CN114810829B - 一种双向大动态范围的动静压轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双向大动态范围的动静压轴承，本体内圆上轴向均布油槽，回油槽轴向设于相邻油槽间，导油孔径向设于本体且一端与油槽连通；油槽包括“V”形槽、导油槽，“V”形槽沿周向间隔设于油槽内，导油槽周向设于油槽内并连通相邻“V”形槽，油槽内至少一条“V”形槽和/或导油槽与导油孔连通，油槽槽顶面周向经本体内表面与回油槽连通。本发明的油槽内“V”形槽可使油液在高速时周向都从深处流向浅处，从而正反转都能形成有效的油楔动压效应；且导油槽连通“V”形槽可使油槽内的油液从高压区域回流至低压区域，从而减小油槽内的油液压差而提高转速，具有结构紧凑、速度变化范围大、可正反转、温度分布均匀、节能降耗的特点。

Description

一种双向大动态范围的动静压轴承
技术领域
本发明涉及滑动轴承技术领域，具体涉及一种结构紧凑、速度变化范围大、可正反转、温度分布均匀、节能降耗的双向大动态范围的动静压轴承。
背景技术
静压轴承，是利用外部压力供油强行泵入轴承和轴之间的微小间隙而产生承载力的滑动轴承，其基本原理是采用节流器调节进入轴承内部的流量从而调整油膜的压力，属于完全流体润滑轴承的一种。静压轴承在完全静止的状态下也能建立起承载油膜，能保证在启动阶段摩擦副两表面也没有直接接触，而且在任何转速下都具有极高的旋转精度、高的承载能力和高刚度、大阻尼，因而在超精密加工、测量等领域具有不可替代的作用，是超精密领域内的关键技术。
但是，静压轴承工作时，转轴将会带动压力油液流动，在油槽中沿转轴的周向将会形成一个油液高压区和油液低压区，并且该油液高压区的压力将会随着转轴转速的升高而持续升高；而持续升高的油液压力沿转轴的径向作用于转轴，将会增大转轴转动的阻力并使油液温度升高，从而限制了主轴转速提高，而且通常还需要配备冷却设备；因此，一般根据各油槽的状态通过节流器调节油压以适应转速，但精确控制节流器需要根据工况不断匹配才能形成较好的效果，故而匹配过程较为繁琐。为了克服静压轴承速度范围不高的缺陷，现有技术也有在轴承上分别间隔设置多个不同深度的动压槽及静压槽，来实现静压启动和动压高速旋转，虽然能够提高转速，但多个不同的油槽导致节流器布置及控制较为复杂，而且分散的油槽还会降低相同直径及长度下的静压轴承承载能力，或者为了保持相同的承载能力，会导致静压轴承的外径或长度增加。此外，也有将油槽设置成锲形结构，使得启动时发挥静压轴承的油膜承载功能，避免轴承与转轴干摩擦，而高速时形成锲形动压效应，并通过调整节流器降低油压，实现转轴和轴承之间少油及低压力下的油膜软接触，从而降低转轴的径向压力，以达到提高主轴转速上限的目的；但是，由于油槽内单一的锲形槽使得其内的油液仅在锲形槽的尖部形成显著的动压效应，而其它部分则径向深度过深仅能起静压轴承的作用，因此工作时的刚度下降较多，而且会造成局部应力过大、承载力不足、旋转方向为单向，且油液在油槽内形成一体，使得油液在油槽内不易散热，限制了转速的进一步提高。为此，现有技术中也有在油槽内设置面对面的锲形槽或弧形的矩状面来实现双向转动，但由于任意方向旋转时的动压效应与单向锲形槽的效果一致，因此刚度下降、局部应力过大、承载力不足及不易散热的问题并没有能够解决。
现有技术中，还有通过在轴承内表面上的特征结构来代替外部的节流器形成自补偿液体静压轴承，用内部沟槽代替钻孔或外部油路，就形成了一种表面节流的自补偿液体静压轴承，将油腔制成沟槽状在保持静压承载能力的基础上增强动压效应，另一方面也有利于增大阻尼，从而增强自补偿液体静压轴承的运转精度。虽然自补偿液体静压轴承不需要或较少需要根据工况匹配，但传统的对置油垫节流自补偿轴承需要在工作油腔对面制造节流油垫，增加了轴承尺寸而且节流油垫抵消工作油腔的油膜力；而Kane型角面节流自补偿轴承结构紧凑，但是却存在节流面上的流体扩散，影响节流后的油压。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、速度变化范围大、可正反转、温度分布均匀、节能降耗的双向大动态范围的动静压轴承。
本发明是这样实现的：包括本体、油槽、回油槽、导油孔，所述本体为圆环形结构且内圆上周向均布有多个油槽，所述回油槽轴向设置于本体内圆上的相邻油槽之间且至少一端贯穿本体的端面或连通本体内设置的回油通道，所述导油孔径向设置于本体上且一端与油槽连通；所述油槽包括轴向延伸的“V”形槽、导油槽，所述“V”形槽沿周向间隔设置于油槽内，所述导油槽周向设置于油槽内并连通相邻的“V”形槽，所述油槽内的“V”形槽或导油槽与导油孔连通，所述油槽的槽顶面周向经过本体的内表面与回油槽连通。
本发明的有益效果：
1、本发明通过在油槽内周向间隔设置多条“V”形槽，使得启停过程中“V”形槽内的油液可形成承载油膜而避免摩擦副两表面干摩擦，而油液在高速时可沿“V”形槽从深处流向浅处形成并增强油楔动压效应，且“V”形槽的结构还能保证正反转都能形成有效的油楔动压效应，一个油槽内多条“V”形槽多次形成动压效应，从而提升支撑能力，并在比较宽的转速范围内形成有效的高压润滑膜。
2、本发明在油槽内的“V”形槽同时起到静压和动压轴承的作用，从而可降低节流器的布置及控制难度，而且油槽内设置多条“V”形槽可分散油楔动压效应时各油楔尖部的压力，从而减弱由此造成的刚度下降较多、局部应力过大及承载力不足的问题。而且在相邻油槽间设置回油槽，可有效预防油液在轴承各油槽之间的相互干扰，从而运行更加稳定。
3、本发明还通过设置导油槽连通相邻的“V”形槽，可使油槽内的油液从高压的“V”形槽自动回流至相邻乃至更远的低压“V”形槽，达到油槽内高低压油液的自动平衡，从而显著降低同等转速下高压区的油液压力并使油温更加均匀，避免了传统单锲形槽时高压区油压下降有限的问题，使得转轴在同样功率的电机带动下可以达到更高的转速，或在相同的转速下降低维持的能耗；而且高压区油压显著降低且多个可扩大散热面积的“V”形槽，都能使转轴在同样的速度下达到更低的油温，或在允许的油温条件下达到更高的转速。
4、本发明特别是在本体的外圆面上设置外环槽及其内周向的节流台，并使节流台的外径小于本体的外圆面直径，而且连接油槽的导油孔贯穿节流台，使工作时节流台的外圆面与外座之间可形成较小的间隙，导致外环槽内的高压油液流向导油孔时受阻，故此油槽内的油液压力低于外环槽内的压力而形成节流效应，从而形成轴承所需的节流器。而且节流效应的形成并不需要额外的连接通道和附加的辅助结构，因而结构更加紧凑且制造要求较低。
综上所述，本发明具有结构紧凑、速度变化范围大、可正反转、温度分布均匀、节能降耗的特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1之剖视图；
图3为图1之主视图；
图4为图3之A-A向视图；
图5为图3之B-B向视图；
图中：1-本体，2-油槽，201-“V”形槽，202-导油槽，203-汇油槽，204-内弧形矩状面，3-回油槽，4-导油孔，5-外环槽，501-节流台，502-供油槽，6-密封槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下接合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至5所示，本发明包括本体1、油槽2、回油槽3、导油孔4，所述本体1为圆环形结构且内圆上周向均布有多个油槽2，所述回油槽3轴向设置于本体1内圆上的相邻油槽2之间且至少一端贯穿本体1的端面或连通本体1内设置的回油通道，所述导油孔4径向设置于本体1上且一端与油槽2连通；所述油槽2包括轴向延伸的“V”形槽201、导油槽202，所述“V”形槽201沿周向间隔设置于油槽2内，所述导油槽202周向设置于油槽2内并连通相邻的“V”形槽201，所述油槽2内的“V”形槽201或导油槽202与导油孔4连通，所述油槽2的槽顶面周向经过本体1的内表面与回油槽3连通。
所述油槽2内至少设置有三条“V”形槽201，所述导油槽202周向设置于油槽2的两端或一端，所述油槽2内的一条“V”形槽201或一侧的导油槽202与导油孔4连通。
所述油槽2内相邻“V”形槽201间形成内弧形矩状面204，所述内弧形矩状面204的直径不小于本体1内圆面的直径。
所述导油孔4的出油口设置于“V”形槽201的底部。
所述本体1的内圆面上在油槽2轴向的两外侧分别设置有周向的汇油槽203，所述汇油槽203的两端分别与相邻的回油槽3连通。
所述导油槽202为截面成“V”形、半圆形或平底的结构，所述导油槽202的底端不高于“V”形槽201的底端。
所述本体1的外圆上周向设置有外环槽5，所述外环槽5与供油系统连通且内部沿周向间隔设置有多个节流台501，所述导油孔4的入油口设置于节流台501的顶面中间位置，所述节流台501的顶面低于本体1的外圆面。
所述节流台501为外弧形矩状面结构，所述节流台501的外径小于本体1外圆面的外径且半径差为0.03～0.06mm。
所述外环槽5在相邻的节流台501之间和两端分别设置有供油槽502，所述本体1外圆面在外环槽5轴向的两端分别周向设置有密封槽6。
所述本体1的内圆周向均布有四至八个相等的油槽2。
本发明工作原理和工作过程：
如图1至5所示，通过油槽2内的多个“V”形槽201中的油液，使得启停过程中“V”形槽201内的油液可形成承载油膜而避免轴承与转轴干摩擦，而油液在主轴高速时可沿“V”形槽201从深处流向浅处形成增强的油楔动压效应，并与“V”形槽201内油液的静压力共同作用来承载外载荷，且油槽2内的多条“V”形槽201可均化油楔动压效应时各油楔尖部的压力，从而显著提升油膜的承载能力和油膜刚度，并且可控制降低对供油系统的油压，以降低油泵电机的功率而降低供油能耗；同时，“V”形槽201的结构不仅能保证正反转都能形成有效的油楔动压效应和降低油槽2内的油压需求，达到有效降低转轴的径向压力以提高转速上限的目的，而且多个“V”形槽201并结合导油槽202，即可使油槽2内的油液自动从高压区域回流至低压区域，达到油槽2内高低压油液的自动平衡，且相邻油槽2间的回油槽3可有效预防油液在轴承各油槽2之间的相互干扰，从而显著降低同等转速下高压区的油液压力并使油温更加均匀，使得转轴在同样功率的电机带动下可以达到更高的转速，或在相同的转速下降低维持的能耗。且本体1外的外环槽5及节流台501结构，使得工作时节流台501的外圆面与外座之间可形成较小的间隙，导致流向导油孔4的油液受阻而形成节流效应，从而形成轴承所需的节流器。
启停时，供油槽502内的油液在外供高压系统的压力下，自节流台501上的入油口流入导油孔4内并进入油槽2内，“V”形槽201内的油液在压力下形成静压承载油膜而托起转轴；转轴转动后，油液自“V”形槽201的深处流向浅处形成油楔动压效应，随着转速的提高，“V”形槽201内的动压效应逐渐增大，并与“V”形槽201内油液的静压力共同作用来承载外载荷；转速提高后，控制降低供油压力，油槽2内油液通过“V”形槽201形成多次动压效应支撑主轴，从而达到油槽2内油液的自动平衡和油温降低。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双向大动态范围的动静压轴承，其特征在于包括本体（1）、油槽（2）、回油槽（3）、导油孔（4），所述本体（1）为圆环形结构且内圆上周向均布有多个油槽（2），所述回油槽（3）轴向设置于本体（1）内圆上的相邻油槽（2）之间且至少一端贯穿本体（1）的端面或连通本体（1）内设置的回油通道，所述导油孔（4）径向设置于本体（1）上且一端与油槽（2）连通；其特征在于所述油槽（2）包括轴向延伸的“V”形槽（201）、导油槽（202），所述“V”形槽（201）沿周向间隔设置于油槽（2）内，所述导油槽（202）周向设置于油槽（2）内并连通相邻的“V”形槽（201），所述油槽（2）内的“V”形槽（201）或导油槽（202）与导油孔（4）连通，所述油槽（2）的槽顶面周向经过本体（1）的内表面与回油槽（3）连通；所述油槽（2）内至少设置有三条“V”形槽（201），所述导油槽（202）周向设置于油槽（2）的两端或一端，所述油槽（2）内的一条“V”形槽（201）或一侧的导油槽（202）与导油孔（4）连通；所述油槽（2）内相邻“V”形槽（201）间形成内弧形矩状面（204），所述内弧形矩状面（204）的直径不小于本体（1）的内圆面直径；所述导油槽（202）为截面成“V”形、半圆形或平底的结构，所述导油槽（202）的底端不高于“V”形槽（201）的底端。
2.根据权利要求1所述双向大动态范围的动静压轴承，其特征在于所述本体（1）的内圆面上在油槽（2）轴向的两外侧分别设置有周向的汇油槽（203），所述汇油槽（203）的两端分别与相邻的回油槽（3）连通。
3.根据权利要求1所述双向大动态范围的动静压轴承，其特征在于所述导油孔（4）的出油口设置于“V”形槽（201）的底部。
4.根据权利要求1至3任意一项所述双向大动态范围的动静压轴承，其特征在于所述本体（1）的外圆上周向设置有外环槽（5），所述外环槽（5）与供油系统连通且内部沿周向间隔设置有多个节流台（501），所述导油孔（4）的入油口设置于节流台（501）的顶面中间位置，所述节流台（501）的顶面低于本体（1）的外圆面。
5.根据权利要求4所述双向大动态范围的动静压轴承，其特征在于所述节流台（501）为外弧形矩状面结构，所述节流台（501）的外径小于本体（1）外圆面的外径且半径差为0.03～0.06mm。
6.根据权利要求5所述双向大动态范围的动静压轴承，其特征在于所述外环槽（5）在相邻的节流台（501）之间和两端分别设置有供油槽（502），所述本体（1）外圆面在外环槽（5）轴向的两端分别周向设置有密封槽（6）。
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