CN113738761B - 一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承 - Google Patents

一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，涉及气体轴承。该轴承的进气腔沿轴承主体的止推面的法向开设。主节流孔及多个伴随节流孔连接在进气腔的末端，主节流孔与进气腔的轴线相平行。伴随节流孔的轴线周向均布于距主节流孔的轴线距离为R的圆周上。伴随节流孔的轴线与主节流孔的轴线相平行。压力腔与主节流孔与伴随节流孔末端垂直连通，压力腔与主节流孔同轴。主节流孔流量垂直冲击到承载表面上提供主要的承载力，伴随着压力腔内大尺度涡结构的产生，主节流孔周围的伴随节流孔流量垂直冲入压力腔并破坏涡结构，减小涡旋尺度，抑制涡旋发展，进而减小涡旋内外压差，减小轴承的微振动，进而提高轴承的工作稳定性。

Description

一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承
技术领域
本申请涉及气体轴承领域，特别是涉及一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承。
背景技术
气体轴承因为其高速、精密、低摩擦、耐高温、寿命长、结构简单、无污染或少污染的特点被广泛应用于精密和超精密加工装备中。尽管气体轴承具有较高的承载力和刚度。但随着超精密加工领域对精度的要求不断提高，对气体轴承精度存在明显影响的微振动现象已无法忽略。
下面以气体轴承中的小孔节流静压气体轴承为例加以说明：小孔节流静压气体轴承的压力腔是的重要部件，具有提高轴承承载力的作用。但是气流在压力腔内的流动状态变化非常剧烈，会产生明显的涡旋结构，导致气腔内部压力变化剧烈，使轴承产生了一种振幅在几纳米到几十纳米的微幅自激振动。当超精密设备的工作精度和定位精度接近纳米甚至是亚纳米级别时，这种微振动的影响就会严重影响轴承工作精度。当有外界能量输入时，这种微振动会被迅速放大，从而影响整个系统的工作稳定性。
因此，亟需研制出一种新的气体轴承，能够解决压力腔内大尺度涡结构引起的轴承微振动问题。
发明内容
产生微振动的原因在于：现有技术中，气流以垂直承载面的方向从节流孔进气，在节流孔出口，即压力腔入口处由于流道面积突然扩张并伴随气流的对承载面的冲击，压力腔内部会产生明显的大尺度涡结构。由于漩涡内部压力要远远低于漩涡表面，因此在漩涡沿流向不断演化发展的过程中，这种涡内外的压力差会对流场产生明显的压力扰动，进而使得气膜内部产生压力波动，导致轴承的微振动。针对上述情况，发明人发现，在主节流孔周围增若干个直径小于主节流孔的伴随节流孔，伴随节流孔的数目由轴承转速确定。通过引入额外的气体流量，减小旋涡尺度和强度，改善了由于涡结构导致的压力降低现象，减小微振动振幅，最终提高轴承的稳定性。基于此，
本申请提供了一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，包括：
轴承主体，具有止推面；
进气腔，沿轴承主体的止推面的法向开设，用于为所述轴承供气；
主节流孔，连接在进气腔的末端，主节流孔的轴线与进气腔的轴线相平行，用于气体通过；
伴随节流孔，数量为多个，多个伴随节流孔的轴线周向均布于距主节流孔的轴线距离为R的圆周上，每一伴随节流孔的轴线与主节流孔的轴线相平行，每一伴随节流孔连接在进气腔的末端，用于气体通过；和
压力腔，与主节流孔与伴随节流孔末端垂直连通，压力腔与主节流孔同轴。
可选地，所述主节流孔和所述伴随节流孔均为圆柱孔。
可选地，所述主节流孔的直径d0与伴随节流孔的直径d满足
0.175d0≤d≤0.4375d0。
可选地，所述伴随节流孔的轴线与所述主节流孔的轴线间距离R的计算公式为
Figure BDA0003214118220000021
所述伴随节流孔的数量b与轴承转速n满足公式
Figure BDA0003214118220000022
其中，δ为压力腔深度，D为压力腔直径。
本申请的带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，采用在主节流孔周围增加伴随节流孔的复合进气方式，主节流孔流量垂直冲击到承载表面上提供主要的承载力，伴随着压力腔内大尺度涡结构的产生。主节流孔周围的伴随节流孔流量垂直冲入压力腔并破坏涡结构，减小涡旋尺度，抑制涡旋发展，进而减小涡旋内外压差，减小轴承的微振动，进而提高轴承的工作稳定性。
进一步地，本申请结构简单，易于实现。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请一个实施例的带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承工作时的示意性截面图；
图2是图1所示带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承的示意性剖视图；
图3是图1所示带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承的示意性俯视图；
图4是图3中所示压力腔和节流孔的示意性放大图。
图中各符号表示含义如下：
1、轴承主体；2、进气腔；3、主节流孔；4、伴随节流孔；5、压力腔。
具体实施方式
图1是根据本申请一个实施例的带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承工作时的示意性截面图。图2是图1所示带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承的示意性剖视图。图3是图1所示带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承的示意性俯视图。图4是图3中所示压力腔和节流孔的示意性放大图。
如图1所示，还可参见图2-图4，本实施例提供了一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，一般性可包括轴承主体1、进气腔2、主节流孔3、伴随节流孔4和压力腔5。轴承主体1具有止推面。进气腔2沿轴承主体1的止推面的法向开设，用于为所述轴承供气。主节流孔3连接在进气腔2的末端，主节流孔3的轴线与进气腔2的轴线相平行，用于气体通过。伴随节流孔4数量为多个。多个伴随节流孔4的轴线周向均布于距主节流孔3的轴线距离为R的圆周上。每一伴随节流孔4的轴线与主节流孔3的轴线相平行，每一伴随节流孔4连接在进气腔2的末端，用于气体通过。压力腔5与主节流孔3与伴随节流孔4末端垂直连通，压力腔5与主节流孔3同轴。其中，首端和末端是按照气体的流动方向定义的，流入端为首端，流出端为末端。
本实施例中，伴随节流孔4的数量为四个。具体实施时，还可以是其他数量，具体根据轴承转速而定。
本申请的带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，采用在主节流孔3周围增加伴随节流孔4的复合进气方式。本申请的气体轴承在工作过程中，进气腔2为轴承供气，气体由主节流孔3和伴随节流孔4流入，经过主节流孔3和伴随节流孔4末端的压力腔5后冲击至承载壁面上，由于主节流孔3流量在流入压力腔5时，受到流通截面积突然扩张以及主流流量的冲击作用，压力腔5内部会产生明显的大尺度涡结构，该漩涡结构呈空心圆环状占满整个腔室。在这种情况下，主节流孔3周围的伴随节流孔4流量垂直冲向压力腔5内的涡结构，通过这四股伴随节流孔4小流量对涡结构的冲击作用，可以破坏涡结构，减小漩涡尺度，并因此抑制漩涡发展，进而减小漩涡内外压差，改善压力腔5内部压力分布的均匀性,降低微振动振幅，减小轴承的微振动，进而提高轴承的工作稳定性。
进一步地，本申请结构简单，易于实现。
具体地，所述主节流孔3和所述伴随节流孔4均为圆柱孔。
更具体地，如图4所示，所述主节流孔3的直径d0与伴随节流孔4的直径d满足
0.175d0≤d≤0.4375d0。
更具体地，如图4所示，还可参见图3，所述伴随节流孔4的轴线与所述主节流孔3的轴线间距离R的计算公式为
Figure BDA0003214118220000041
所述伴随节流孔4的数量b与轴承转速n满足公式
Figure BDA0003214118220000042
其中，δ为压力腔深度，D为压力腔直径。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，其特征在于，包括：
轴承主体(1)，具有止推面；
进气腔(2)，沿轴承主体的止推面的法向开设，用于为所述轴承供气；
主节流孔(3)，连接在进气腔的末端，主节流孔的轴线与进气腔的轴线相平行，用于气体通过；
伴随节流孔(4)，数量为多个，多个伴随节流孔的轴线周向均布于距主节流孔的轴线距离为R的圆周上，每一伴随节流孔的轴线与主节流孔的轴线相平行，每一伴随节流孔连接在进气腔的末端，用于气体通过；和
压力腔(5)，与主节流孔与伴随节流孔末端垂直连通，压力腔与主节流孔同轴；
其中，所述主节流孔(3)和所述伴随节流孔(4)均为圆柱孔，
所述主节流孔的直径d0与伴随节流孔的直径d满足
0.175d0≤d≤0.4375d0。
2.根据权利要求1所述的一种带有伴随节流孔的小孔节流静压止推气体轴承，其特征在于，所述伴随节流孔的轴线与所述主节流孔的轴线间距离R的计算公式为
Figure FDA0003551918120000011
所述伴随节流孔的数量b与轴承转速n满足公式
Figure FDA0003551918120000012
其中，δ为压力腔深度，D为压力腔直径。
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