CN110050133B - 用于真空泵的轴承支撑件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于真空泵的具有至少一个柔性构件（35）的弹性轴向‑径向轴承支撑件（36），并且特别是涉及一种用于真空泵的聚合物轴承支撑件。本发明还涵盖包括聚合物轴承支撑件的真空泵，以及制造轴承支撑件的方法。

Description

用于真空泵的轴承支撑件

技术领域

本发明涉及一种用于真空泵的轴承支撑件，并且特别是涉及一种用于真空泵的聚合物轴承支撑件。本发明还涵盖包括聚合物轴承支撑件的真空泵，以及制造轴承支撑件的方法。本发明特别地用于支撑涡轮分子泵中的转子轴承，特别是滚动轴承。

背景技术

真空泵通常包括转子形式的叶轮，其安装在轴上以便相对于周围的定子旋转。该轴由轴承装置支撑，该轴承装置包括位于该轴的相应端部处或中间的两个轴承。这些轴承中的一者或两者可以呈滚动轴承的形式。例如，上部轴承可以呈磁轴承的形式，并且下部轴承呈滚动轴承的形式。

如图1中所示，典型的滚动轴承10包括相对于泵的轴14固定的内座圈12、外座圈16和多个滚动元件18，该滚动元件18通过保持架20支撑，以便允许内座圈12和外座圈16的相对旋转。该滚动轴承10被润滑以建立承载膜，该承载膜使轴承部件在滚动和滑动接触中分离，以便最小化摩擦和磨损，并且设置屏蔽元件22以防止润滑剂从滚动轴承10中渗出。

传统上，用于在泵内支撑滚动轴承10的安装装置包括：径向弹性阻尼环24，其径向定位在外座圈16和壳体部分26之间，以用于对外座圈16的径向运动产生阻尼；以及轴向弹性阻尼环28，其位于外座圈16的端面和壳体部分26之间，以用于对外座圈16的轴向运动产生阻尼。

存在许多与使用径向和轴向弹性阻尼环24、28来减弱真空泵内的振动相关的问题。例如，轴向和径向刚度是耦合的，并且因此，对高轴向刚度的需求与对低径向刚度的需求相冲突。在一段时间内，弹性材料可能在负载下遭受蠕变（creep）和应力松弛。弹性材料也会由于与从轴承排出的任何润滑剂相互作用而软化。此外，弹性材料的刚度特性是高度非线性的，且随着时间、温度和与润滑剂的相互作用而显著地变化，并且因此，目前还没有精确的分析模型来预测所述环在使用期间的刚度和阻尼特性。另外，轴承更换并不简单，从而使得除非引入单独的座架（cartridge），否则难以现场更换。

最近，金属轴承支撑件已被用在真空泵中。图2和图3示出了这样的金属支撑件32的示例，该金属支撑件32包括通过多个柔性构件30连接的内部环形部分29和外部环形部分31。金属轴承支撑件解决了与弹性阻尼环相关的许多问题；然而，它们也提出了与其使用相关的若干具体技术挑战。

金属轴承支撑件通常使用线腐蚀（wire erosion）来制造，这执行起来是耗时且昂贵的。由于制造公差，对于可生产的柔性梁的厚度存在下限，这又对支撑件的径向柔性设置了下限。另外，高弹性接触力和由此产生的变形意味着轴承无法压配合在装置内。作为替代，轴承必须利用附加的锁定机构来结合就位和/或固定，例如使用锁紧螺母。此外，金属轴承支撑件基本上不提供阻尼，并且因此，通常采用单独的阻尼器。已经观察到，弹性阻尼器可能不期望地增加金属支撑件的径向刚度，从而更进一步降低支撑件的性能。

本发明解决现有技术的这些和其他问题。

发明内容

因此，在第一方面，本发明提供了一种用于在径向和轴向两个方向上对真空泵的转子轴承进行弹性支撑的聚合物轴承支撑件。该轴承支撑件可包括：构造成联接到轴承的内部部分；以及构造成联接到真空泵的壳体的外部部分。该内部部分和外部部分可以通过至少一个柔性构件连接。通常，该轴承支撑件是单体的整体结构。优选地，该轴承支撑件包括聚合物的单件。

聚合物轴承支撑件有利地解决了与金属轴承支撑件相关的问题。它们可以便宜地生产，至少部分地自阻尼，并且由于它们的较低拉伸模量而可以压配合在轴承上，而不会扭曲其外座圈。

通常，该聚合物支撑件具有处于从大约50 N/mm至大约500 N/mm的范围内、优选为小于大约300 N/mm、更优选为小于大约250 N/mm、更优选为小于大约220 N/mm的径向刚度。因此，该弹性支撑件可以被设计成具有非常低的径向刚度，以满足真空泵所需的转子动力学。

通常，该聚合物支撑件具有大于大约300 N/mm、更优选为大于大约350 N/mm、更优选为从大约300 N/mm至大约1000 N/mm的轴向刚度。因此，当在真空泵中采用所述支撑件时，在泵的操作期间存在驱动轴的最小轴向运动，从而使得能够在泵的操作期间基本上维持泵送机构的部件之间的紧密轴向间隙。

优选地，该轴向刚度大于该径向刚度。

优选地，根据本发明的聚合物轴承支撑件的径向刚度是基本上各向同性的，优选地，该径向刚度在任何径向方向上变化小于大约2%，更优选为小于大约1%，更优选为小于大约0.5%。出于本发明的目的，在非环形的实施例中，径向刚度包括横向刚度。

在本发明的实施例中，所述内部部分和外部部分中的一个是环形的，更典型地，所述外部部分和内部部分二者都是环形的。所述柔性构件可以是与内部环形部分和/或外部环形部分基本上同心的长形的弓形构件。

所述柔性构件本身可以是环形的，并且优选地，通过至少一个第一径向梁连结到内部部分，以及通过至少一个第二径向梁连结到外部部分。优选地，所述内部部分通过两个、三个、四个、五个或更多个径向梁来连结到至少一个环形柔性构件。同样，所述外部部分优选地通过两个、三个、四个、五个或更多个径向梁来连结到环形柔性构件。连接到外部部分的梁可以与连接到内部部分的梁周向偏置，优选地，这些梁交替地连接到内部部分和外部部分。通常，所述梁的数量和布置被选择成使得支撑件的径向刚度是基本上各向同性的。可以使用多于一个环形柔性构件，其各自与内部部分和外部部分同心。

通常，这些梁的轴向对准面是倒圆角的，以优选地形成凹形表面。有利地，这种布置减少了这些梁相应地与环形构件和柔性构件相交处的不期望的应力集中。

与金属支撑构件相比，这样的轴承支撑件便宜且易于机加工、模制或挤出，并且提供改善的性能。

优选地，所述柔性构件具有从大约0.1 mm至大约1 mm、优选为从大约0.3 mm至大约0.7 mm的横向厚度，例如径向厚度。

优选地，所述梁具有从大约0.5 mm至大约3 mm的径向长度。通常，它们具有从大约0.2 mm至大约1.5 mm的厚度。通常，内部梁和外部梁具有基本上相同的长度和/或厚度。

因此，所述支撑件可包括位于环形构件和柔性构件之间的部分环形的槽口。通常，该槽口可具有从大约0.5 mm至大约3 mm的厚度。

梁、环形构件和柔性构件的轴向长度基本上相同。通常，它们的轴向长度为从大约2 mm至大约10 mm。

在实施例中，本发明的支撑件可用在新的涡轮分子泵上，或者改装到涡轮分子泵以代替现有的金属轴承支撑件。

优选地，所述聚合物支撑件是由模制、挤出、印制、机加工、铸造或旋转铸造或者它们的组合制成的。注射模制、挤出、旋转铸造、激光微水刀加工和水射流加工是用于形成所述聚合物支撑件的特别优选的方法。

优选的聚合物选自由弹性体、热塑性材料或热固性塑料组成的组。热塑性材料是优选的，并且特别是由于其机械和热性能而被归类为高性能热塑性材料的那些热塑性材料。合适的热塑性聚合物包括聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PSU）、聚醚砜（PES）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、苯乙烯丁二烯共聚物（SBC）、聚酮（PK）以及它们的衍生物和共聚物。PEEK是特别优选的。

所述聚合物可另外包括来自由抗静电剂、抗氧化剂、脱模剂、防火剂、润滑剂、着色剂、流动增强剂、包括纳米填料的填料、光稳定剂和紫外线吸收剂、颜料、抗风化剂和增塑剂组成的组中的一个或多个。

注射模制可有利地用于引导或对准聚合物支撑构件内的纤维。

附加地或替代地，所述聚合物可以是聚合物基质复合材料。优选地，聚合物基质占该复合材料的重量百分比的至少大约50%，更优选为从大约60%至大约80%。例如，该聚合物基质复合材料可以是玻璃纤维或碳纤维增强聚合物，或者金属粉末增强聚合物。例如玻璃纤维增强的PEEK之类的玻璃纤维增强聚合物是特别优选的。优选地，纤维含量的重量百分比为从大约10%至大约50%，优选为从大约20%至大约40%，优选为从大约25%至大约35%。优选地，该复合材料可以是模制、增材制造、机加工或挤出的。

优选地，所述支撑件包括具有小于大约50 GPa、优选为从大约2 GPa至大约25GPa、更优选为从大约3 GPa至大约10 GPa、更优选为从大约3 GPa至大约5 GPa的拉伸模量的聚合物。相比之下，通常用于真空泵的轴承支撑件中的钛具有从大约100 GPa至大约125GPa的拉伸模量。

本发明中使用的聚合物的较低拉伸模量有利地允许生产具有较低径向刚度的轴承支撑件，并且该轴承支撑件可被压配合就位；从而避免了在制造期间需要锁紧螺母和/或结合步骤。相比之下，由于钛的高拉伸模量，已知的钛支撑件不能被压配合到轴承，这是因为与轴承钢壳的接触应力将过高，从而有外座圈扭曲的风险。

优选地，所述支撑件包括具有至少大约85 MPa、更优选为至少大约95 MPa的屈服强度的聚合物。所述聚合物可具有从大约85 MPa至大约500 MPa、优选为从大约95 MPa至大约200 MPa的屈服强度。

在实施例中，优选地，所述支撑件包括如下材料，其中，比率σUTS /(E^2/3)大于大约0.3，优选为大于大约0.35，优选为从大约0.25至大约0.5，更优选为从大约0.3至大约0.4。其中，σUTS是以MPa为单位的极限拉伸强度，并且其中，E是以MPa表示的拉伸模量。

有利地，所述轴承支撑件的拉伸和弯曲性能在所述轴承支撑件的操作温度时不会显著恶化。通常，该操作温度为大约90℃。优选地，所述支撑件包括具有≥100℃、更优选为≥110℃、更优选为≥120℃、更优选为≥140℃、更优选为处于大约100℃和大约240℃之间、更优选为处于大约110℃和大约230℃之间的玻璃态转变温度的聚合物。

优选地，所述聚合物在90℃时具有至少大约60 MPa的拉伸强度。

当处于全速时，涡轮分子泵的转子将以微米为单位振动；但是，在启动和关闭过程期间，在泵循环的开始和结束时，转子将经历一系列共振。通常，共振期间的位移被限于大约80微米和大约120微米之间，优选为大约100微米。

优选地，所述聚合物在10⁷次循环时的疲劳强度大于大约45 MPa，更优选为大于大约55 MPa。

优选地，对于1E+6s，在150℃时，所述聚合物具有大于大约15 MPa、优选为大于大约25 MPa的蠕变断裂强度。附加地或替代地，对于1E+8s，在23℃时，蠕变断裂强度可大于大约60 MPa，优选为大于大约80 MPa。

在另一方面，本发明提供了用于在径向和轴向两个方向上对真空泵的转子轴承进行弹性支撑的聚合物轴承支撑件，所述轴承支撑件包括内部环形部分和外部环形部分以及至少一个中间环形部分，所述中间环形部分通过至少一个第一径向梁连结到内部部分并且通过至少一个第二径向梁连结到外部部分。

在另一方面，本发明提供了一种真空泵，其包括通过轴承装置支撑的转子，所述轴承装置包括轴承，轴承通过根据本发明的任何其他方面或实施例的聚合物支撑件在径向和轴向两个方向上得到支撑。

本发明还提供了一种真空泵，其包括通过轴承装置支撑的转子，所述轴承装置包括通过弹性聚合物支撑件在径向和轴向两个方向上支撑的轴承，所述弹性聚合物支撑件包括通过至少一个柔性构件连接的内部环形部分和外部环形部分。

本发明还提供了聚合物、特别是PEEK、聚砜（PSU）、聚醚砜（PES）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、苯乙烯丁二烯共聚物（SBC）、聚酮（PK）及它们的衍生物和共聚物在弹性支撑件中的用途，所述弹性支撑件包括通过至少一个柔性构件连接的内部部分和外部部分，以在径向和轴向两个方向上弹性地支撑真空泵中的转子轴承。

本发明还提供了一种制造弹性聚合物轴承支撑件的方法，所述方法包括模制、挤出、印制或机加工聚合物以形成所述支撑件的步骤，所述支撑件包括：构造成联接到轴承的内部部分；以及构造成联接到真空泵的壳体的外部部分，其中，所述内部部分和所述外部部分通过至少一个柔性构件连接。

本发明还提供了一种组装包括轴承支撑件的真空泵的方法，所述方法包括以下步骤：移除轴承支撑件并且用聚合物轴承支撑件来替换所述轴承支撑件，所述聚合物轴承支撑件优选为根据本发明的一个或多个其他方面的轴承支撑件。被替换的轴承支撑件可以是金属轴承支撑件或者根据本发明的轴承支撑件。

通常，作为替换的聚合物轴承支撑件的外部尺寸与金属轴承支撑件的外部尺寸基本上相同。例如，有利地，该聚合物轴承支撑件和金属轴承支撑件的内部环形部分的内壁的周长基本上相同，和/或该聚合物轴承支撑件和金属轴承支撑件的外部环形部分的外壁的周长基本上相同，和/或该聚合物轴承支撑件和金属轴承支撑件的轴向长度基本上相同。

为避免疑义，在上文中描述的所有方面和实施例都可以在作必要的变更后组合。

附图说明

现在将参照附图借助于示例来描述本发明的优选特征，在附图中：

图1示出了现有技术的轴承支撑件。

图2示出了现有技术的轴承支撑件。

图3示出了现有技术的轴承支撑件。

图4示出了根据本发明的聚合物轴承支撑件。

图5a和图5b示出了根据本发明的聚合物轴承支撑件。

具体实施方式

本发明提供了一种用于在径向和轴向两个方向上对真空泵转子轴承进行弹性支撑的聚合物轴承支撑件36。

如图4中所示，在示例中，至少一个柔性构件35是环形的，并且绕轴线A与内部环形部分33和外部环形部分34基本上同心。示例性柔性构件35具有0.4 mm的径向厚度，并且通过三个径向梁38连结到内部部分33以及通过另外三个径向梁37连结到外部部分34。径向梁37、38周向交替地连接到内部部分33和外部部分34，并且基本上等距地布置。因此，弹性支撑件的柔性构件35提供了弹性支撑件36的一体式板簧。已经发现示例性轴承支撑件36的径向刚度是基本上各向同性的。

这些梁的轴向对准面41、42是凹形表面，以减少梁37、38与环形构件33、34和柔性构件35相交处的应力集中。

弹性支撑件36的内部部分33具有内部的轴向延伸的圆柱形表面39，该圆柱形表面39接合滚动轴承（未示出）的外座圈的外表面。

在使用中，端表面43接合分子泵壳体（未示出）的径向延伸表面，而弹性支撑件36的外部部分34的外部的轴向延伸的圆柱形表面40接合该壳体（未示出）的轴向延伸表面。

弹性支撑件36由PEEK的模制聚合物盘加工而成，该PEEK例如为VICTREX^® PEEK450G。弹性支撑件36的刚度由槽口44、45、梁37、38和柔性构件35的几何形状确定，并且可以使用有限元分析来精确地估计。已经发现，弹性支撑件36可以被容易地设计成具有相对低的径向刚度，例如在从50 N/mm到300 N/mm的范围内，并且优选为大约220 N/mm，以便抑制振动从涡轮分子泵叶轮的轴传递到壳体。

弹性支撑件36还可具有相对高的轴向刚度，例如在从300 N/mm到10,000 N/mm的范围内，优选为在从300 N/mm到1000 N/mm的范围内并且更优选为在从300 N/mm到800 N/mm的范围内，使得在泵的操作期间存在轴的最小轴向运动。

图5a和图5b示出了本发明的替代性示例。图5a示出了轴承支撑件50的泵端（或顶部）。图5b示出了同一轴承支撑件50的下侧。

在该替代性示例中，至少一个柔性构件51是环形的，并且绕轴线A与内部环形部分52和外部环形部分53基本上同心。示例性柔性构件51具有0.4 mm的径向厚度，并且通过三个径向梁54连结到内部部分52以及通过另外三个径向梁55连结到外部部分53。径向梁54、55周向交替地连接到内部部分52和外部部分53，并且基本上等距地布置。因此，弹性支撑件的柔性构件51提供了弹性支撑件50的一体式板簧。同样已发现示例性轴承支撑件50的径向刚度是基本上各向同性的。

该弹性支撑件或者由PEEK（例如，VICTREX^® PEEK 450G）注射模制而成，或者由挤出的PEEK（例如，Tecapeek Natural）机加工而成。

弹性支撑件50的内部部分52具有内部的轴向延伸的圆柱形表面56，该圆柱形表面56以过盈配合接合滚动轴承（未示出）的外座圈的外表面。轴承的泵端的一部分与内部部分（52）的一体形成的径向向内延伸的肩部（57）接合。

螺纹凸起部（58）位于外部部分（53）上，该螺纹凸起部（58）提供与泵（未示出）的可逆机械接合。轴向止动件（未示出）可以在轴承后面结合到内部部分（52）。这在不能单独依靠过盈配合或过盈配合不足以将轴承保持就位的实施例中是有利的。

轴承支撑件50还包括基本上环形的槽59，以用于可选地接收弹性阻尼构件（未示出）。该弹性阻尼构件可以是用于与槽59联接的O形环或其他合适的形状。技术人员可以判断是否需要弹性阻尼构件。

将认识到的是，在不偏离由根据专利法解释的所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对所示实施例进行各种修改。

Claims (12)

1.一种用于在径向和轴向两个方向上对真空泵的转子轴承进行弹性支撑的聚合物轴承支撑件，所述轴承支撑件包括：构造成联接到所述轴承的内部部分；以及构造成联接到所述真空泵的壳体的外部部分，其中，所述内部部分和所述外部部分通过至少一个柔性构件连接，其中，所述至少一个柔性构件是与内部环形部分和外部环形部分基本上同心的长形的弓形构件，

其中，轴向刚度大于径向刚度，

并且其中，所述柔性构件是环形的，并且通过至少一个第一径向梁连结到所述内部部分以及通过至少一个第二径向梁连结到所述外部部分。

2.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述聚合物支撑件具有处于从50N/mm至500 N/mm的范围内的径向刚度。

3.根据权利要求1或2所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述聚合物支撑件具有大于300N/mm的轴向刚度。

4.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述内部部分和/或所述外部部分是环形的。

5.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述柔性构件具有从0.1 mm至1 mm的厚度。

6.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述柔性构件具有从0.3 mm至0.7mm的厚度。

7.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述支撑件包括具有小于50 GPa的拉伸模量的聚合物。

8.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述支撑件包括具有≥100℃的玻璃态转变温度的聚合物。

9.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述支撑件使用过盈配合来联接到所述壳体和/或所述轴承。

10.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述支撑件是模制、挤出、印制、机加工、铸造、激光微水刀加工或水射流加工而成的。

11.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述支撑件是旋转铸造的。

12.根据权利要求1所述的聚合物轴承支撑件，其中，所述支撑件包括聚醚醚酮（PEEK）。

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