CN210317877U - 一种高速风机轴系结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高速风机轴系结构，包括水平设置的电机主轴和设置在电机主轴上的旋转部分；在电机主轴上设有轴肩和三组定位台阶；所述旋转部分包括锁紧单元、叶轮单元、衬套单元、轴承单元、端环单元以及铜转子，所述铜转子套设在电机主轴上且通过轴肩定位；所述旋转部分还包括平衡套单元，所述平衡套单元用于在高速风机轴系动平衡时替代叶轮单元，本实用新型的高速风机轴系结构结构简单、工艺可靠且能够有效解决现有技术中存在的电机主轴与叶轮单元连接后在高速下的接触刚度不足或动平衡失效引起的振动加剧问题。

Description

一种高速风机轴系结构

技术领域

本实用新型涉及机械制造技术领域，具体涉及一种高速风机轴系结构。

背景技术

高速旋转机械设备被广泛应用于国防、冶金、环保和化工等领域，常见的高速旋转机械设备如各类大型风机、蒸汽压缩机、高炉鼓风机和离心压缩机等。高速旋转机械设备在我国国民经济中占有极其重要的地位。

传统的高速旋转机械设备在传动方式上多采用普通电机作为动力源，并借助增速箱系统(如皮带传动和齿轮箱传动等)实现设备旋转部分增速。然而，采用该类传动方式的旋转机械设备所能达到的最高工作转速较低、传动系统复杂、工作时振动噪声大、故障点多、维修难度大、能量消耗高、工作效率低且不利于实现无级调速。

为了实现无级调速、节能降耗、设备体积小型化以及提高旋转机械的极限工作转速，高速旋转机械设备的发展趋势是直接采用变频电源驱动的高速电机作为动力源，取代传统的普通电机和增速箱系统，即高速电机直接驱动离心叶轮。采用这种驱动方式构成的高速风机集成了机械、电气、电力电子和气动力学等各种先进技术的高度机电气一体化产品，其特点在于，将电机的功能与传统的齿轮箱等传动系统从结构上融为一体，省去了复杂的中间传动环节，具有调速范围宽、转动惯量小、工作效率高和易于实现无级调速等优点。

但是，在省去增速箱的情况下，直接通过电机主轴驱动离心叶轮，不仅要保证电机端盖与叶轮的蜗壳配对连接，还需要解决电机主轴与叶轮连接后在高速下的接触刚度不足或动平衡失效引起的振动加剧问题，常见的电机主轴与叶轮的连接方式及缺陷如下：

(1)叶轮与电机主轴采用键连接方式，键与槽的间隙配合，将破坏轴系的动平衡精度，键与叶轮轴孔弧面的局部接触，容易产生摩擦磨损，且安装的重复性不高，长期使用存在振动现象加剧；

(2)叶轮与电机主轴采用锥面连接方式，虽然保证了接触刚度，但难以保证锥面形状的精度，导致叶轮的轴向位置精度误差大，影响叶轮背面与蜗壳的装配精度，加大气流泄漏，引发异常的气动噪声，且难以采用消声器予以消除；

(3)叶轮与电机主轴还可以采用螺杆连接方式，即采用空心轴与螺杆连接，螺杆两端均设有外螺纹，空心轴的内侧壁设有内螺纹，螺杆一端的外螺纹与叶轮内部螺纹连接，螺杆另一端的外螺纹与空心轴内螺纹连接，空心轴远离螺杆的一端与电机主轴连接。这种连接方式的结构复杂、加工困难且部件加工精度匹配性差。叶轮叶片不能装夹，即便留有夹位，也极易引起装夹变形。在加工螺杆和空心轴的螺纹时，容易引起振刀，出现乱牙现象，导致叶轮的轴向位置精度误差大。若采用超精密设备加工螺杆和空心轴的螺纹，则会造成加工周期延长和加工成本增加，且难以消除叶轮的轴向位置精度误差。此外，螺杆连接方式与锥面连接方式类似，因叶轮的轴向位置精度误差大，都存在电机主轴与叶轮的接触刚度不足造成气流泄漏量大和异常气动噪声引起的振动加剧问题。

相比于传统的增速型高速风机，直驱式高速风机具有原理性优势，在结构上和工艺上都具有工业应用价值和推广价值。锥面连接和螺杆连接在结构上虽可保证电机主轴与叶轮的接触刚度，但在工艺上难以实现，进而无法保证电机主轴与叶轮的接触刚度；键槽连接方式在工艺上虽易实现，但在结构上存在不足，无法保证轴系的动平衡精度。综上所述，急需一种高速风机轴系结构以解决现有技术中存在的电机主轴与叶轮连接后在高速下的接触刚度不足或动平衡失效引起的振动加剧问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高速风机轴系结构，具体技术方案如下：

一种高速风机轴系结构，包括水平设置的电机主轴和设置在电机主轴上的旋转部分；

所述旋转部分包括设置在电机主轴上的锁紧单元、叶轮单元、衬套单元、轴承单元、端环单元以及铜转子，所述铜转子位于电机主轴的中部并通过端环单元实现位置固定，所述端环单元、轴承单元、衬套单元和叶轮单元均分别设置在铜转子的两侧且沿电机主轴的长度方向由内至外依次分布，所述锁紧单元位于电机主轴的两端并用于实现对整个轴系结构的锁紧固定；

在所述电机主轴上设置有至少一个用于定位铜转子的轴肩以及分别用于对应定位轴承单元、衬套单元和叶轮单元的第一组定位台阶、第二组定位台阶和第三组定位台阶；每组定位台阶均包括位于轴肩两侧的左定位台阶和右定位台阶，同组的两个定位台阶的直径大小相同且均小于轴肩的直径，第一组定位台阶、第二组定位台阶及第三组定位台阶的直径依次递减；

所述旋转部分还包括用于在调试高速风机轴系动平衡时替代叶轮单元的平衡套单元。

优选的，所述铜转子在沿电机主轴长度方向的两端均设有凸台结构，所述端环单元包括左端环和右端环，所述左端环和右端环均设有与铜转子的凸台结构匹配的凹槽结构。

优选的，所述轴承单元包括左轴承和右轴承，所述左轴承和右轴承均为密封角接触轴承。

优选的，所述叶轮单元包括左叶轮和右叶轮；所述衬套单元包括左衬套和右衬套；所述平衡套单元包括左平衡套和右平衡套。

优选的，所述锁紧单元包括轴头螺母和轴头螺栓中的至少一种，所述锁紧单元包括左锁紧件和右锁紧件，所述左锁紧件的拧紧方向与左叶轮的旋转方向相反，所述右锁紧件的拧紧方向与右叶轮的旋转方向相反。当锁紧单元仅为轴头螺母时，电机主轴的两端分别设有与轴头螺母的内螺纹匹配的外螺纹；当锁紧单元仅为轴头螺栓时，电机主轴的两端分别设有与轴头螺栓的外螺纹匹配的内螺纹；当锁紧单元包括轴头螺母和轴头螺栓两种时，电机主轴的一端设有与轴头螺母的内螺纹匹配的外螺纹，另一端设有与轴头螺栓的外螺纹匹配的内螺纹。

优选的，所述高速风机轴系结构在工作时采用电机作为动力源，所述电机为采用变频电源驱动的高速电机。

应用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

与现有技术相比，本实用新型所述的高速风机轴系结构采用衬套单元对轴承单元的滚动轴承内圈进行轴向限位，取代了传统的锁紧螺母和\或锁紧销钉对轴承单元的滚动轴承内圈的轴向限位，进而省去了与锁紧螺母配合设置的锁紧螺纹，在结构上更为简化，在工艺上更加精简；此外，衬套单元结构简单、容易制造且精度能够保证，便于确保叶轮单元的轴向位置精度；采用密封角接触轴承，代替了液体轴承或气浮轴承，进而取消了供油或供气系统，使成本更低，采用密封角接触轴承取消了止推轴承和止推盘的使用，简化了轴系结构，此外，在相同功率和转速条件下，密封角接触轴承的使用寿命能够满足用户需求。本实用新型采用轴头螺母和/或轴头螺栓与电机转轴的外螺纹和/或内螺纹进行配对锁紧，代替了螺杆和空心轴的螺纹锁紧机构，在满足同等锁紧功能条件下，结构上更简单，制造工艺更可靠。本实用新型的高速风机轴系结构结构简单、工艺可靠且能够有效解决现有技术中存在的电机主轴与叶轮单元连接后在高速下的接触刚度不足或动平衡失效引起的振动加剧问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例1的一种高速风机轴系结构的示意图；

图2是图1中第三组定位台阶、锁紧单元、衬套单元以及采用平衡套单元替代叶轮单元时的局部放大结构示意图(锁紧单元为轴头螺母)；

图3是图1中第三组定位台阶、锁紧单元和叶轮单元的局部放大结构示意图(锁紧单元为轴头螺栓)；

其中，1、锁紧单元，1.1、左锁紧件，1.2、右锁紧件，2、叶轮单元，2.1、左叶轮，2.2、右叶轮，3、衬套单元，3.1、左衬套，3.2、右衬套，4、轴承单元，4.1、左轴承，4.2、右轴承，5、端环单元，5.1、左端环，5.2、右端环，6、铜转子，7、平衡套单元，7.1、左平衡套，7.2、右平衡套，8、电机主轴，8.1、轴肩，8.2、第一组定位台阶，8.3、第二组定位台阶，8.4、第三组定位台阶。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1-2，一种高速风机轴系结构，包括水平设置的电机主轴8和设置在电机主轴8上的旋转部分；

在所述电机主轴8上环向设有一个轴肩8.1和依次间隔设置在轴肩左右两侧的第一组定位台阶8.2、第二组定位台阶8.3及第三组定位台阶8.4，每组定位台阶均包括位于轴肩两侧的左定位台阶和右定位台阶，同组的两个定位台阶的直径大小相同且均小于轴肩的直径，第一组定位台阶8.2、第二组定位台阶8.3及第三组定位台阶8.4的直径依次递减；

所述旋转部分包括锁紧单元1、叶轮单元2、衬套单元3、轴承单元4、端环单元5以及铜转子6，所述铜转子6套设在电机主轴8上且通过轴肩8.1定位，所述端环单元5包括左端环5.1和右端环5.2且二者分别套设在电机主轴8上并位于铜转子6的左右两侧，用于固定铜转子6，所述轴承单元4包括左轴承4.1和右轴承4.2且二者分别套设在电机主轴8的第一组定位台阶8.2的左定位台阶和右定位台阶上并位于左端环5.1的左侧和右端环5.2的右侧，所述衬套单元3包括左衬套3.1和右衬套3.2且二者分别套设在电机主轴8的第二组定位台阶8.3的左定位台阶和右定位台阶上并位于左轴承4.1的左侧和右轴承4.2的右侧，所述叶轮单元2包括左叶轮2.1和右叶轮2.2且二者分别套设在电机主轴8的第三组定位台阶8.4的左定位台阶和右定位台阶上并位于左衬套3.1的左侧和右衬套3.2的右侧，所述锁紧单元1包括左锁紧件1.1和右锁紧件1.2且二者分别固定在电机主轴8的两端且位于左叶轮2.1的左侧和右叶轮2.2的右侧，所述左锁紧件1.1的拧紧方向与左叶轮2.1的旋转方向相反，所述右锁紧件1.2的拧紧方向与右叶轮2.2的旋转方向相反，在电机工作时保证了电机主轴8旋转时锁紧单元1由于惯性作用会越旋越紧；所述旋转部分还包括平衡套单元7，所述平衡套单元7包括左平衡套7.1和右平衡套7.2，所述左平衡套7.1和右平衡套7.2用于在高速风机轴系动平衡时分别替代左叶轮2.1和右叶轮2.2。

参见图1，所述铜转子6在沿电机主轴8长度方向的两端均设有凸台结构，,所述左端环5.1和右端环5.2均设有与铜转子6的凸台结构匹配的凹槽结构。

所述左轴承4.1和右轴承4.2均为密封角接触轴承。

参见图1-2，所述锁紧单元1为轴头螺母，电机主轴8的两端分别设有与轴头螺母的内螺纹匹配的外螺纹。参见图3，所述锁紧单元1还可选为轴头螺栓，电机主轴8的两端分别设有与轴头螺栓的外螺纹匹配的内螺纹。

所述高速风机轴系结构在工作时采用电机(图中未示出)作为动力源，所述电机为采用变频电源驱动的高速电机，电机的端盖分别连接左叶轮的蜗壳和右叶轮的蜗壳。

本实用新型所述的高速风机轴系结构在组装时，包括以下步骤：

步骤1、首先，采用立式工装(图中未示出)将加热后的铜转子6热套在电机主轴8上并通过轴肩8.1定位，其次，采用立式工装将加热后的左端环5.1热套在铜转子6的左侧，随后采用内径尺寸为左端环5.1内径的1.05倍的套筒(图中未示出)将铜转子6和左端环5.1进行轴向压紧并冷却至室温，最后，采用同样方法将右端环5.2热套在铜转子6的右侧并采用套筒进行轴向压紧冷却至室温；

步骤2、对高速风机轴系进行动平衡，首先，将左衬套3.1和右衬套3.2分别加热套设在电机主轴8的第二组定位台阶8.3的左定位台阶和右定位台阶上，冷却至室温后，在左衬套3.1和右衬套3.2上去重并进行动平衡，其次，将左平衡套7.1和右平衡套7.2分别加热套设在电机主轴8的第三组定位台阶8.4的左定位台阶和右定位台阶上，冷却至室温后，在左平衡套7.1和右平衡套7.2上去重并进行动平衡，将左锁紧件1.1和右锁紧件1.2分别固定在电机主轴8的两端，最后，在电机主轴8上分别标记左衬套3.1、右衬套3.2、左平衡套7.1、右平衡套7.2、左锁紧件1.1和右锁紧件1.2的位置；

步骤3、在高速风机轴系动平衡结束后，首先，将电机主轴8的两端左锁紧件1.1和右锁紧件1.2分别拆除，其次，依次加热左平衡套7.1、左衬套3.1、右衬套3.2和右平衡套7.2并依次快速拔出；

步骤4、对旋转部分的剩余单元进行组装，首先，将左轴承4.1和右轴承4.2分别加热套设在电机主轴8的第一组定位台阶8.2的左定位台阶和右定位台阶上，其次，将左衬套3.1加热并对准步骤2中左衬套3.1在动平衡时标记的位置快速套装，然后，根据左衬套3.1的加热和套装方法依次套装右衬套3.2、左叶轮2.1和右叶轮2.2，最后，安装左锁紧件1.1和右锁紧件1.2并至动平衡时标记的位置。

所述步骤1-步骤4中的加热均采用电加热设备加热(优选变频电磁感应加热器)。

所述步骤1中采用的立式工装的高度为电机主轴8长度的1.05倍，避免立式工装在作业时碰伤电机主轴8的轴头。

所述步骤4中左衬套3.1、右衬套3.2、左叶轮2.1和右叶轮2.2在套装时若出现偏差，可采用电加热设备局部加热左衬套3.1、右衬套3.2、左叶轮2.1和右叶轮2.2，调整左衬套3.1、右衬套3.2、左叶轮2.1和右叶轮2.2至对应的标记位置，从而最大限度保证轴系的动平衡精度。

本实用新型的高速风机轴系结构结构简单、工艺可靠且能够有效解决现有技术中存在的电机主轴8与叶轮单元连接后在高速下的接触刚度不足或动平衡失效引起的振动加剧问题。本实用新型所述的高速风机轴系结构在组装时步骤精简、操作方便且实用性强。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高速风机轴系结构，其特征在于，包括水平设置的电机主轴(8)和设置在电机主轴(8)上的旋转部分；

所述旋转部分包括设置在电机主轴(8)上的锁紧单元(1)、叶轮单元(2)、衬套单元(3)、轴承单元(4)、端环单元(5)以及铜转子(6)，所述铜转子(6)位于电机主轴(8)的中部并通过端环单元(5)实现位置固定，所述端环单元(5)、轴承单元(4)、衬套单元(3)和叶轮单元(2)均分别设置在铜转子(6)的两侧且沿电机主轴(8)的长度方向由内至外依次分布，所述锁紧单元(1)位于电机主轴(8)的两端并用于实现对整个轴系结构的锁紧固定；

在所述电机主轴(8)上设置有至少一个用于定位铜转子(6)的轴肩(8.1)以及分别用于对应定位轴承单元(4)、衬套单元(3)和叶轮单元(2)的第一组定位台阶(8.2)、第二组定位台阶(8.3)和第三组定位台阶(8.4)；

所述旋转部分还包括用于在调试高速风机轴系动平衡时替代叶轮单元(2)的平衡套单元(7)。

2.根据权利要求1所述的高速风机轴系结构，其特征在于，所述铜转子(6)在沿电机主轴(8)长度方向的两端均设有凸台结构，所述端环单元(5)包括左端环(5.1)和右端环(5.2)，所述左端环(5.1)和右端环(5.2)均设有与铜转子(6)的凸台结构匹配的凹槽结构。

3.根据权利要求2所述的高速风机轴系结构，其特征在于，所述轴承单元(4)包括左轴承(4.1)和右轴承(4.2)，所述左轴承(4.1)和右轴承(4.2)均为密封角接触轴承。

4.根据权利要求3所述的高速风机轴系结构，其特征在于，所述叶轮单元(2)包括左叶轮(2.1)和右叶轮(2.2)；所述衬套单元(3)包括左衬套(3.1)和右衬套(3.2)；所述平衡套单元(7)包括左平衡套(7.1)和右平衡套(7.2)。

5.根据权利要求4所述的高速风机轴系结构，其特征在于，所述锁紧单元(1)包括轴头螺母和轴头螺栓中的至少一种，所述锁紧单元(1)包括左锁紧件(1.1)和右锁紧件(1.2)，所述左锁紧件(1.1)的拧紧方向与左叶轮(2.1)的旋转方向相反，所述右锁紧件(1.2)的拧紧方向与右叶轮(2.2)的旋转方向相反。

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