CN105452689A - 尤其在平衡机中的用于转子的气体静压轴承 - Google Patents

Abstract

在用于可旋转的转子(2)的气体静压轴承(1)中，所述转子具有旋转轴线和相对于旋转轴线而言径向延伸的支承面(7)，轴承构件(22)被不可旋转地布置在壳体(10)的孔内。所述轴承构件(22)具有与支承面(7)共同作用的抵靠支承面(26)和至少一个通入至抵靠支承面(26)内的用于压缩空气的导入通道(28)、并且在旋转轴线的方向上相对于其在壳体(10)内的位置而言通过确定的、彼此相对取向的力能够被移动、并且与阻尼体(35)一起进行有效作用，所述阻尼体被构造用于对轴承构件(22)的轴向运动进行减振。

Description

尤其在平衡机中的用于转子的气体静压轴承

技术领域

本发明涉及一种用于可旋转的转子的气体静压轴承，所述可旋转的转子具有旋转轴线和相对于旋转轴线在径向上延伸的支承面，所述气体静压轴承具有在壳体内不可旋转地布置的轴承构件，所述轴承构件具有与轴承支承面共同起作用的抵靠支承面和至少一个通入到抵靠支承面内的导入通道。

背景技术

气体静压轴承是这样的轴承，在所述轴承中通过薄的空气膜(Luftfilm)来将两个彼此相对移动的配对件彼此分隔。通过将压缩空气引入到轴承缝隙中来产生分隔的空气膜。气体静压轴承非常适合在平衡机中支承转子，原因在于，其引起转子的非常稳定的、少扰动的运转并且因此能够实现精确的不平衡测量。在气体静压轴承中存在的问题是其自激振荡的倾向。因此，例如在具有垂直旋转轴线的轴向轴承中可能存在这样的状态，其中，转子不是平稳地浮在轴承介质上，而是进行周期性的升降运动。在升高的转子位置和增大的轴承缝隙的情况下，更多的气体状的轴承介质和其中存储的压力能可能从轴承缝隙中向外部流出，使得承载转子的支承力下降并且在接下来的时刻在下降的转子中再次形成承载转子的气垫。然后，再次开始该循环。气体静压轴向轴承的该特性也被公知为“气锤”概念，原因在于，转子就像锤子一样在其轴承结构中进行垂直运动。

上文所述的进行自激振荡的倾向随着轴承负载增加而上升，原因在于，在负载的情况下，轴承缝隙中的压力增大并且因此所存储的压力能增大。到达稳定极限取决于诸如轴承结构的几何参数、轴承缝隙高度、进气孔直径等之类的不同的因素，从所述稳定极限起开始出现自激振荡。通过在支承点上的减振效应来影响稳定极限的位置，所述减振效应对于空气静力式气体静压轴承而言是内在的(immanent)并且由在轴承缝隙中的呼吸运动或往复运动所产生。如果实现通过外部措施来增强减振，那么稳定极限可以被朝向较大的负载方向推移。

在从DE2448785A1中公知的轴向负载的滚动轴承与流体静力式轴向轴承的组合中，流体静力式轴向轴承被支撑在壳体内的活塞之上，其中，将液压油从活塞腔经由节流的连接管路导引至液压静力式轴向轴承。滚动轴承的外圈在壳体内是可移动的，并且其传递力的端面贴靠在类似活塞的箱体(Büchse)上，所述箱体在背离外圈的一侧上具有被构造为液压静力式控制轴承的端面，并且限定了与活塞腔连通的油压腔。液压静力式轴向轴承的和对外圈进行支撑的衬套的由液压油加载的作用面导致轴向轴承负载与其作用面比例相对应的分布。由于滚动轴承避免这样的振荡，所以在该组合中并不存在液压静力式轴向轴承的自激轴向振荡的技术问题。

从US3476451A中公知一种用于轴的气体静压轴承装置，其中在轴上彼此对置地布置两个锥状轴承体，所述轴承体被容纳于适宜的轴承构件内。轴承构件在轴向和径向上可移动地容纳于壳体孔内，并且借助对轴向振荡运动进行阻尼的垫圈来被密封。

此外，从DE102010036954A1中公知一种用于对涡轮增压机机身组的转子的不平衡进行动态测量的装置，其中涡轮增压机机身组的器件壳体被布置在涡轮机壳体和该装置的压缩机壳体之间的中间腔内并且借助在轴向和径向上有弹性的器件来在两个腔体方向上可移动地保持在该中间腔处。涡轮增压机机身组的转子在此以不再详细说明的方式可旋转地支承在该器件壳体内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，在开头提到的类型的气体静压轴承中提供对转子的在轴向方向上的振荡的更好的阻尼，并且将与负载有关的稳定极限朝向更高负载的方向进行推移。

所提到的技术问题通过具有在权利要求1中所描述特征的气体静压轴承来解决。在从属权利要求中给出所述轴承的有利构造。

根据本发明的气体静压轴承被用于可旋转的转子并且具有在壳体内不可旋转地布置的轴承构件，所述转子具有旋转轴线和相对于旋转轴线而言轴向延伸的支承面，所述轴承构件具有与支承面共同作用的抵靠支承面和至少一个通入至抵靠支承面内的导入通道，其中，所述轴承构件在旋转轴线的方向上通过对其在壳体内的位置进行确定的、彼此相对取向的力而可以移动的并且具有有效作用的阻尼体，所述阻尼体被构造以便对轴承构件的轴向运动进行减振。轴承构件在此借助背离抵靠支承面的一侧形成作用面，所述作用面大于抵靠支承面并且限定优选从该作用面引出导入通道的、用于在压力下导引的空气的壳体室，其中在具有抵靠支承面的一侧上通过在壳体中所布置的挡块来限定轴承构件的轴向运动，所述挡块具有与轴承构件进行有效作用的、松软的阻尼体。

在本发明的轴承中，轴承构件在改变其负载的情况下由于自激振荡也在振荡的轴向运动中被错位。因此，轴承构件是振荡***的一部分。然而通过具有阻尼体的轴承构件的有效作用，轴承构件的振荡被阻尼。该阻尼的效果直接传递到轴承缝隙中的压力起伏，并且因此也引起所支承的转子的振荡的阻尼。以这种方式，实现了将轴承与负载有关的稳定极限的位置改变到更大的负载范围内，并且明显降低轴承的不稳定的风险。

在这种构造中，轴承构件一方面通过在其作用面上作用的空气静力学的力、并且另一方面通过松软阻尼体的与该力相反取向的力，来将轴承构件确定在壳体内的其位置上，其中，通过阻尼体的作用来对由于在轴承缝隙中的压力起伏所引起的位置改变进行阻尼。如果空气静力学的力并不足够，则可以附加地在壳体室内布置压力弹簧，其与阻尼体相对地挤压轴承构件。

这种构造的优点在于，通过向作用面施加所导引空气的压力，在支撑构件上作用的力与在轴承缝隙中的液压静力学压力成固定的比例并且因此可以自动地与导入压力的改变相匹配并且因此与气体静压轴承缝隙压力相匹配。

在本发明的另一构造中，轴承构件在抵靠支承面一侧上被支撑在第一弹簧上，并且在背离抵靠支承面的一侧上被支撑在第二弹簧上，其中，两个弹簧被彼此相对地压紧并且至少一个弹簧是阻尼体。在该实施变型中，在轴承缝隙中的压力起伏改变在轴承构件上起作用的力的平衡并且引起轴承构件的轴向运动，所述轴向运动通过阻尼体被阻尼并且引起转子的自激轴向振荡的阻尼。

轴承构件根据本发明可以具有圆柱形的密封面，在该密封面上借助弹性圈来相对于壳体进行密封。弹性圈的阻尼弹簧作用和必要时出现的在轴承构件和弹性圈之间的摩擦同样可以有助于轴承构件的轴向运动的阻尼。阻尼体也优选由弹性体构成，并且可以具有圈或环的形状。

尤其有利的是这样的构造，其中由圆柱形的衬套和环状的法兰来构造轴承构件，所述衬套被支承在壳体的孔内，所述法兰被布置在衬套的端部。该构造实现轴承构件的精确的并且位置稳定的导引，并且实现轴承构件相对于壳体的简单密封。

根据本发明的又一建议，轴承还包含安放转子的气体静压的径向轴承。气体静压的径向轴承可以具有两个轴承部段，所述两个轴承部段可以被布置在轴承构件的两侧或者共同布置在轴承构件的一侧。

根据本发明的轴承最初提出用于具有垂直旋转轴线的支承。但是其在具有水平旋转轴线的支承中也可以是有利的，其中，转子在轴向方向上受负载。

根据本发明的轴承的优选应用是在平衡机中的待平衡的转子、尤其是涡轮增压机转子的支承。

附图说明

下文中，根据附图来详细说明本发明的实施例。其中，

图1示出根据本发明的用于对在平衡机中的涡轮增压机转子进行支承的气体静压轴承的横截面，和

图2示出根据图1的轴承的放大的截面。

具体实施方式

在附图中示出的气体静压轴承1被提供用于在平衡机中的安装，并且用于在涡轮增压机中使用的转子2的支承，所述转子在具有垂直旋转轴线的平衡机中被运行用于不平衡测量。出于测量精确性的原因，对于这样的应用情况通常使用气体静压轴承。轴承1包含两个径向轴承3、4和轴向轴承5。径向轴承3、4的任务是，将由不平衡引起的离心力传递至平衡机的测量装置。轴向轴承5用于承受转子重量。

由于不平衡引起的离心力给径向轴承3、4造成的负载是非常小的，这使得在径向轴承3、4上不会出现稳定性问题。与之相对地，轴向轴承5可以被相对较大地负载。由于涡轮增压机的结构方式的缘故，在转子2的轴6上提供作为精确运行的支承面7的仅一个轴阶梯(Wellenstufe)，该轴阶梯在用于固定压缩机叶轮的轴部分8和用于在涡轮增压机中进行转子支承的滑动轴承的较粗的轴部分9之间。支承面7通常相对较小，使得形成相对高的轴承负载并且因此存在轴向轴承5的不稳定的风险。轴向轴承5的由不稳定引起的自激振荡的倾向可以通过进一步在下文中描述的用于减振的器件来降低。

轴承1具有带有圆柱形壳体孔11的壳体10，在所述壳体孔内彼此并排并且彼此邻接地布置并且固定第一轴承套12和第二轴承套13。轴承套12借助其上端部来形成径向轴承3。该轴承套此外还具有带有较小内径的圆柱形的孔段部，所述孔段部形成用于轴部分9的径向支承面。在径向支承面内通入多个径向延伸的毛细孔14，它们连通至轴承套12中的环形槽15并且将所导入的压缩空气引导至径向轴承3内。轴承套13以相似的方式在接近其用于形成径向轴承4的下端部处设置径向支承面，在所述径向支承面内通入多个毛细孔16，所述毛细孔连通至环形槽17。环形槽15、17通过轴向的空气通道18被馈入至壳体10内，所述空气通道可以连接至用于径向轴承3、4的压缩空气源上的接口19。

轴向轴承15由轴6的轴阶梯的支承面7和轴承构件22构成。轴承构件22由圆柱形的衬套23和在衬套23上端部上布置的环状法兰24构成，所述法兰从衬套23处在径向上向外延伸。

轴承构件22被布置在轴承套13内的阶梯孔25内并且可以轴向移动地引导。衬套23通过其孔以某个间隙包围轴部分8，并且其外径大于轴承套12内径的法兰24以其外边缘来与轴承套12的下端部相对置。借助其与轴承套12相对的平坦的并且与轴承套轴线垂直的表面，法兰24形成与转子2的支承面7一同作用的抵靠支承面26。多个以毛细孔或节流孔形式的导入通道28延伸通过法兰24。导入通道28通入到抵靠支承面26的由支承面7覆盖的区域并且连通至壳体室29，所述壳体室位于法兰24的背离抵靠支承面26的底侧上。

壳体室29通过孔30被连通至在轴承套13中构造的环形槽31，所述环形槽31通过在壳体10内的通道32连接至接口33，所述接口用于从用于轴向轴承5的压缩空气源中导入压缩空气。

为了对轴承构件22的轴向运动进行阻尼或减震，在法兰24和轴承套12的端面之间布置环形的阻尼体35，所述阻尼体由弹性体材料构成。此外，借助弹性密封圈36在与轴承套13相对置的阶梯孔25的较小内径的部段上来对衬套23进行密封。轴承构件22的轴向运动引起密封圈36的微小变形和在密封圈36和衬套23之间的摩擦的相对运动，从而对轴承构件22的轴向运动进行阻尼。

在阶梯孔25的较大直径的部段中所布置的法兰24限定壳体室29，并且借助其背离抵靠支承面26的底侧来形成承受壳体室29中压力的作用面37。作用面27比抵靠支承面26的形成轴承缝隙的部分大数倍，并且该作用面的尺寸如此之大，使得通过在壳体室29中的压强在作用面37上产生作用的力对应于转子2的重量的多倍、例如是4倍的转子重量。抵靠支承面26仅仅在小得多的轴承缝隙的表面上的区域内承受压力，原因在于，在径向上向内并且在径向上向外地与轴向轴承5的轴承缝隙连通的环形腔通过排出通道38、39来与大气环境相连通并且因此被卸压。

为了实现轴承1的可投入使用的状态，同时通过接口19、33来向径向轴承3、4和轴向轴承5导引压缩空气。在由于转子2的竖立的布置而几乎无负载的径向轴承3、4上，通过经由毛细孔14、16流入的压缩空气来将转子2带入至中心位置。在轴向轴承5上，由于在壳体室29中流入压缩空气而上升的压力引起将抵靠支承面26压紧至支承面7上、并且在转子2同时升高的情况下引起轴承构件22在轴承套12的方向上和在与阻尼体35相对的方向上进行移动。在压力进一步升高的情况下，松软的阻尼体35被弹性地变形，直至最后到达轴承构件的上部位置，在该位置上气压这样高，使得毛细的导入通道28被流经并且转子2借助其支承面7来承载在轴承缝隙中产生的气垫。轴向轴承5现在可投入使用，其中，通过导入通道28将连续的空气压入至轴承缝隙中，并且从轴承缝隙中泄露的空气通过对轴6进行包围的环状缝隙和排出通道38、39来被泄露。

在轴向轴承5的可投入使用的状态中，通过阻尼体35和密封圈36将轴承构件22支撑在壳体固定的轴承套12、13上。如果由转子2和轴承缝隙构成的***由于轴向轴承5的不稳定而要形成自激振荡，则通过轴承构件22来进行减振。由于此处在轴承缝隙中出现的压力改变也使轴承构件22在轴向上运动，所以，与由转子和轴承缝隙构成的振荡***相对应地，其运动通过阻尼体35和密封圈36来被阻尼和作用。轴向轴承5的稳定极限以这种方式被推移至基本上更高的轴承压力，并且上述空气锤效应的形成被抑制。

Claims (10)

1.一种用于可旋转的转子(2)的气体静压轴承(1)，所述转子具有旋转轴线和相对于旋转轴线径向延伸的支承面(7)，所述气体静压轴承具有在壳体(10)的孔内不可旋转地布置的轴承构件(22)，所述轴承构件具有与支承面(7)共同作用的抵靠支承面(26)和至少一个通入至抵靠支承面(26)内的导入通道(28)，其中，所述轴承构件(22)在旋转轴线的方向上相对于其在壳体(10)内的位置而言通过确定的、彼此相对取向的力能够被移动、并且借助背向抵靠支承面(26)的一侧形成作用面(37)，所述作用面限定用于在压力下导入空气的壳体室(29)，所述导入通道(28)从所述壳体室中引出，其特征在于，所述作用面(37)大于抵靠支承面(26)，并且在具有抵靠支承面(26)的一侧上通过在壳体(10)中所布置的挡块来限定轴承构件(22)的轴向运动，所述挡块具有松软的阻尼体(35)，所述阻尼体与轴承构件(22)进行有效作用并且被构造用于对轴承构件(22)的轴向运动进行减振。

2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，在壳体室(29)内布置压力弹簧，所述压力弹簧与阻尼体(35)相对地挤压轴承构件(22)

3.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，轴承构件(22)在抵靠支承面(26)一侧上被支撑在第一弹簧上，并且在背向抵靠支承面(26)的一侧上被支撑在第二弹簧上，两个弹簧被彼此相对地压紧并且至少一个弹簧是阻尼体。

4.根据上述权利要求中任一项所述的轴承，其特征在于，所述轴承构件(22)具有圆柱形的密封面，在该密封面上借助密封圈(36)来相对于壳体(10)进行密封。

5.根据上述权利要求中任一项所述的轴承，其特征在于，所述阻尼体(35)也由弹性体构成

6.根据上述权利要求中任一项所述的轴承，其特征在于，所述阻尼体(35)具有环形的形状

7.根据上述权利要求中任一项所述的轴承，其特征在于，轴承构件(22)由圆柱形的衬套(23)和在衬套(23)的端部处布置的圈状法兰(24)构成，并且被支承在壳体(10)内的阶梯孔(25)内。

8.根据上述权利要求中任一项所述的轴承，其特征在于，所述轴承具有对转子进行支承的气体静压径向轴承(3，4)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的轴承，其特征在于，旋转轴线是竖直取向的。

10.一种根据上述权利要求中任一项所述的轴承(1)在平衡机中用于支承涡轮增压机转子的应用。