TWI694215B - 混合式動壓氣體徑向軸承 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種混合式動壓氣體徑向軸承，其包括軸承外套和內套及設置在軸承外套和內套之間的箔型彈性件，所述軸承內套的外圓周面和兩端面均具有規則形狀的槽式花紋，且一端面的槽式花紋與另一端面的槽式花紋形成鏡像對稱，以及外圓周面的槽式花紋的軸向輪廓線與兩端面的槽式花紋的徑向輪廓線均形成一一對應並相互交接。本發明提供的混合式動壓氣體徑向軸承既具有槽式動壓氣體徑向軸承的高極限轉速的剛性特徵、又具有箔片式動壓氣體徑向軸承的高抗衝擊能力和載荷能力的柔性特徵，可滿足動壓氣體徑向軸承在較大載荷下的超高速領域的應用。

Description

混合式動壓氣體徑向軸承
本發明涉及一種動壓氣體徑向軸承，具體說，是涉及一種既具有槽式動壓氣體徑向軸承的高極限轉速的剛性特徵、又具有箔片式動壓氣體徑向軸承的高抗衝擊能力和載荷能力的柔性特徵的混合式動壓氣體徑向軸承，屬於氣體軸承技術領域。
氣體軸承具有速度高、精密度高、耐高溫、摩擦損耗小、壽命長等優點，經過最近幾十年的迅速發展，氣體軸承已經在高速支承、高精密支承等領域取得了廣泛應用。目前氣體軸承已經發展出多種類型，主要分為動壓型和靜壓型。
動壓氣體軸承是以氣體作為潤滑劑，在軸與軸承之間構成氣膜，是移動面與靜止面不直接接觸的軸承形式，具有無污染、摩擦損失低、適應溫度範圍廣、運轉平穩、使用時間長、工作轉速高等諸多優點。由於摩擦損失少，也不需要使用液體潤滑油，因此在高速回轉應用領域上被廣泛使用，尤其是通常被使用在很難用滾動軸承支持的超高速應用領域以及不易使用液體潤滑油處。
動壓氣體軸承按承受載荷的方向不同，又分為動壓氣體徑向軸承、動壓氣體推力軸承和動壓氣體徑向推力組合軸承。動壓氣體徑向軸承是由相對移動的兩個工作面形成楔形空間，當它們相對移動，氣體因其自身的黏性作用被帶動，並被壓縮到楔形間隙內，由此產生動壓力而支承載荷。不同結構形式的氣體動壓徑向軸承由於結構上的差異，其工作過程略有不同。目前較為常見的幾種動壓氣體徑向軸承結構形式有：可傾瓦式、槽式和箔片式。
可傾瓦式動壓氣體徑向軸承是一種性能優良的動壓氣體軸承，具有自調性能，能在更小的氣膜間隙範圍內安全工作，對熱變形、彈性變形等不敏感，且加工精度易得到保證，還對載荷的變化具有“自動跟蹤”的突出優點，目前國內外主要應用於大型高速旋轉機械和渦輪機械；但其軸瓦結構比較複雜，安裝工藝複雜，較一般徑向軸承要求高，從而限制了其應用。
雖然箔片式動壓氣體徑向軸承具有彈性支承，可使軸承相應獲得一定的承載能力和緩和衝擊振動的能力，但由於箔片軸承一般採用的是金屬箔片，不僅材料製造技術和加工工藝技術上還存在一些難題，而且軸承的阻尼值不能很大提高，導致軸承的剛性不夠，軸承的臨界轉速較低，在高速運轉時容易失穩甚至卡死。
而槽式動壓氣體徑向軸承具有較好的穩定性，即使在空載下也有一定的穩定性，況且，在高速下，其靜態承載能力較其它形式的軸承大，目前多用於小型高速旋轉機械上，如在陀螺儀和磁鼓之類的精密機械中作為軸承。但由於槽式動壓氣體徑向軸承具有高剛性，因此其抗衝擊能力不夠好及載荷能力不夠大，不能實現較大載荷下的高速運轉。
如何實現既具有槽式動壓氣體徑向軸承的高極限轉速的剛性特徵、又具有箔片式動壓氣體徑向軸承的高抗衝擊能力和載荷能力的柔性特徵的混合式動壓氣體徑向軸承，不僅是本領域研究人員一直渴望實現的目標，而且對實現動壓氣體徑向軸承在較大載荷下的超高速領域的應用具有重要價值和深遠意義。
針對習知技術存在的上述問題和需求，本發明所要解決的技術問題就是提供一種既具有槽式動壓氣體徑向軸承的高極限轉速的剛性特徵、又具有箔片式動壓氣體徑向軸承的高抗衝擊能力和載荷能力的柔性特徵的混合式動壓氣體徑向軸承，實現動壓氣體徑向軸承在較大載荷下的超高速領域的應用。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下：
一種混合式動壓氣體徑向軸承，包括：軸承外套和內套及設置在軸承外套和內套之間的箔型彈性件，所述軸承內套的外圓周面和兩端面均具有規則形狀的槽式花紋，且一端面的槽式花紋與另一端面的槽式花紋形成鏡像對稱，以及外圓周面的槽式花紋的軸向輪廓線與兩端面的槽式花紋的徑向輪廓線均形成一一對應並相互交接。
作為一種實施方案，所述軸承內套的外圓周面的槽式花紋中的軸向高位線與兩端面的槽式花紋中的徑向高位線均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向中位線與兩端面的槽式花紋中的徑向中位線均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向低位線與兩端面的槽式花紋中的徑向低位線均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接。
作為一種實施方案，所述的槽式花紋為葉輪形狀。
作為一種優選方案，在與軸承內套的外圓周面相配合的箔型彈性件的配合面上設有耐磨塗層。
作為一種優選方案，所述的箔型彈性件與軸承內套的配合間隙為0.003～0.008mm。
作為一種優選方案，所述的箔型彈性件的兩端均固定在軸承外套的內圓周壁上。
作為一種優選方案，所述的箔型彈性件為多個，且沿軸承外套的內圓周壁均勻分佈。
作為進一步優選方案，在軸承外套的內圓周壁設有用於固定箔型彈性件的卡槽。
作為一種優選方案，所述的箔型彈性件經過表面熱處理。
作為一種實施方案，所述的箔型彈性件由波箔和平箔組成，所述波箔的弧形凸起頂端與平箔相貼合，所述波箔的波拱間過渡底邊與軸承外套的內圓周壁相貼合。
作為另一種實施方案，所述的箔型彈性件由波箔和平箔組成，所述波箔的弧形凸起頂端與軸承外套的內圓周壁相貼合，所述波箔的波拱間過渡底邊與平箔相貼合。
作為又一種實施方案，所述的箔型彈性件由兩個平箔組成，其中靠近軸承外套內圓周壁的平箔上設有通孔。
作為一種優選方案，在軸承外套的兩端設有止環。
作為一種優選方案，軸承外套的外圓周上具有同軸的通孔和凹孔，所述的通孔位於同軸的凹孔內。
與習知技術相比，本發明具有如下顯著性進步：
本發明通過在軸承外套和軸承內套之間設置箔型彈性件，並使軸承內套的外圓周面和兩端面均具有規則形狀的槽式花紋，且外圓周面的槽式花紋的軸向輪廓線與兩端面的槽式花紋的徑向輪廓線均形成一一對應並相互交接，並且一端面的槽式花紋與另一端面的槽式花紋形成鏡像對稱，從而得到了既具有槽式動壓氣體徑向軸承的高極限轉速的剛性特徵、又具有箔片式動壓氣體徑向軸承的高抗衝擊能力和載荷能力的柔性特徵的混合式動壓氣體徑向軸承；相對於現有的單純槽式動壓氣體徑向軸承，具有在相同轉速下成倍增加的抗衝擊能力和載荷能力；而相對於現有的單純箔片式動壓氣體徑向軸承，具有在相同載荷下成倍增加的極限轉速；經測試，本發明提供的混合式動壓氣體徑向軸承可實現在3～5kg載荷下的極限轉速可達160,000rpm～480,000rpm，而現有的動壓氣體徑向軸承只能實現1～3kg的載荷，極限轉速最高只能達到100,000rpm～180,000rpm；可見，本發明可實現動壓氣體徑向軸承在較大載荷下的超高速領域的應用，相對於習知技術取得了顯著性進步，使得動壓氣體徑向軸承技術的研究跨上了新臺階。
下面結合附圖及實施例對本發明的技術方案做進一步詳細地說明。
實施例1
如圖1和圖3所示：本實施例提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承，包括：軸承外套1和軸承內套2，所述軸承內套2的外圓周面和左、右端面均具有規則形狀的槽式花紋（如圖中的21、22和23，本實施例中的槽式花紋均為葉輪形狀），且左端面的槽式花紋22與右端面的槽式花紋23形成鏡像對稱。
結合圖1至圖4所示：所述軸承內套2的外圓周面的槽式花紋21的軸向輪廓線與左、右端面的槽式花紋（22和23）的徑向輪廓線均形成一一對應並相互交接，即：外圓周面的槽式花紋21中的軸向高位線211與左、右端面的槽式花紋（22和23）中的徑向高位線（221和231）均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋21中的軸向中位線212與左、右端面的槽式花紋（22和23）中的徑向中位線（222和232）均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋21中的軸向低位線213與左、右端面的槽式花紋（22和23）中的徑向低位線（223和233）均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接。
通過使左端面的槽式花紋22與右端面的槽式花紋23形成鏡像對稱及軸承內套2的外圓周面的槽式花紋21的軸向輪廓線與左、右端面的槽式花紋（22和23）的徑向輪廓線均形成一一對應並相互交接，可保證兩端面的葉輪形狀的槽式花紋（22和23）所產生的增壓氣體從軸心沿徑向不斷地往外圓周面的槽式花紋21形成的凹槽通道裡輸送，以致形成更強支撐高速運轉軸承所需的氣膜，而氣膜即作為動壓氣體徑向軸承的潤滑劑，因此實現了所述的混合式動壓氣體徑向軸承可在氣浮狀態下的高速穩定運轉，保證了高極限轉速。
如圖5所示：本實施例提供的混合式動壓氣體徑向軸承還包括設置在軸承外套1和軸承內套2之間的箔型彈性件3。由於箔型彈性件3與軸承內套2的外圓周面間形成了楔形空間，因此，當軸承內套2轉動時，氣體因其自身的黏性作用被帶動並被壓縮到楔形空間內，使徑向動壓力得到顯著增強以致可成倍增大支撐力；同時，由於增加了箔型彈性件3，在其彈性作用下，還可使軸承的載荷能力增強，使軸承的抗衝擊能力和抑制軸渦動的能力顯著提高。所述的箔型彈性件3可為多個（圖5中示出了3個），每個箔型彈性件3的兩端均固定在軸承外套1的內圓周壁上。
結合圖5和圖6所示：所述的箔型彈性件3可採用波箔31和平箔32組成，所述波箔31的弧形凸起311的頂端與平箔32相貼合，所述波箔31的波拱間過渡底邊312與軸承外套1的內圓周壁相貼合。在軸承外套1的內圓周壁設有用於固定箔型彈性件3兩端的卡槽12，所述卡槽12與箔型彈性件3的數量相對應，且均沿軸承外套1的內圓周壁均勻分佈。
如圖7所示：在與軸承內套2的外圓周面相配合的箔型彈性件3的配合面（即：構成箔型彈性件3的平箔32的內表面）上設有耐磨塗層，以降低高速運轉的軸承內套2對箔型彈性件3的磨損，延長軸承的使用壽命。
另外，當在軸承外套1的兩端分別設置止環11時，可實現在高速回轉軸的帶動下，使軸承內套2的兩端面與止環11間產生自密封作用，使槽式花紋連續產生的動壓氣體能完好地密閉保存在軸承的整個配合間隙中，充分保證高速運轉的動壓氣體徑向軸承的潤滑需要。
本發明所述的箔型彈性件3優選均經過表面熱處理，以更好地滿足高速運轉的性能要求；所述的箔型彈性件3與軸承內套2的配合間隙優選為0.003～0.008mm，以進一步確保軸承高速運轉的可靠性和穩定性。
實施例2
如圖8所示，本實施例提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承與實施例1的區別僅在於：所述的箔型彈性件3由波箔31和平箔32組成，所述波箔31的弧形凸起311的頂端與軸承外套1的內圓周壁相貼合，所述波箔31的波拱間過渡底邊312與平箔32相貼合。
圖9所示為所述波箔31的結構示意圖。
實施例3
如圖10和11所示，本實施例提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承與實施例1的區別僅在於：所述的箔型彈性件3由平箔32和設有通孔331的平箔33組成。
實施例4
如圖12所示，本實施例提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承與實施例1的區別僅在於：在所述軸承外套1的外圓周上具有同軸的通孔13和凹孔14，所述的通孔13位於同軸的凹孔14內。所設置的通孔13和凹孔14是為了方便用於線上監測所述軸承運行狀態的感測器（例如：溫度感測器、壓力感測器、轉速感測器等）的安裝和資料獲取。
另外需要說明的是：本發明所述的箔型彈性件3的組成結構不僅限於上述實施例中所述，只要保證其與內外套之間的配合關係滿足本發明所述的實質性要求即可。
經測試：本發明提供的混合式動壓氣體徑向軸承可實現在3～5kg載荷下的極限轉速可達160,000rpm～480,000rpm；而現有的動壓氣體徑向軸承只能實現1～3kg的載荷，極限轉速最高只能達到100,000rpm～180,000rpm。可見，本發明可實現動壓氣體徑向軸承在較大載荷下的超高速領域的應用，相對於習知技術取得了顯著性進步，使得動壓氣體徑向軸承技術的研究跨上了新臺階。
最後有必要在此指出的是：以上內容只用於對本發明所述技術方案做進一步詳細說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，本領域中具有通常知識者根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬於本發明的保護範圍。
1‧‧‧軸承外套11‧‧‧止環12‧‧‧卡槽13‧‧‧通孔14‧‧‧凹孔2‧‧‧軸承內套21‧‧‧外圓周面的槽式花紋211‧‧‧軸向高位線212‧‧‧軸向中位線213‧‧‧軸向低位線22‧‧‧左端面的槽式花紋221‧‧‧徑向高位線222‧‧‧徑向中位線223‧‧‧徑向低位線23‧‧‧右端面的槽式花紋231‧‧‧徑向高位線232‧‧‧徑向中位線233‧‧‧徑向低位線3‧‧‧箔型彈性件31‧‧‧波箔311‧‧‧弧形凸起312‧‧‧波拱間過渡底邊32‧‧‧平箔331‧‧‧通孔
圖1是本發明實施例1提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承的局部分割的左視立體結構示意圖； 圖2是圖1中的A局部放大圖； 圖3是本發明實施例1提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承的局部分割的右視立體結構示意圖； 圖4是圖3中的B局部放大圖； 圖5是本發明實施例1提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承的剖面結構示意圖； 圖6是圖5中的C局部放大圖； 圖7是圖6中的D局部放大圖； 圖8是本發明實施例2提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承的剖面結構示意圖； 圖9是圖8中波箔的結構示意圖； 圖10是本發明實施例3提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承的剖面結構示意圖； 圖11是圖10中設有通孔的平箔的結構示意圖； 圖12是本發明實施例4提供的一種混合式動壓氣體徑向軸承的剖面結構示意圖。
1‧‧‧軸承外套
11‧‧‧止環
2‧‧‧軸承內套
21‧‧‧外圓周面的槽式花紋
22‧‧‧左端面的槽式花紋

Claims (13)

  1. 一種混合式動壓氣體徑向軸承，包括：軸承外套和軸承內套及設置在軸承外套和軸承內套之間的箔型彈性件，所述軸承內套的外圓周面和兩端面均具有規則形狀的槽式花紋，且一端面的槽式花紋與另一端面的槽式花紋形成鏡像對稱，以及外圓周面的槽式花紋的軸向輪廓線與兩端面的槽式花紋的徑向輪廓線均形成一一對應並相互交接。
  2. 如請求項1所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中外圓周面的槽式花紋中的軸向高位線與兩端面的槽式花紋中的徑向高位線均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向中位線與兩端面的槽式花紋中的徑向中位線均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接；外圓周面的槽式花紋中的軸向低位線與兩端面的槽式花紋中的徑向低位線均相對應、並在端面圓周倒角前相互交接。
  3. 如請求項1所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中在與軸承內套的外圓周面相配合的箔型彈性件的配合面上設有耐磨塗層。
  4. 如請求項1或3所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件與軸承內套的配合間隙為0.003～0.008mm。
  5. 如請求項1所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件的兩端均固定在軸承外套的內圓周壁上。
  6. 如請求項1或5所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件為多個，且沿軸承外套的內圓周壁均勻分佈。
  7. 如請求項1或5所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中在軸承外套的內圓周壁設有用於固定箔型彈性件的卡槽。
  8. 如請求項1所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件經過表面熱處理。
  9. 如請求項1或8所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件由波箔和平箔組成，所述波箔的弧形凸起頂端與平箔相貼合，所述波箔的波拱間過渡底邊與軸承外套的內圓周壁相貼合。
  10. 如請求項1或8所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件由波箔和平箔組成，所述波箔的弧形凸起頂端與軸承外套的內圓周壁相貼合，所述波箔的波拱間過渡底邊與平箔相貼合。
  11. 如請求項1或8所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述的箔型彈性件由兩個平箔組成，靠近軸承外套內圓周壁的平箔上設有通孔。
  12. 如請求項1所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中在軸承外套的兩端設有止環。
  13. 如請求項12所述的混合式動壓氣體徑向軸承，其中所述軸承外套的外圓周上具有同軸的通孔和凹孔，所述的通孔位於同軸的凹孔內。
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