CN115978090A - 一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承，所述表节流式气浮主轴轴承包括主轴转子、前气浮轴承和后气浮轴承，其中：所述主轴转子为中部设置有环状凸缘的阶梯轴；所述前气浮轴承和后气浮轴承套设在主轴转子上；所述前气浮轴承的下部设置有环状凹槽，环状凸缘位于环状凹槽内；所述主轴转子与轴套之间设置有环形孔缝且相邻孔缝之间相互连通，所述环形孔缝纵剖面均呈阶梯状结构，所述轴套分段设置有供气流道和出气流道。本发明采用分段供气的方法能够避免流体延周向流动的压力梯度发变化导致的环向流，提高轴承的承载能力，同时台阶表面节流能够使转子工作更平稳，实现较高回转精度，且无需额外节流器极大提高装配效率和可靠度。

Description

一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承

技术领域

本发明属于超精密装备制造技术领域，涉及一种表面节流流体静压轴承，具体涉及一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承。

背景技术

静压滑动轴承采用流体作为润滑剂，外界加压气体通过节流器进入孔隙，在孔隙内产生压力润滑膜浮起主轴转子，静压滑动轴承的润滑膜有误差均化效果，能够提高主轴回转精度，相比于动压滑动轴承，静压滑动轴承主轴转子在低速或高速运行状态的润滑膜都能保持完整，工作更加稳定，寿命长，加工方便。在超精密装备制造技术领域中，通常采用气体润滑剂，气膜具有可压缩性，主轴回转精度更高，且气膜摩擦小，可以实现低发热量且低速无爬行。气体静压滑动轴承主要的节流方式有小孔节流、狭缝节流、表面节流和多孔质节流，小孔节流需要额外安装节流器且主轴尺寸较大时，节流器数量较多会加大装配难度影响回转精度；多孔质节流响应慢，孔隙容易被堵塞；狭缝节流对加工精度要求很高加工难度较大；表面节流是在轴承气膜表面一侧设置细槽进行节流，由于没有节流孔无需考虑减小气膜厚度，可以一定程度提高刚度，同时减小气体流量，在精密轴系中使用较为广泛。

表面节流的细槽纵剖面呈现阶梯状，流体延阶梯由高到低存在压力梯度达到节流效果。平板台阶润滑膜属于理想模型，流体压力只在一个维度上变化，轴承的性能处于极限状态；而实际使用的静压滑动轴承为柱面体，施加载荷以后油膜间隙不均匀，流体会沿着轴向和周向由高压区向低压区蔓延，流体在周向的蔓延会产生环向流影响轴承的承载能力和气膜刚度。因此通过一些方法抑制环向流能够提高静压滑动轴承的使用性能。结论表明长径比越小，圆周方向占比越小，流场越接近一维流动的理想状态。当不考虑流体压缩性时，轴承无量纲承载力、无量纲刚度和流量只与润滑膜间隙厚度比值和台阶长度与润滑膜全长比值有关，因此根据需求单独设计主轴转子以后，采用分段供气的方法来减小长径比达到抑制环向流的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、稳定性好、回转精度高、加工方便的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，采用分段供气的方法能够避免流体延周向流动的压力梯度发变化导致的环向流，提高轴承的承载能力，同时台阶表面节流能够使转子工作更平稳，实现较高回转精度，且无需额外节流器极大提高装配效率和可靠度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承，包括主轴转子、前气浮轴承和后气浮轴承，其中：

所述主轴转子为中部设置有环状凸缘的阶梯轴；

所述前气浮轴承和后气浮轴承套设在主轴转子上；

所述前气浮轴承的下部设置有环状凹槽，环状凸缘位于环状凹槽内；

所述前气浮轴承的前轴套外侧壁分段设置有供气口Ⅰ、出气口Ⅰ、供气口Ⅱ和出气口Ⅱ，所述主轴转子的环状凸缘上部的圆柱状结构外侧壁与前轴套之间设置有环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ且相邻孔缝相互连通，供气口Ⅰ通过流道与环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ的交界处连通，出气口Ⅰ通过流道与环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ的交界处连通，所述主轴转子的环状凸缘的上部与前轴套之间设置有环形孔缝Ⅳ，供气口Ⅱ通过流道与环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的交界处连通，所述主轴转子的环状凸缘的外侧壁与前轴套之间设置有环形孔缝Ⅴ，所述环形孔缝Ⅴ的上端与环形孔缝Ⅳ连通，出气口Ⅱ通过流道与环形孔缝Ⅴ的中部连通；

所述后气浮轴承的后轴套外侧壁分段设置有供气口Ⅲ、出气口Ⅲ和供气口Ⅳ，所述主轴转子的环状凸缘下部的圆柱状结构外侧壁与后轴套之间设置有环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ且相邻孔缝相互连通，供气口Ⅳ通过流道与环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的交界处连通，出气口Ⅲ通过流道与环形孔缝Ⅶ和环形孔缝Ⅷ的交界处连通，所述主轴转子的环状凸缘的下部与后轴套之间设置有环形孔缝Ⅵ，供气口Ⅲ通过流道与环形孔缝Ⅵ和环形孔缝Ⅶ的交界处连通，所述环形孔缝Ⅴ的下端与环形孔缝Ⅵ连通。

本发明中，所述气浮主轴轴承还包括回转工作台，所述回转工作台位于主轴转子和前气浮轴承的上方并固定在主轴转子上。

本发明中，所述气浮主轴连接电机和编码器实现对气浮主轴的闭环伺服控制，所述电机位于后气浮轴承的下方并固定在后气浮轴承上，所述编码器包括旋变传感器和光栅系统，所述旋变传感器位于电机下方并固定在电机上，所述光栅系统位于旋变传感器下方并固定旋变传感器上。

本发明中，所述气浮主轴还包括后端盖，所述后端盖位于光栅系统的下方并固定在光栅系统上。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、与传统的表面节流流体静压轴承相比，本发明将传统表面节流流体静压轴承同轴径的环形孔隙改进为径向阶梯结构的环形孔隙，然后在轴套上分段开设进气口与出气口，进气口流道与环形孔隙间用矩形倒角过渡。

2、传统的表面节流流体静压轴承结构通入高压气体后，压力作用下主轴产生偏心，气膜间隙不均匀，气体在孔缝内沿着轴向和周向由高压区向低压区蔓延，在周向的流动过程中会形成环向流影响气浮轴承的承载能力和气膜刚度；本发明采用分段供气的方法减小各段长径比，即减小圆周方向占比，使流场接近一维流动的理想状态，能够抑制环向流的产生，从而提高了静压滑动轴承的使用性能。

3、现有的表面节流流体静压轴承通常采用一个供气源，并且需要额外安装节流器，本发明的表面节流流体静压轴承采用台阶节流的方式，无需安装节流器，轴承结构简单，零件数量少，加工简单，装配方便，工作时更加稳定，可靠度高。

附图说明

图1为本发明分段供气的表节流式气浮轴承的轴向剖面结构示意图；

图2为本发明分段供气的表节流式前气浮轴承的流体流动方向示意图；

图3为本发明分段供气的表节流式后气浮轴承的流体流动方向示意图；

图4为本发明分段供气的表节流式气浮轴承的立体结构示意图；

图中：1、主轴转子，2、前气浮轴承，21、前轴套，22、出气口Ⅰ，23、出气口Ⅱ，24、供气口Ⅰ，25、供气口Ⅱ，3、后气浮轴承，31、后轴套，32、出气口Ⅲ，33、供气口Ⅲ，34、供气口Ⅳ，4、电机，41、电机转子安装轴，42、电机转子，43、电机定子，44、电机定子安装座，5、光栅系统，51、光栅安装轴，52、圆光栅，53、读数头，54、读数头安装座，6、后端盖，7、旋变传感器，71、旋变压紧螺母，72、旋变转子，73、旋变定子，74、旋变定子安装座，75、旋变转子安装轴，8、回转工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。在本发明的描述中，需要理解的是：术语“上”“下”“水平”“纵向”等指示方位的词语只是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的具体限定。本发明中，壳体是个圆柱面，圆柱面的母线方向称为轴向，同一圆截面上的半径方向称为径向。

本发明提供了一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承，如图1和图4所示，所述表节流式气浮主轴轴承包括主轴转子1、前气浮轴承2、后气浮轴承3，其中：

所述主轴转子1为中部设置有环状凸缘的阶梯轴；

所述前气浮轴承2为下部设置有环状凹槽的圆柱筒状结构；

所述后气浮轴承3为圆柱筒状结构；

所述前气浮轴承2和后气浮轴承3套设在主轴转子1上，环状凸缘位于环状凹槽内；

所述前气浮轴承2采用分段供气表面节流的方法承载主轴转子1，前轴套21外侧壁分段设置有供气口Ⅰ24、出气口Ⅰ22、供气口Ⅱ25和出气口Ⅱ23，所述主轴转子1的环状凸缘上部的圆柱状结构外侧壁与前轴套21之间设置有环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ且相邻孔缝相互连通，所述环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ的结构相同且纵剖面均呈阶梯状结构，供气口Ⅰ24通过流道与环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ的交界处连通，出气口Ⅰ22通过流道与环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ的交界处连通，所述主轴转子1的环状凸缘的上部与前轴套21之间设置有环形孔缝Ⅳ，所述环形孔缝Ⅳ与环形孔缝Ⅲ结构相同且纵剖面均呈阶梯状结构，供气口Ⅱ25通过流道与环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的交界处连通，所述主轴转子1的环状凸缘的外侧壁与前轴套21之间设置有环形孔缝Ⅴ，所述环形孔缝Ⅴ的上端与环形孔缝Ⅳ连通，出气口Ⅱ23通过流道与环形孔缝Ⅴ的中部连通；

所述后气浮轴承3采用分段供气表面节流的方法承载主轴转子1，后轴套31外侧壁分段设置有供气口Ⅲ33、出气口Ⅲ32和供气口Ⅳ34，所述主轴转子1的环状凸缘下部的圆柱状结构外侧壁与后轴套31之间设置有环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ且相邻孔缝相互连通，所述环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的结构相同且纵剖面均呈阶梯状结构，供气口Ⅳ34通过流道与环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的交界处连通，出气口Ⅲ32通过流道与环形孔缝Ⅶ和环形孔缝Ⅷ的交界处连通，所述主轴转子1的环状凸缘的下部与后轴套31之间设置有环形孔缝Ⅵ，所述环形孔缝Ⅵ与环形孔缝Ⅶ结构相同且纵剖面均呈阶梯状结构，供气口Ⅲ33通过流道与环形孔缝Ⅵ和环形孔缝Ⅶ的交界处连通，所述环形孔缝Ⅴ的下端与环形孔缝Ⅵ连通。

本发明中，所述环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ均设置在前轴套21的内侧壁上或主轴转子1的外侧壁上；所述环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ均设置在后轴套31的内侧壁上或主轴转子1的外侧壁上；所述环形孔缝Ⅳ和环形孔缝Ⅵ分别设置在环状凸缘的上表面和下表面或者分别设置在环状凹槽的上壁和下壁上。

本发明中，所述环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ的交界处设置有矩形倒角Ⅰ，所述环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的交界处设置有矩形倒角Ⅱ，且由环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ延矩形倒角往两侧阶梯走向由高到低，进气口Ⅰ通过流道与矩形倒角Ⅰ连通，进气口Ⅱ通过流道与矩形倒角Ⅱ连通。

本发明中，所述环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的交界处设置有矩形倒角Ⅲ，所述环形孔缝Ⅵ和环形孔缝Ⅶ的交界处设置有矩形倒角Ⅳ，且由环形孔缝Ⅵ、环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ延矩形倒角往两侧阶梯走向由高到低，进气口Ⅲ通过流道与矩形倒角Ⅲ连通，进气口Ⅳ通过流道与矩形倒角Ⅳ连通。

本发明中，所述气浮主轴轴承还包括回转工作台8，所述回转工作台8位于主轴转子1和前气浮轴承2的上方并通过螺栓固定在主轴转子1上。

本发明中，所述气浮主轴还可以连接电机4和编码器实现对气浮主轴的闭环伺服控制，所述电机4包括电机转子安装轴41、电机转子42、电机定子43和电机定子安装座44，所述电机转子安装轴41冷装套设在主轴转子1上，所述电机转子42冷装套设在电机转子安装轴41上，所述电机定子43冷装套设在电机定子安装座44内侧壁，所述电机定子安装座44位于后气浮轴承3的下方并通过螺栓固定在后气浮轴承3上。

本发明中，所述编码器包括旋变传感器7和光栅系统5，所述旋变传感器7包括旋变转子安装轴75、旋变转子72、旋变定子73和旋变定子安装座74，所述旋变转子安装轴75冷装套设在主轴转子1上，所述旋变转子72套设在旋变转子安装轴75上且端部用旋变压紧螺母71固定，所述旋变定子73冷装套设在旋变定子安装座74上，所述旋变定子安装座74位于电机4下方并通过螺栓固定在电机4上。

本发明中，所述光栅系统5包括光栅安装轴51、圆光栅52、读数头53和读数头安装座54，所述光栅安装轴51位于旋变传感器7下方并通过螺栓固定在旋变转子安装轴75上，所述圆光栅52套设在光栅安装轴51端部并用螺栓固定，所述读数头53固定在读数头安装座54上，所述读数头安装座54位于旋变传感器7下方通过螺栓固定在旋变传感器7上。

本发明中，所述气浮主轴还包括后端盖6，所述后端盖6位于光栅系统5的下方，并通过螺栓固定在光栅系统5上。

本发明中，分段供气的表节流式前气浮轴承的流体流动方向示意图如图2所示，经供气口Ⅰ24通入的润滑剂经过流道流入矩形倒角Ⅰ，然后通入环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ，经前轴套21的上断面和出气口Ⅰ22流出；经供气口Ⅱ25通入的润滑剂经过流道流入矩形倒角Ⅱ，然后通入环形孔缝Ⅲ、环形孔缝Ⅳ和环形孔缝Ⅴ，经出气口Ⅰ22和出气口Ⅱ23流出。

本发明中，分段供气的表节流式后气浮轴承的流体流动方向示意图如图3所示，经供气口Ⅲ33通入的润滑剂经过流道流入矩形倒角Ⅲ，然后通入环形孔缝Ⅴ、环形孔缝Ⅵ和环形孔缝Ⅶ，经出气口Ⅱ23和出气口Ⅲ32流出；经供气口Ⅳ34通入的润滑剂经过流道流入矩形倒角Ⅳ，然后通入环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ，经出气口Ⅲ32和后轴套31的下断面流出。

本发明采用分段供气的方法，避免了通入高压气体后，气膜间隙不均匀，气体在周向的流动过程中形成的环向流影响气浮轴承的承载能力和气膜刚度。通过分配各段长径比，即减小圆周方向占比，使流场接近一维流动的理想状态，能够抑制环向流的产生，从而提高了静压滑动轴承的使用性能。

本发明的表面节流流体静压轴承采用台阶节流的方式，由供气口通入高压润滑剂后，点状压力源在矩形倒角处会变成线性压力源，在主轴转子1与前轴套2和后轴套3之间形成压力均匀的润滑膜将主轴转子1浮起。阶梯状结构的环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ、环形孔缝Ⅲ、环形孔缝Ⅳ、环形孔缝Ⅴ、环形孔缝Ⅵ、环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ将润滑膜变为阶梯形，起到节流作用。无需额外安装节流器，轴承结构简单，零件数量少，加工简单，装配方便，工作时更加稳定，可靠度高，保证回转工作台8有高回转工作精度。

Claims (10)

1.一种分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述表节流式气浮主轴轴承包括主轴转子、前气浮轴承和后气浮轴承，其中：

所述主轴转子为中部设置有环状凸缘的阶梯轴；

所述前气浮轴承和后气浮轴承套设在主轴转子上；

所述前气浮轴承的下部设置有环状凹槽，环状凸缘位于环状凹槽内；

所述前气浮轴承的前轴套外侧壁分段设置有供气口Ⅰ、出气口Ⅰ、供气口Ⅱ和出气口Ⅱ，所述主轴转子的环状凸缘上部的圆柱状结构外侧壁与前轴套之间设置有环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ且相邻孔缝相互连通，供气口Ⅰ通过流道与环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ的交界处连通，出气口Ⅰ通过流道与环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ的交界处连通，所述主轴转子的环状凸缘的上部与前轴套之间设置有环形孔缝Ⅳ，供气口Ⅱ通过流道与环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的交界处连通，所述主轴转子的环状凸缘的外侧壁与前轴套之间设置有环形孔缝Ⅴ，所述环形孔缝Ⅴ的上端与环形孔缝Ⅳ连通，出气口Ⅱ通过流道与环形孔缝Ⅴ的中部连通；

所述后气浮轴承的后轴套外侧壁分段设置有供气口Ⅲ、出气口Ⅲ和供气口Ⅳ，所述主轴转子的环状凸缘下部的圆柱状结构外侧壁与后轴套之间设置有环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ且相邻孔缝相互连通，供气口Ⅳ通过流道与环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的交界处连通，出气口Ⅲ通过流道与环形孔缝Ⅶ和环形孔缝Ⅷ的交界处连通，所述主轴转子的环状凸缘的下部与后轴套之间设置有环形孔缝Ⅵ，供气口Ⅲ通过流道与环形孔缝Ⅵ和环形孔缝Ⅶ的交界处连通，所述环形孔缝Ⅴ的下端与环形孔缝Ⅵ连通。

2.根据权利要求1所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述前气浮轴承和后气浮轴承均为圆柱筒状结构。

3.根据权利要求1所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ、环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的结构相同且纵剖面均呈阶梯状结构，所述环形孔缝Ⅵ、环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的结构相同且纵剖面均呈阶梯状结构。

4.根据权利要求1或3所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ均设置在前轴套的内侧壁上或主轴转子的外侧壁上；所述环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ均设置在后轴套的内侧壁上或主轴转子的外侧壁上；所述环形孔缝Ⅳ和环形孔缝Ⅵ分别设置在环状凸缘的上表面和下表面或者分别设置在环状凹槽的上壁和下壁上。

5.根据权利要求4所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述环形孔缝Ⅰ和环形孔缝Ⅱ的交界处设置有矩形倒角Ⅰ，所述环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ的交界处设置有矩形倒角Ⅱ，且由环形孔缝Ⅰ、环形孔缝Ⅱ和环形孔缝Ⅲ和环形孔缝Ⅳ延矩形倒角往两侧阶梯走向由高到低，进气口Ⅰ通过流道与矩形倒角Ⅰ连通，进气口Ⅱ通过流道与矩形倒角Ⅱ连通。

6.根据权利要求4所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ的交界处设置有矩形倒角Ⅲ，所述环形孔缝Ⅵ和环形孔缝Ⅶ的交界处设置有矩形倒角Ⅳ，且由环形孔缝Ⅵ、环形孔缝Ⅶ、环形孔缝Ⅷ和环形孔缝Ⅸ延矩形倒角往两侧阶梯走向由高到低，进气口Ⅲ通过流道与矩形倒角Ⅲ连通，进气口Ⅳ通过流道与矩形倒角Ⅳ连通。

7.根据权利要求1所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述气浮主轴轴承还包括回转工作台，所述回转工作台位于主轴转子和前气浮轴承的上方并固定在主轴转子上。

8.根据权利要求1或7所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述气浮主轴连接电机和编码器实现对气浮主轴的闭环伺服控制，所述电机位于后气浮轴承的下方并固定在后气浮轴承上，所述编码器包括旋变传感器和光栅系统，所述旋变传感器位于电机下方并固定在电机上，所述光栅系统位于旋变传感器下方并固定旋变传感器上。

9.根据权利要求8所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述电机包括电机转子安装轴、电机转子、电机定子和电机定子安装座，所述电机转子安装轴冷装套设在主轴转子上，所述电机转子冷装套设在电机转子安装轴上，所述电机定子冷装套设在电机定子安装座内侧壁，所述电机定子安装座位于后气浮轴承的下方并固定在后气浮轴承上；所述旋变传感器包括旋变转子安装轴、旋变转子、旋变定子和旋变定子安装座，所述旋变转子安装轴冷装套设在主轴转子上，所述旋变转子套设在旋变转子安装轴上，所述旋变定子冷装套设在旋变定子安装座上，所述旋变定子安装座位于电机下方并固定在电机上；所述光栅系统包括光栅安装轴、圆光栅、读数头和读数头安装座，所述光栅安装轴位于旋变传感器下方并通过螺栓固定在旋变转子安装轴上，所述圆光栅套设在光栅安装轴端部，所述读数头固定在读数头安装座上，所述读数头安装座位于旋变传感器下方并固定在旋变传感器上。

10.根据权利要求8所述的分段供气的表节流式气浮主轴轴承，其特征在于所述气浮主轴还包括后端盖，所述后端盖位于光栅系统的下方并固定在光栅系统上。

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