CN201306383Y - 高刚度静压气体径向轴承 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种高刚度静压气体径向轴承，结构非常简洁，不需附加外加反馈系统，利用自身结构来控制承载面上弹性均压槽截面积和节流器节流面积的变化，从而提高轴承的刚度。轴承过渡圈上对称分布有槽型气腔，基座上设有进气孔，弹性薄板的承载面上分布有节流孔，槽型气腔与进气孔以及节流孔相通；当承载压力变化时，弹性薄板和过渡圈内槽型气腔联合作用，形成相应可变截面积的均压槽，在均压槽中心线上的环面节流器节流面积随均压槽的高度变化而变化。提高轴承的刚度。有效地解决了提高径向静压轴承刚度的技术问题。提供了一种适于工程大量应用的、刚度可调、结构精巧、简单、无需任何附加机构、可方便应用的高刚度静压气体径向轴承。
Description
技术领域
本实用新型属于机械技术领域，主要涉及精密加工的气体静压轴承，涉及静压气体径向轴承，具体就是一种高刚度静压气体径向轴承。
背景技术
气体轴承技术是一种随着高科技的出现而发展起来的先进的实用技术，气体轴承是用气体代替油作为润滑剂，在轴与轴承套之间构成气膜，使活动面和静止面避免直接接触的理想的支承元件，它具有几乎没有摩擦、无磨损、无污染、回转精度高，能在高温和低温工况下工作等特点。气体轴承作为高速回转主轴或超精密主轴用的轴承其实用性十分引人注目，近几年来在机床行业，高速和精密机械工业、电子工业和医疗器械工业等得到了十分广泛的应用。
空气静压轴承有着自身独特的优势，但是现有的气体静压轴承在实际运用中也存在有明显的不足之处，如承载能力小，刚度低，对各种工况的适应能力不强。所以如何设法提高气体静压轴承的刚度就成为工程应用中迫切需要解决的问题，这也正是本实用新型要解决的主要问题。
普通的气体静压轴承所承载的刚度是由它的节流孔决定的，一旦生产制造成型其所能承载的刚度的不可变的。目前，对于提高气体静压轴承刚度的研究主要从两个方面展开：一是压力反馈自控制。就是Zbyszko Kaximierski在《Journal ofTribology》1992年第4期的P270-P273上发表的论文《Gas Bear of InfiniteStiffness》(无穷刚度气体轴承)里面所采用的控制方法。二是气膜间隙反馈主动控制。是在2001年由哈尔滨工业大学博士生在博士生论文《自主式高刚度精密气体径向轴承的研究》里面所采用方法。
这两种方法都是在气体静压轴承上加一个反馈系统，包括传感器、闭环控制系统、以及执行机构，大多采用计算机控制。这种外加反馈系统的方法可以获得比较大的反馈控制量，特别适用于负载较大的系统和设备，但是这样诸多的外加机构，仅仅控制系统的机构就远远大于并多于气体静压轴承本身，使得气体静压轴承在不影响其精度要求的前提下，加工制造更为复杂，成本也越高。因此，对于负载不是很大的情况，以及超精密系统中，无论是气体静压轴承的生产、测试以及使用均存在环节多，成本高，配套机构繁杂，生产、安装、制造均较麻烦，费时和不方便。
本实用新型项目组近期通过互联网以及图书馆现有的资料就本实用新型的主题对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本实用新型密切相关的和一样的报道或文献。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中静压轴承尤其是径向静压轴承的刚度低的缺点，提供一种可用于精密机械的并适于工程大量应用的、刚度可调、结构精巧、简单、无需任何附加机构、可方便应用的高刚度静压气体径向轴承。下面对本实用新型进行详细说明
本实用新型是一种高刚度静压气体径向轴承，包括弹性薄板，过渡圈和基座，其特征在于：基座与过渡圈，过渡圈与弹性薄板之间均为过盈配合，过渡圈和基座两端有密封槽。沿过渡圈的圆周外表面上对称均匀分布有槽型气腔，槽型气腔间相互沟通。基座上设有进气孔，弹性薄板壁上开有节流孔，节流孔为通孔。槽型气腔与进气孔以及节流孔相通；当承载压力变化时，弹性薄板的内外表面形成压力差，使弹性薄板变形，由于弹性薄板和过渡圈内槽型气腔联合作用，在承载面上形成相应可变截面积的均压槽，在均压槽轴向中心线上的环面节流面积即节流器的节流面积随均压槽的高度变化而变化，从而实现了通过轴承自身结构来调整静压轴承刚度。
近年来，在气体静压轴承领域，对于推力轴承方面，已有不少研究成果，但对于径向轴承，目前研究的还较少。径向轴承主要应用于与轴配合的场合，这在机械、机电结合、自动控制领域比较普遍。
本实用新型利用自身结构来控制承载面上弹性均压槽截面积和节流器节流面积的变化，从而提高轴承的刚度。解决径向静压轴承刚度小以及不可调节的问题，提供了能在实际生产、测试以及科研中应用的高刚度静压气体径向轴承，满足了工业生产的客观需要。
本实用新型的实现还在于：槽型气腔的个数为6～12个。槽型气腔的个数与可变均压槽面积有关，同时也会影响到可变均压槽高度的变化，气腔个数过多或者太少都会影响到轴承的刚度。对于精密机械应用的高刚度静压气体径向轴承其槽型气腔的个数以6～12个为佳。根据气腔的结构和位置来实现弹性薄板上的可变均压槽的结构，以可变均压槽的凸凹和数量变化改变轴承承载面的气膜厚度，从而提高了轴承的刚度。
本实用新型弹性薄板上节流孔的位置和数目以及大小均与刚度相关。
本实用新型的实现还在于：弹性薄板的厚度为0.2mm～0.6mm。通过弹性变化实现控制。
本实用新型的实现还在于：弹性薄板上节流孔沿轴向对称均匀分布，同时沿径向对称分布。节流孔沿轴向和径向对称分布可以保证其轴承承载力在轴向方向保持稳定，可以有效的避免轴承在轴向上产生偏载，这在精密机械加工中尤其重要，有效的降低轴承产生的偏心，同时也提高了轴承的刚度。
由于本实用新型在科研实践中不断试验了探索，反复修改，设计了利用轴承本身构件弹性薄板，过渡圈和基座，槽孔结合相互沟通，联合作用实现可变均压槽的结构，利用自身结构来控制承载面上弹性均压槽截面积和节流器节流面积的变化，提高轴承的刚度。有效地解决了提高径向静压轴承刚度以及结构成型后刚度可控的技术问题。提供了一种适于工程大量应用的、刚度可调、结构精巧、简单、无需任何附加机构、可方便应用的高刚度静压气体径向轴承。
附图说明：
图1是本实用新型的装配剖面示意图；
图2是图1所示装置的左视图；
图3是本实用新型弹性薄板的结构示意图；
图4是图3所示弹性薄板的左视图；
图5是过渡圈的结构示意图；
图6是图5所示过渡圈的左视图；
图7是本实用新型基座的结构示意图；
图8是图7所示基座的左视图。
为了清晰显示本实用新型的构成与关系，附图中结构比例与实际比例不一致，均为示意图。
具体实施方式：
下面结合附图进行详细说明
实施例1：如图1所示，本实用新型是一种高刚度静压气体径向轴承，为了克服现有气体静压径向轴承本身刚度低的弱点，同时又不需要依附繁杂的控制系统，本实用新型利用自身结构进行统一设计，使得各个构件均为提高静压径向轴承的刚度而合理设计。高刚度静压气体径向轴承包括有弹性薄板1，过渡圈2和基座3。轴承过渡圈2上对称均匀分布有槽型气腔5，槽型气腔5的个数为8个，见图2。基座3上设有进气孔4，见图7和图8，弹性薄板1壁上开有节流孔6，节流孔6为通孔，对称均匀分布于承载面上。见图3和图4，弹性薄板1的厚度为0.5mm。槽型气腔5、进气孔4、节流孔6三者相通。为保证轴承节流器的气密性，在轴承两端设有密封槽7，8，9。见图5和图6。安装时基座3与轴承过渡圈2、过渡圈2与弹性薄板1均采用过盈配合，相互配合以保证轴承的气密性。安装完成后，在轴承过渡圈2上分布有8个气腔5。于是就形成了8个矩形弹性薄板1，薄板1上分布有16个节流孔6，见图3所示。当承载压力变化时，弹性薄板的内外表面形成压力差，使弹性薄板变形，由于弹性薄板1和过渡圈2内槽型气腔5联合作用，参见图1和图2，形成相应可变截面积的均压槽，在均压槽中心线上的环面节流器节流面积随均压槽的高度变化而变化。即当外载荷变化时，压力使弹性薄板1变形，在承载面上形成可变均压槽，均压槽的槽宽与轴承过渡圈2的槽型气腔5宽度一致，槽深即为弹性薄板1的凸凹深度，弹性薄板1上节流孔6的面积也随之改变。通过该薄板1，将节流孔6与均压槽的变化结合在一起来提高轴承的刚度。
实施例2：整体构成和具体结构同实施例1，槽型气腔5的个数12个；弹性薄板的厚度为0.2mm；节流孔6沿轴向和径向对称均匀分布。
实施例3：整体构成和具体结构同实施例1，槽型气腔5的个数10个。弹性薄板的厚度为0.3mm。节流孔6沿轴向和径向对称均匀分布。
实施例4：整体构成和具体结构同实施例1，槽型气腔5的个数10个。弹性薄板的厚度为0.4mm。节流孔6沿轴向和径向对称均匀分布。
实施例5：整体构成和具体结构同实施例1，槽型气腔5的个数8个。弹性薄板的厚度为0.4mm。节流孔6沿轴向和径向对称均匀分布。
实施例6：整体构成和具体结构同实施例1，槽型气腔5的个数6个。弹性薄板的厚度为0.5mm。节流孔6沿轴向和径向对称均匀分布。
实施例7：整体构成和具体结构同实施例1，槽型气腔5的个数6个。弹性薄板的厚度为0.6mm。节流孔6沿轴向和径向对称均匀分布。
实施例8：本实用新型的构成及工作过程
如图1所示，本实用新型由弹性薄板1，轴承过渡圈2，基座3组成。同时在弹性薄板1上还均布有节流孔6，基座3上有进气孔4。安装完成后，在轴承上形成了槽型气腔5。槽型气腔5、进气孔4、节流孔6三者相通。弹性薄板1的厚度为0.5mm，内径为Φ60，与主轴配合。制造过程中轴承内的槽型气腔5中充满压力为p1的气体，使承载面上形成的轴向弹性薄板外凸，见图1中节流器均压槽中的薄板剖面。平面加工完成后的自然状态下，轴承的承载面上的弹性变形部分就出现了凹下去的初始轴向均压槽。槽宽与轴承内的槽型气腔5宽度一致，槽深与p1的大小及位置有关。轴承工作时，轴承内的轴向槽型气腔5中供气压力为ps(ps>p1)。在载荷逐渐增大的过程中，轴向弹性薄板所承受的分布载荷使均压槽进一步内凹，轴承的承载能力随均压槽的变化提高；节流环面的高度增加，节流孔6的口径即节流口面积增大，节流后的压力p0进一步增加，轴承的承载能力继续提高；同时，轴承未承载的那边随着载荷减小，均压槽几乎消失，承载能力明显下降；节流环面的高度减小，节流口面积减小，节流后的压力p0进一步减小，承载能力继续减弱。这一正、一反的作用使轴承承载能力迅速提高。在载荷逐渐减小的过程中，弹性薄板1所承受的分布载荷使均压槽内凹减小，轴承的承载能力随均压槽的变化减小；节流环面的高度减小，节流口面积减小，节流后的压力p0进一步减小，轴承的承载能力继续降低；同时，轴承承载的那边随着载荷增加，使均压槽进一步内凹，承载能力明显上升；节流环面的高度增加，节流口面积增大，节流后的压力p0进一步增大，承载能力继续增加。这一正、一反的作用使轴承承载能力迅速降低。最终的结果是载荷变化时轴心的位置变化很小，甚至不动，即静刚度可达到很高。
Claims (4)
1.一种高刚度静压气体径向轴承，包括弹性薄板，过渡圈和基座，其特征在于：基座与过渡圈(2)，过渡圈(2)与弹性薄板(1)之间均为过盈配合，沿过渡圈(2)的圆周外表面上对称均匀分布有槽型气腔(5)，槽型气腔间相互沟通，基座(3)上设有进气孔(4)，弹性薄板(1)壁上开有节流孔(6)，槽型气腔(5)与进气孔(4)以及节流孔(6)相通；当承载压力变化时，弹性薄板(1)和过渡圈(2)内槽型气腔(5)联合作用，在承载面上形成相应可变截面积的均压槽，在均压槽轴向中心线上的环面节流面积随均压槽的高度变化而变化。
2.根据权利要求1所述的高刚度静压气体径向轴承，其特征在于：槽型气腔(6)的个数为6～12个。
3.根据权利要求2所述的高刚度静压气体径向轴承，其特征在于：所说的弹性薄板的厚度为0.2mm～0.6mm。
4.根据权利要求3所述的高刚度静压气体径向轴承，其特征在于：弹性薄板(1)上的节流孔(6)沿径向、轴向对称分布。
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