过紧固件同轴连接，使得第一圆形内曲面105、第二圆形内曲面134与对应的圆形外曲面形成具有间隙的转动副。所述紧固件可以是螺栓，如图1b、1d所示，在第一轴承外圈10上沿轴向具有4个第一螺栓孔107，用于穿入螺栓14，所述第二轴承外圈13上沿轴向具有4个第二螺栓孔136，用于穿入螺栓14。第一轴承外圈10与第二轴承外圈13同轴贴合布置，使得第一圆形内曲面105、第二圆形内曲面134相对，通过传入螺栓，将第一轴承外圈10与第二轴承外圈13连接为一体。
所述第一轴承外圈10具有第一环形气道102，所述第一圆形内曲面105具有多个第一节流孔106，为了保证旋转轴11在径向受力的均匀性，从而保证旋转轴转动的稳定性，所述第一节流孔不少于3个，且沿第一圆形内曲面圆周方向均布。所述第一环形气道102与所述第一进气口103和各第一节流孔106连通。
所述第二轴承外圈13具有第二环形气道132，所述第二圆形内曲面134具有多个第二节流孔135，为了保证旋转轴11在径向受力的均匀性，从而保证旋转轴转动的稳定性，所述第二节流孔不少于3个，且沿第二圆形内曲面圆周方向均布。所述第二环形气道132与所述第二进气口133和各第二节流孔135连通。
如图1e所示为第一轴承外圈10、第二轴承外圈13组装到旋转轴11上的示意图，将压缩气体从第一轴承外圈的第一进气口103输入到第一轴承外圈内部的环形气道102，然后压缩气体从均匀分布的第一节流孔106流出，在第一圆形内曲面105与圆形外曲面之间形成具有一定刚度的第一气膜141。同样的，从第二进气口133输入压缩气体，在第二圆形内曲面134与圆形外曲面之间形成具有一定刚度的第二气膜142，从而第一圆形内曲面105与圆形外曲面之间，第二圆形内曲面134与圆形外曲面之间都形成转动副。气膜将旋转轴和轴承外圈隔离并起到润滑作用，由于气膜具有刚度，旋转轴的负载从环形凸台的圆锥面传递到轴承外圈的内锥形面，因此在径向和轴向都具有支撑力。径向支撑力负责承担旋转轴的径向负载，使其能够相对轴承外圈进行高速无摩擦的转动；轴向支撑力负责承担旋转轴的轴向负载，使其具有轴向支撑能力。
在一个可选实施例中，由于径向空气旋转轴承要求轴承外圈与旋转轴之间的间隙非常小，通常为几微米到几十微米，为了保证装配的精度和可重复性，两个轴承外圈连接时采用了两个定位销进行位置的限定。具体说，在第一轴承外圈10上间隔180度设置有两个轴向的销孔101，(为了避免销和销孔配合时出现过定位，两个销孔一个为圆形，另一个为长圆形)在第二轴承外圈13上间隔180度设置有两个轴向的销孔131。在安装两个轴承外圈时，先通过穿过销孔的定位销12限定第一轴承外圈10、第二轴承外圈13的相对位置，然后再旋入螺栓来将两个轴承外圈连接为一体。
下面具体以磁流体密封件来说明本发明的气浮旋转组件的应用。
磁流体密封件是一种常用的真空密封件，具有极低的真空漏率、寿命长、可靠性高、低摩擦、低发热、高速性能好、基本无污染等优点。磁流体密封件最常见的一个应用是将真空外的旋转动作传导入真空内的运动机构。在磁流体密封旋转导入结构中，磁流体密封件套设在旋转轴外周，与旋转轴之间实现动密封，保证在旋转轴旋转的过程中真空环境不会受到影响。由于磁流体的刚度差，所以在轴向几乎没有支撑能力，为了保证磁流体密封旋转导入结构的旋转轴的运动精度和支撑力，现有技术中采用机械轴承做支撑。然而机械轴承的转速、寿命都低于磁流体部分，这限制了磁流体密封旋转导入结构的转速，此外，机械轴承的承载力、摩擦、发尘量、发热也是一些不利因素。相比于机械轴承，空气轴承则可以很好的解决这些问题。
图2是采用本发明的气浮旋转组件作为支撑的磁流体密封旋转导入结构。该结构的密封由磁流体实现，图2中所示的磁流体密封结构部分是目前常见的磁流体密封旋转导入结构，磁流体密封件安装在本实施例的旋转轴11上，永磁体204将其轴向两侧的极靴202磁化形成静磁场，在磁场作用下磁性液体205被诱导填充在旋转轴11上的极齿208和极靴202之间的磁槽207内，形成密封环，通过多级密封环实现10-6Pa量级的超高真空密封。图2中203为O型密封圈，用于极靴202与外套201之间的静密封。在该磁流体密封件的一侧是真空环境，另一侧是本实施例的第一轴承外圈10、第二轴承外圈13组装在旋转轴11的环形凸台111处。
优选地，由于向气浮旋转组件连续的输入压缩气体，在第二轴承外圈13与邻近的极靴202之间预留间隙用于气体流动，通过托板209固定第一轴承外圈10的轴向位置，气体从该磁流体密封旋转导入结构的外套201上的排气孔206排出。
径向空气轴承的转速很高，根据可查询资料，可以超过三十万转每分钟，磁流体密封件也可达到十万转每分钟以上的转速，因此理论上采用本发明的气浮旋转组件的磁流体密封旋转导入结构可以达到超十万转每分钟的转速，可以有效提高该磁流体密封旋转导入结构的极限转速。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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和变化。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 (7)

1.一种气浮旋转组件，其特征在于，包括：
旋转轴，所述旋转轴具有环形凸台，且所述环形凸台的轴向两侧相背延伸都形成逐渐减小的圆形外曲面；
第一轴承外圈，其径向内侧具有同轴的第一圆形内曲面，在所述第一轴承外圈的外周具有第一进气口，所述第一进气口连通至第一圆形内曲面上，所述第一轴承外圈套在旋转轴上环形凸台的一侧，
第二轴承外圈，其径向内侧具有同轴的第二圆形内曲面，在所述第二轴承外圈的外周具有第二进气口，所述第二进气口连通至第二圆形内曲面上，所述第二轴承外圈套在旋转轴上环形凸台的另一侧，
所述第一圆形内曲面、第二圆形内曲面都与所述圆形外曲面形状一致，第一轴承外圈与第二轴承外圈通过紧固件同轴贴合连接，使得第一圆形内曲面、第二圆形内曲面与对应的圆形外曲面形成具有间隙的转动副，
并且，所述第一圆形内曲面、第二圆形内曲面还沿轴向相背延伸出圆柱内表面，
所述第一轴承外圈具有第一环形气道，所述第一圆形内曲面具有多个第一节流孔，所述第一环形气道与所述第一进气口和各第一节流孔连通；
所述第二轴承外圈具有第二环形气道，所述第二圆形内曲面具有多个第二节流孔，所述第二环形气道与所述第二进气口和各第二节流孔连通，
其中，所述圆形外曲面是向外凸起的弧形，
所述第一轴承外圈、第二轴承外圈上都间隔180度设置有定位销孔，且所述第一轴承外圈的一个定位销孔是沿径向的长圆孔。
2.根据权利要求1所述的气浮旋转组件，其特征在于，
所述第一节流孔不少于3个，且沿第一圆形内曲面圆周方向均布，所述第二节流孔不少于3个，且沿第二圆形内曲面圆周方向均布。
3.根据权利要求1所述的气浮旋转组件，其特征在于，
所述圆形外曲面、第一圆形内曲面、第二圆形内曲面都为圆锥面。
4.根据权利要求1所述的气浮旋转组件，其特征在于，
所述第一圆形内曲面在远离所述环形凸台的方向与所述旋转轴外径配合；
所述第二圆形内曲面在远离所述环形凸台的方向与所述旋转轴外径配合。
5.根据权利要求1所述的气浮旋转组件，其特征在于，
所述第一进气口、第二进气口用于向所述间隙中充入气体形成气膜。
6.根据权利要求1所述的气浮旋转组件，其特征在于，
所述第一轴承外圈、第二轴承外圈之间通过螺栓连接。
7.一种磁流体密封件，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述的气浮旋转组件，所述磁流体密封件套设在所述旋转轴上，所述磁流体密封件包括永磁体、一对极靴、托板和外套，
所述旋转轴设置在外套内，一对极靴夹持永磁体套设在第二轴承外圈的一侧的旋转轴上，在旋转轴与极靴之间沿轴向具有多个容纳磁性液体的磁槽，磁性液体填充在磁槽内形成密封环，
并且在第二轴承外圈与极靴之间预留间隙用于气体流动，通过托板固定第一轴承外圈的轴向位置，气体从外套上的排气孔排出。
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