CN107882870B - 仿生螺旋槽止推轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生螺旋槽止推轴承。轴承端面设有螺旋槽、台区和坝区，坝区位于轴承端面的内边缘，坝区***的轴承端面上开有螺旋槽，坝区***的轴承端面上未开设螺旋槽的表面形成台区；转子相对轴承旋转，转子和轴承之间充满润滑剂；螺旋槽线型模仿葵花籽粒排布的叶序结构，即螺旋槽沿葵花籽粒排布形成的顺时针与逆时针斜列线布置，形成两种旋向的螺旋槽。本发明通过螺旋槽的特殊结构在轴承周向产生动压与静压润滑效应，提高了轴承承载能力；使转子在正反转情况下均具有良好的润滑效果，提高了转子工作稳定性，减少了润滑剂外泄。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋槽止推轴承，尤其是涉及了一种螺旋槽线型仿葵花籽粒排布形成的斜列线结构的仿生螺旋槽止推轴承。
背景技术
螺旋槽止推轴承是一种具有良好流体动压效果的止推轴承，其工作表面具有一些特殊结构的槽、开口或台阶以形成朝向滑动速度方向的间隙收敛段落，从而利用收敛段落产生较强的楔形动压效应。其工作原理为：转子相对轴承副做高速运动时，带动润滑剂从轴承外部流向旋转中心，产生径向泵入效应。与此同时，润滑剂沿周向周期性地流过槽区与台区，从而产生静压与动压效应。两种效应之和为止推轴承提供了较高的承载能力。由于螺旋槽轴承具有承载能力高、稳定性好、结构简单等优点，其被广泛用作透平膨胀机等低温高速机械的止推部件。
螺旋槽止推轴承的应用环境要求其具有较高的承载能力，较好的润滑效果。而实际应用中常常会遇到润滑效果不佳、摩擦力较大的现象，导致出现非完全液体润滑，降低了承载能力，妨碍旋转部件正常工作。解决这些问题的一个可行的办法就是改进螺旋槽线型。目前几种典型的螺旋槽线型有：对数螺旋槽、斜直线螺旋槽、圆弧螺旋槽、抛物线螺旋槽。螺旋槽线型的研究对于提高流体动压效应、减小摩擦、提高承载能力等具有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提出一种仿生螺旋槽止推轴承，其螺旋槽线型仿葵花籽粒排布形成的斜列线结构。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括转子和轴承，轴承端面设有螺旋槽、台区和坝区，坝区位于轴承端面的内边缘，坝区***的轴承端面上开有螺旋槽，坝区***的轴承端面上未开设螺旋槽的表面形成台区；转子相对轴承旋转，转子和轴承之间充满润滑剂。
所述的台区和坝区是等高的，即两者表面在同一平面上。
所述的润滑剂为水、空气、润滑油或润滑脂等。
所述的螺旋槽采用葵花籽粒排布的叶序结构，螺旋槽沿葵花盘籽粒排布形成的斜列线布置。
所述的螺旋槽中，两种旋向的螺旋槽数目相等，各为10～20条，槽深hg与油膜厚度h1之比hg/hl＝2～5；槽长比λ＝(ro-rg)/(ro-ri)＝0.5～0.9，rg表示坝区外径，ro表示轴承外径，ri表示轴承内径。
所述的螺旋槽包括开设在坝区***的轴承端面上并且延伸到轴承端面外边缘的顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽的两种平面螺旋槽，顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线，使得顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽相交叉形成葵花籽粒排布的叶序结构。
所述的轴承端面的外边缘也设有坝区，在轴承端面内外边缘的两个坝区之间开设环形的凹坑结构或凸起结构，凹坑结构和凸起结构的截面为半圆形，在凹坑结构或凸起结构的表面开设有螺旋槽；所述的转子端面设有对应的环形的凸起结构或者凹坑结构，凸起结构和凹坑结构的截面为半圆形，使得轴承的凹坑结构和转子的凸起结构相嵌合或者轴承的凸起结构和转子的凹坑结构相嵌合；
所述的螺旋槽包括开设在轴承上的凸起结构或者凹坑结构表面上的顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽的两种螺旋槽，在轴承底面的投影上，顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线布置，使得顺时针螺旋槽和逆时针螺旋槽相交叉形成葵花籽粒排布的叶序结构。
所述的轴承的凹坑结构和转子的凸起结构之间或者轴承的凸起结构和转子的凹坑结构之间具有2～4mm的间隙，间隙中分布有润滑剂。
所述的螺旋槽仅布置在凹坑结构或凸起结构的表面，不延伸到坝区。
在轴承底面的投影上，顺时针螺旋槽与逆时针螺旋槽的线型都是采用葵花籽粒排布的叶序结构，顺时针螺旋槽模仿葵花籽粒的顺时针斜列线，逆时针螺旋槽模仿葵花籽粒的逆时针斜列线。
本发明在转子相对轴承旋转过程中润滑剂被带入工作间隙，通过螺旋槽的特殊结构在轴承周向产生动压与静压润滑效应，从而提高了承载能力；使转子在正反转情况下均具有良好的润滑效果，交错的槽、台结构增强了流体动压效应，凹坑-凸起镶嵌结构提高了转子工作稳定性，减少了润滑剂外泄。
本发明具有的有益效果是：
本发明结构能加强轴承周向的阶梯效应，增强流体动压效应，提高了轴承承载能力。
本发明的转子在正反转时均具有良好的润滑效果与流体动压效应，使得润滑油快速充分填充间隙，减小摩擦，避免出现非完全液体润滑现象，同时也增强了轴承周向的阶梯效应，增强流体动压效应，提高了轴承承载能力。
本发明通过轴承与转子的圆环状凹坑-凸起镶嵌结构增加了相对运动表面面积，提高了转子工作稳定性，有利于减少润滑剂的外泄。并且使止推轴承既能承受轴向载荷，也能承受一定的径向载荷。
附图说明
图1是本发明的葵花籽粒分布的葵花籽粒叶序结构模型示意图。
图2是实施例1的仿生螺旋槽止推轴承端面结构示意图。
图3是实施例1的剖面图。
图4是实施例2的仿生螺旋槽止推轴承端面结构示意图。
图5是实施例2的剖面图。
图6是实施例3的仿生螺旋槽止推轴承端面结构示意图。
图7是实施例3的剖面图。
图中：1、螺旋槽，2、台区，3、坝区，4、顺时针螺旋槽，5、逆时针螺旋槽，7、凹坑结构，8、凸起结构，9、凸起结构，10、凹坑结构，11、转子，12、轴承。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明具体实施包括转子11和轴承12，轴承12端面设有螺旋槽1、台区2和坝区3，坝区3位于轴承12端面的内边缘，坝区3***的轴承12端面上开有螺旋槽1，坝区3***的轴承12端面上未开设螺旋槽1的表面形成台区2；转子11相对轴承12旋转，转子11和轴承12之间充满润滑剂。
如图1所示是葵花籽粒分布模型示意图，葵花盘籽粒分布呈现螺旋状，生物科学中的叶序理论表明，葵花籽粒排布结构满足F.R.Yeatts叶序模型，形成葵花籽叶序结构：
式中：θ是第n个凸起籽粒的极坐标角度；R是第n个凸起籽粒的极坐标半径；R0是花朵或果实的半径；k是叶序系数，由籽粒大小决定，n表示凸起籽粒的序数。
这种分布使得葵花盘籽粒出现顺时针和逆时针的斜列线。螺旋槽1采用葵花籽粒排布的叶序结构，螺旋槽1沿葵花盘籽粒排布形成的斜列线布置，葵花籽粒分布结构具有自分割作用和最大热辐射吸收作用以及对流体低阻力发散作用。
本发明的实施例如下：
实施例1
如图2和图3所示，包括螺旋槽1，台区2，坝区3。螺旋槽1包括开设在坝区3***的轴承12端面上并且延伸到轴承12端面外边缘的顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5的两种平面螺旋槽，所有顺时针螺旋槽4从坝区向外旋向一致，相邻顺时针螺旋槽4之间沿周向的间距均匀，所有逆时针螺旋槽5从坝区向外旋向一致，相邻逆时针螺旋槽5之间沿周向的间距均匀，顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线，使得顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5相交叉。
螺旋槽线型采用葵花籽粒排布的叶序结构，模仿葵花盘籽粒形成的斜列线形状。在设计过程中，可在轴承工作表面选取符合(1)式的点，构成斜列线点阵，再将这些点连成平滑的曲线，沿该斜列线曲线加工出具有一定宽度和深度的螺旋槽。
实施例2
如图4和图5所示，轴承12端面的外边缘也设有坝区3，在轴承12端面内外边缘的两个坝区3之间开设环形的凹坑结构7，凹坑结构的截面为半圆形，在凹坑结构的表面开设有螺旋槽1；转子11端面设有对应的环形的凸起结构8，凸起结构的截面为半圆形，使得轴承12的凹坑结构和转子11的凸起结构相嵌合；
螺旋槽1包括开设在轴承12的凹坑结构表面上的顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5的两种螺旋槽，所有顺时针螺旋槽4向外旋向一致，相邻顺时针螺旋槽4之间沿周向的间距均匀，所有逆时针螺旋槽5向外旋向一致，相邻逆时针螺旋槽5之间沿周向的间距均匀，在轴承底面的投影上，顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线布置，使得顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5相交叉。
轴承12的凹坑结构和转子11的凸起结构之间具有2～4mm的间隙，间隙中分布有润滑剂。
这种螺旋槽止推轴承不仅可以承受轴向载荷，也可以承受一定的径向载荷。
实施例3
如图6和图7所示，轴承12端面的外边缘也设有坝区3，在轴承12端面内外边缘的两个坝区3之间开设环形的凸起结构9，凸起结构的截面为半圆形，在凸起结构的表面开设有螺旋槽1；转子11端面设有对应的环形的凹坑结构10，凹坑结构的截面为半圆形，使得轴承12的凸起结构和转子11的凹坑结构相嵌合；
螺旋槽1包括开设在轴承12的凸起结构表面上的顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5的两种螺旋槽，所有顺时针螺旋槽4向外旋向一致，相邻顺时针螺旋槽4之间沿周向的间距均匀，所有逆时针螺旋槽5向外旋向一致，相邻逆时针螺旋槽5之间沿周向的间距均匀，在轴承底面的投影上，顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线布置，使得顺时针螺旋槽4和逆时针螺旋槽5相交叉。
轴承12的凸起结构和转子11的凹坑结构之间具有2～4mm的间隙，间隙中分布有润滑剂。
这种螺旋槽止推轴承不仅可以承受轴向载荷，也可以承受一定的径向载荷。
本发明的工作原理是：
本发明中的螺旋槽线型模仿葵花籽粒排布形成的斜列线结构，利用了其自分割作用以及对流体低阻力发散作用等。
实施例1的止推轴承中：如图3所示，转子顺时针(ω1)旋转时，润滑剂主要由逆时针螺旋槽运送，转子逆时针(ω2)旋转时，润滑剂主要由顺时针螺旋槽运送，使得转子在正反转时均能使润滑剂快速充分填充轴承与转子的间隙，产生良好的润滑效果。有效地避免出现非完全液体润滑现象。
润滑剂在被带入轴承与转子间隙的过程中，沿轴承周向周期性地流过螺旋槽与台区，从而产生阶梯动压效应，提高轴承承载能力。本发明中的双向螺旋槽结构使得转子正反转时都能产生良好的周向阶梯效应，增强了流体动压效应，使轴承正反转时均具有较高的承载能力。
在轴承径向方向上，由于螺旋槽对润滑剂的压缩作用，使之产生压力上的升高。润滑剂在槽的根部受到坝区的阻挡不断被压缩，压力进一步增大。轴承依靠润滑剂在螺旋槽区域内的高压形成承载力。
实施例2和3的止推轴承中：如图5所示，转子顺时针(ω1)旋转时，润滑剂主要由逆时针螺旋槽运送，转子逆时针(ω2)旋转时，润滑剂主要由顺时针螺旋槽运送，使得转子在正反转时均具有良好的润滑效果与流体动压效应。
基于葵花盘对流体低阻力发散作用，两种旋向的螺旋槽相互交错使润滑剂快速充分填充间隙，有利于减小摩擦。交错的槽台结构增强了轴承周向的阶梯效应，增强流体动压效应，提高了轴承承载能力。
轴承与转子的圆环状凹坑-凸起镶嵌结构增加了相对运动表面面积，提高了工作的稳定性，有利于减小润滑剂的外泄。并且使承载力具有沿轴承径向的分量，使轴承既能承受轴向载荷，也能承受一定的径向载荷。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种仿生螺旋槽止推轴承，包括转子(11)和轴承(12)，其特征在于：轴承(12)端面设有螺旋槽(1)、台区(2)和坝区(3)，坝区(3)位于轴承(12)端面的内边缘，坝区(3)***的轴承(12)端面上开有螺旋槽(1)，坝区(3)***的轴承(12)端面上未开设螺旋槽(1)的表面形成台区(2)；转子(11)相对轴承(12)旋转，转子(11)和轴承(12)之间充满润滑剂；
所述的螺旋槽(1)延伸到轴承(12)端面外边缘且从中心向外旋向一致；
所述的螺旋槽(1)采用葵花籽粒排布的叶序结构，螺旋槽(1)沿葵花盘籽粒排布形成的斜列线布置；
所述的螺旋槽(1)包括开设在坝区(3)***的轴承(12)端面上并且延伸到轴承(12)端面外边缘的顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)的两种平面螺旋槽，顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线，使得顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)相交叉；
所述的轴承(12)端面的外边缘也设有坝区(3)，在轴承(12)端面内外边缘的两个坝区(3)之间开设环形的凹坑结构或凸起结构，凹坑结构和凸起结构的截面为半圆形，在凹坑结构或凸起结构的表面开设有螺旋槽(1)；所述的转子(11)端面设有对应的环形的凸起结构或者凹坑结构，凸起结构和凹坑结构的截面为半圆形，使得轴承(12)的凹坑结构和转子(11)的凸起结构相嵌合或者轴承(12)的凸起结构和转子(11)的凹坑结构相嵌合；所述的螺旋槽(1)包括开设在轴承(12)上的凸起结构或者凹坑结构表面上的顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)的两种螺旋槽，在轴承底面的投影上，顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)分别沿葵花盘籽粒排布形成的两个方向的斜列线布置，使得顺时针螺旋槽(4)和逆时针螺旋槽(5)相交叉。
2.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋槽止推轴承，其特征在于：所述的螺旋槽(1)中，两种旋向的螺旋槽数目相等，各为10～20条，槽深hg与油膜厚度h1之比hg/hl＝2～5；槽长比λ＝(ro-rg)/(ro-ri)＝0.5～0.9，rg表示坝区外径，ro表示轴承外径，ri表示轴承内径。
3.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋槽止推轴承，其特征在于：所述的轴承(12)的凹坑结构和转子(11)的凸起结构之间或者轴承(12)的凸起结构和转子(11)的凹坑结构之间具有2～4mm的间隙，间隙中分布有润滑剂。
4.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋槽止推轴承，其特征在于：所述的螺旋槽(1)仅布置在凹坑结构或凸起结构的表面，不延伸到坝区(3)。
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