CN114517809B - 一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，包括节流器安装座、转轴、第一止推板、第二止推板和节流器组，节流器安装座内部设置与第一平面和第二平面垂直的安装通孔，转轴设置在节流器安装座的安装通孔内，第一止推板与转轴的第一端固定连接，第二止推板与转轴的第二端固定连接，节流器组位于节流器安装座与第一止推板、第二止推板和转轴之间，节流器安装座内部设置有与节流器组连通的进气通道；本发明通过在转轴与节流器安装座之间安装节流器组，通过节流器组在转轴和节流器安装座之间形成高压气膜，用高压气膜对运动副表面进行隔离，可以显著降低运动摩擦，具有高精度、高速度、发热低、无污染等优势。

Description

一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承

技术领域

本发明涉及传动技术领域，具体涉及一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承。

背景技术

在各类光学元件的加工中，需要使用到轴承来连接转动件，现阶段较多的连接方式采用滚珠、辊轴等方式连接。

而采用上述连接较多的为刚性连接，其虽然具有较好的承载力，但是当转动件之间发生振动时，刚性连接将振动在两个连接件之间进行传递，从而导致转轴的稳定性降低的问题。

同时，采用刚性连接，连接件之间具有摩擦力，会导致传动的精度降低，影响加工效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是气体静压轴承无法满足各类光学元件的极端精度加工需求，目的在于提供一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，解决了气动静压轴承的结构、承载、刚度与稳定性等方面的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，包括：

节流器安装座，其具有相互平行的第一平面和第二平面，所述节流器安装座内部设置与所述第一平面和所述第二平面垂直的安装通孔；

转轴，其设置在所述节流器安装座的安装通孔内，且所述转轴的中轴线与所述安装通孔的中轴线重合；

第一止推板，其与所述第一平面平行设置，且所述第一止推板与所述转轴的第一端固定连接；

第二止推板，其与所述第二平面平行设置，且所述第二止推板与所述转轴的第二端固定连接；

节流器组，其与所述节流器安装座固定连接，且位于所述节流器安装座与所述第一止推板、所述第二止推板和所述转轴之间，所述节流器安装座内部设置有与所述节流器组连通的进气通道。

具体地，所述节流器组与所述转轴的外侧面之间设置有间隙，所述节流器组与所述第一止推板的内侧面之间设置有间隙，所述节流器与所述第二止推板的内侧面之间设置有间隙。

具体地，高压空气穿过所述进气通道和所述节流器组，且所述节流器组与所述转轴的外侧面之间设置有高压气膜，所述节流器组与所述第一止推板的内侧面之间设置有高压气膜，所述节流器与所述第二止推板的内侧面之间设置有高压气膜；

所述高压气膜的厚度为5-10μm。

具体地，所述节流器组包括：

径向节流器，其设置在所述安装通孔与所述转轴之间，且所述径向节流器与所述安装通孔的内侧面固定连接；

第一止推节流器，其设置在所述第一止推板与所述第一平面之间，且所述第一止推节流器与所述第一平面固定连接；

第二止推节流器，其设置在所述第二止推板与所述第二平面之间，且所述第二止推节流器与所述第二平面固定连接。

优选地，所述径向节流器包括：

圆筒，其与所述安装通孔同轴设置，且所述圆筒的外侧面与所述安装通孔的内侧面固定连接，所述圆筒上设置有多个连通所述圆筒的外侧面和内侧面的径向通孔，所述径向通孔与所述进气通道连通；

径向节流塞，其固定设置在所述径向通孔内；

所述径向通孔的中轴线与所述圆筒的直径重合，所述径向节流塞的中轴线与所述径向通孔的中轴线重合。

具体地，所述第一止推节流器/第二止推节流器包括：

圆环，其中轴线与所述安装通孔同轴设置，所述圆环的内侧面与所述第一平面固定连接，所述圆环上设置有多个连通带圆环的外侧面和内侧面的轴向通孔，所述轴向通孔与所述进气通道连通；

轴向节流塞，其固定设置在所述轴向通孔内；

所述轴向通孔的中轴线与所述圆筒的中轴线平行，所述轴向节流塞的中轴线与所述轴向通孔的中轴线重合。

作为一个实施例，多个所述径向通孔沿所述圆筒的中轴线轴对称分布；多个所述轴向通孔沿所述圆筒的中轴线轴对称分布；

所述径向通孔的数量为偶数，所述轴向通孔的数量为偶数。

具体地，所述径向节流塞/所述轴向节流塞包括：

金属塞体，其固定设置在所述径向通孔/所述轴向通孔内，所述金属塞体内有多个沿其轴向设置的节流孔；

所述节流孔与所述进气通道连通。

优选地，所述节流孔的孔径为30-100μm，所述金属塞体的孔隙率为15-30%，孔隙深经比为20-60，所述节流孔的中轴线与所述金属塞体的中轴线的夹角为80°-90°。

作为一个实施例，所述转轴与所述第一止推板和所述第二止推板通过螺钉固定连接；

所述轴向节流塞与所述轴向通孔通过粘胶固定连接，所述径向节流塞与所述径向通孔通过粘胶固定连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过在转轴与节流器安装座之间安装节流器组，通过节流器组在转轴和节流器安装座之间形成高压气膜，用高压气膜对运动副表面进行隔离，可以显著降低运动摩擦，具有高精度、高速度、发热低、无污染等优势，作为基础功能部件，可以广泛应用于高精度三坐标测量机、高性能光刻机、高端医疗器械以及多自由度航天模拟器等军用民用重要领域。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是根据本发明所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承的结构示意图。

图2是根据本发明所述的第一止推节流器的结构示意图。

图3是根据本发明所述的轴向节流塞的结构示意图。

图4是根据本发明所述的第一止推节流器的轴向节流塞的工作原理图。

附图标记：1-第二止推板，2-转轴，3-第二止推节流器，4-节流器安装座，5-径向节流器，6-第一止推节流器，7-第一止推板，8-节流孔，9-金属塞体，10-圆环。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

实施例一

如图1所示，一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，包括节流器安装座4、转轴2、第一止推板7、第二止推板1和节流器组。

节流器安装座4具有相互平行的第一平面和第二平面，如图1所示，设定第一平面为图示的上侧面，第二平面为图示的下侧面，则节流器安装在具有平行的上侧面和下侧面，且在节流器安装座4内部设置与第一平面和第二平面垂直的安装通孔，安装通孔用于安装转动。

转轴2设置在节流器安装座4的安装通孔内，且转轴2的中轴线与安装通孔的中轴线重合；转轴2可以在安装通孔内转动，因此在实际中，可以将节流器安装座4固定，不会影响转轴2的正常转动。

第一止推板7与第一平面平行设置，且第一止推板7与转轴2的第一端固定连接；第二止推板1与第二平面平行设置，且第二止推板1与转轴2的第二端固定连接，轴承与第一止推板7和第二止推板1通过螺钉固定连接。

第一止推板7、转轴2、第二止推板1构成“工”字型的结构，节流器安装在位于第一止推板7和第二止推板1之间，并通过第一止推板7和第二止推板1对节流器安装座4的上下自由度进行限定，使得转轴2与节流器安装座4之间只能发生相对转动而不发生相对移动。

节流器组与节流器安装座4固定连接，且位于节流器安装座4与第一止推板7、第二止推板1和转轴2之间，节流器安装座4内部设置有与节流器组连通的进气通道。通过进气通道向节流器组与转轴2之间通入高压空气，使得节流器组不与转轴2直接接触，减少摩擦力。

通过进气通道向节流器组与第一止推板7和第二止推板1之间通入高压空气，避免转轴2在转动的过程中，产生阻力，影响转轴2精度。

因此，在进行位置关系设定时，需要保证：节流器组与转轴2的外侧面之间设置有间隙，节流器组与第一止推板7的内侧面之间设置有间隙，节流器与第二止推板1的内侧面之间设置有间隙。

通过高压气泵将高压空气穿过进气通道和节流器组，最终使得节流器组与转轴2的外侧面之间设置有高压气膜，节流器组与第一止推板7的内侧面之间设置有高压气膜，节流器与第二止推板1的内侧面之间设置有高压气膜；

在不影响转动精度的情况下，设定高压气膜的厚度为5-10μm，即将节流器组与第一止推板7、第二止推板1、转轴2之间的间隙也设定为5-10μm。

实施例二

本实施例对实施例一中的节流器组的结构加以说明。

节流器组包括径向节流器5、第一止推节流器6和第二止推节流器3。

径向节流器5设置在安装通孔与转轴2之间，且径向节流器5与安装通孔的内侧面固定连接，其目的是为安装通孔与转轴2之间提供高压气膜，使得转轴2的外侧面与安装通孔的内侧面之间不接触。

第一止推节流器6设置在第一止推板7与第一平面之间，且第一止推节流器6与第一平面固定连接，其目的是为第一平面与第一止推板7之间提供高压气膜，使得转轴2跟第一止推板7在转动的过程中，第一止推板7不与节流器安装座4接触，并对第一止推板7施加向上的作用力（图1所示的方向）。

第二止推节流器3设置在第二止推板1与第二平面之间，且第二止推节流器3与第二平面固定连接，其目的是为第二平面与第二止推板1之间提供高压气膜，使得转轴2跟第二止推板1在转动的过程中，第二止推板1不与节流器安装座4接触，并对第二止推板1施加向下的作用力（图1所示的方向）。

通过第一止推节流器6和第二止推节流器3的配合，使得转轴2与节流器安装座4的相对位置不改变，又不接触。

实施例三

针对实施例一和实施例二中的结构，采用高压气膜对运动副表面进行隔离，可以显著降低运动摩擦，具有高精度、高速度、发热低、无污染等优势。

根据不同的节流方法，气体静压轴承通常分为小孔、环面、狭缝及多孔质节流式气体静压轴承，其中小孔节流与多孔质节流气体静压轴承更为常见。

多孔质节流气体静压轴承具有较好的承载、刚度与稳定性，但结构较为复杂，加工不便；而小孔节流气浮轴承结构简单、设计成熟、加工方便，性能更为稳定可靠，但基于传统小孔节流方式，气体经过均压腔结构时，存在明显的气体涡旋与高频微振动现象，同时存在刚度较低等问题。

目前气体静压轴承微振动引起的稳定性、支承低刚度问题共同制约了其高精度运动的实现，引起的加工误差已无法满足各类光学元件的极端精度加工需求，成为该领域必须突破的瓶颈。

因此，本实施例对节流器进行说明。

径向节流器5包括圆筒和径向节流塞。

圆筒与安装通孔同轴设置，且圆筒的外侧面与安装通孔的内侧面固定连接，圆筒上设置有多个连通圆筒的外侧面和内侧面的径向通孔，径向通孔与进气通道连通；通过进气通道向径向通孔通入高压气体。

径向节流塞固定设置在径向通孔内，高压气体经径向节流塞后，在径向节流塞与转轴2之间形成高压气膜。

径向通孔的中轴线与圆筒的直径重合，径向节流塞的中轴线与径向通孔的中轴线重合，轴向节流塞与轴向通孔通过粘胶固定连接。

如图2所示，第一止推节流器6/第二止推节流器3的结构相似，其只是安装位置不同，因此第一止推节流器6/第二止推节流器3包括圆环10和轴向节流塞。

圆环10中轴线与安装通孔同轴设置，圆环10的内侧面与第一平面固定连接，圆环10上设置有多个连通带圆环10的外侧面和内侧面的轴向通孔，轴向通孔与进气通道连通；通过进气通道向轴向通孔通入高压气体。

轴向节流塞固定设置在轴向通孔内；高压气体经轴向节流塞后，在轴向节流塞与第一止推板7/第二止推板1之间形成高压气膜。

轴向通孔的中轴线与圆筒的中轴线平行，轴向节流塞的中轴线与轴向通孔的中轴线重合，径向节流塞与径向通孔通过粘胶固定连接。

且为了避免径向节流器5对转轴2的力不平等的情况，设定多个径向通孔沿圆筒的中轴线轴对称分布，径向通孔的数量为偶数。

同理，为了避免第一止推节流器6和第二止推节流器3对第一止推板7和第二止推板1造成力的偏移的情况，设定多个轴向通孔沿圆筒的中轴线轴对称分布，轴向通孔的数量为偶数。

通过设定节流塞与圆环10/圆筒的配合，节流塞保证了气膜内部具有较大的高压区，压力分布较为均匀，可以提高气体静压支承的刚度性能。

圆环10和圆筒相比于气浮支承用传统多孔材料（多孔石墨或陶瓷），藕状定向多孔金属（如定向多孔铜材）具有优异的机械性能，避免了传统多孔材料颗粒脱落、孔隙堵塞、吸潮膨胀等问题，保证了其作为气体静压轴承节流器的可加工性与支承服役过程的可靠性及精度保持性。

实施例四

本实施例对径向节流塞/轴向节流塞的结构加以说明，在整体上，径向节流塞和轴向节流塞的结构相同，但是因此径向节流塞需要与转轴2的外侧面配合，而转轴2的外侧面为弧形结构，因此可以设定径向节流塞朝向转轴2的侧面为弧形结构。

如图3所示，径向节流塞/轴向节流塞包括金属塞体。

金属塞体固定设置在径向通孔/轴向通孔内，金属塞体内有多个沿其轴向设置的节流孔，节流孔与进气通道连通，高压气体通过节流器安装座4的进气通道进入径向通孔/轴向通孔，然后进入节流孔，流过节流孔后在轴承、止推板之间形成高压气膜。

节流孔的孔径为30-100μm，金属塞体的孔隙率为15-30%，孔隙深经比为20-60，节流孔的中轴线与金属塞体的中轴线的夹角为80°-90°。

金属塞体和多个节流孔构成藕状结构。

在节流塞区域，采用藕状定向多孔结构，材料内部的大量定向规则节流孔进行节流，具有流动均匀稳定的特性。

在气膜区域，节流孔倾斜布局，且无均压腔结构，可缓解高速气体对支承面冲击后流向的急剧变化，有效避免气膜区域涡旋的产生；

如图4所示，节流塞的内部多孔结构使得节流塞内部流体流动均匀稳定，在节流区域与气膜区域均未发现涡旋的产生，从而可以实现微振动的有效抑制，从而提高气体静压轴承的稳定性。同时，从内部压力分布可以发现，定向多孔节流气浮轴承可以保证气膜内部高压区的存在，从而可以提高气浮支承的承载与刚度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，包括：

节流器安装座，其具有相互平行的第一平面和第二平面，所述节流器安装座内部设置与所述第一平面和所述第二平面垂直的安装通孔；

转轴，其设置在所述节流器安装座的安装通孔内，且所述转轴的中轴线与所述安装通孔的中轴线重合；

第一止推板，其与所述第一平面平行设置，且所述第一止推板与所述转轴的第一端固定连接；

第二止推板，其与所述第二平面平行设置，且所述第二止推板与所述转轴的第二端固定连接；

节流器组，其与所述节流器安装座固定连接，且位于所述节流器安装座与所述第一止推板、所述第二止推板和所述转轴之间，所述节流器安装座内部设置有与所述节流器组连通的进气通道；

所述节流器组包括：

径向节流器，其设置在所述安装通孔与所述转轴之间，且所述径向节流器与所述安装通孔的内侧面固定连接；

第一止推节流器，其设置在所述第一止推板与所述第一平面之间，且所述第一止推节流器与所述第一平面固定连接；

第二止推节流器，其设置在所述第二止推板与所述第二平面之间，且所述第二止推节流器与所述第二平面固定连接；

所述径向节流器包括：

圆筒，其与所述安装通孔同轴设置，且所述圆筒的外侧面与所述安装通孔的内侧面固定连接，所述圆筒上设置有多个连通所述圆筒的外侧面和内侧面的径向通孔，所述径向通孔与所述进气通道连通；

径向节流塞，其固定设置在所述径向通孔内；

所述径向通孔的中轴线与所述圆筒的直径重合，所述径向节流塞的中轴线与所述径向通孔的中轴线重合；

所述径向节流塞包括：

金属塞体，其固定设置在所述径向通孔内，所述金属塞体内有多个沿其轴向设置的节流孔；

所述节流孔与所述进气通道连通，所述节流孔的孔径为30-100μm，所述金属塞体的孔隙率为15-30%，孔隙深经比为20-60，所述节流孔的中轴线与所述金属塞体的中轴线的夹角为80°-90°。

2.根据权利要求1所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，所述节流器组与所述转轴的外侧面之间设置有间隙，所述节流器组与所述第一止推板的内侧面之间设置有间隙，所述节流器与所述第二止推板的内侧面之间设置有间隙。

3.根据权利要求2所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，高压空气穿过所述进气通道和所述节流器组，且所述节流器组与所述转轴的外侧面之间设置有高压气膜，所述节流器组与所述第一止推板的内侧面之间设置有高压气膜，所述节流器与所述第二止推板的内侧面之间设置有高压气膜；

所述高压气膜的厚度为5-10μm。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，所述第一止推节流器/第二止推节流器包括：

圆环，其中轴线与所述安装通孔同轴设置，所述圆环的内侧面与所述第一平面固定连接，所述圆环上设置有多个连通带圆环的外侧面和内侧面的轴向通孔，所述轴向通孔与所述进气通道连通；

轴向节流塞，其固定设置在所述轴向通孔内；

所述轴向通孔的中轴线与所述圆筒的中轴线平行，所述轴向节流塞的中轴线与所述轴向通孔的中轴线重合。

5.根据权利要求4所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，多个所述径向通孔沿所述圆筒的中轴线轴对称分布；多个所述轴向通孔沿所述圆筒的中轴线轴对称分布；

所述径向通孔的数量为偶数，所述轴向通孔的数量为偶数。

6.根据权利要求4所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，所述轴向节流塞包括：

金属塞体，其固定设置在所述轴向通孔内，所述金属塞体内有多个沿其轴向设置的节流孔；

所述节流孔与所述进气通道连通。

7.根据权利要求6所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，所述节流孔的孔径为30-100μm，所述金属塞体的孔隙率为15-30%，孔隙深经比为20-60，所述节流孔的中轴线与所述金属塞体的中轴线的夹角为80°-90°。

8.根据权利要求6所述的一种基于藕状定向多孔节流的气体静压轴承，其特征在于，所述转轴与所述第一止推板和所述第二止推板通过螺钉固定连接；

所述轴向节流塞与所述轴向通孔通过粘胶固定连接，所述径向节流塞与所述径向通孔通过粘胶固定连接。