CN110360223B - 一种气浮轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气浮轴承，包括径向轴承本体和止推环，径向轴承本体外侧壁上开有多个周向供气槽，每个周向供气槽底部设有多个周向供气通道；径向轴承本体内孔的内侧壁中段还开有一个周向排气槽，周向排气槽底部设有多个排气通道；径向轴承本体左端面上还开有一圈轴向中空槽；止推环右端面上包含有两圈端面供气孔组，每一圈端面供气孔组包括多个端面供气孔，每个端面供气孔通过端面供气通道与位于最右端的周向供气通道相连通；径向轴承本体外侧壁上还开有至少一个周向冷却槽，实现对径向轴承本体的冷却；止推环左端面上开有端面冷却槽，实现对止推环的冷却。本发明的优点：具有高承载、高刚度、高散热效率的优点。

Description

一种气浮轴承
技术领域
本发明涉及高速精密旋转机械技术领域，尤其涉及的是一种气浮轴承。
背景技术
气浮轴承因其低摩擦、低功耗、高运动精度、清洁环保等优点，在高速精密旋转机械领域得到了广泛的应用。精密旋转机械向着更高速度、更高精度的方向发展，最大工作转速可达300,000r/min甚至更高，工作精度要求0.1μm，且工作过程中承受大的交变载荷作用，故对精密旋转机械中的气浮轴承的承载能力和支承刚度提出了更高的要求。由于气体的粘度较低，气浮轴承在低转速下的气流剪切摩擦发热基本可以忽略，但高转速下的气浮轴承气膜粘性剪切摩擦严重，此时的气浮轴承气膜发热问题相当严重，已达到影响轴承支承性能的程度。因此，需要一种高承载、高刚度以及高散热效率的气浮轴承。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有高承载、高刚度、高散热效率的气浮轴承。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种气浮轴承，所述气浮轴承安装在电主轴的外壳内腔，并空套在电主轴的芯轴之外，所述气浮轴承包括径向轴承本体和位于径向轴承本体右端的止推环，所述径向轴承本体外侧壁上从左向右开有多个环形的周向供气槽，每个周向供气槽底部设有多个沿径向延伸的周向供气通道，通过周向供气通道连通对应的周向供气槽和径向轴承本体内孔；
所述径向轴承本体内孔的内侧壁中段还开有一个环形的周向排气槽，所述周向排气槽底部设有多个沿径向延伸的排气通道，通过每个排气通道连通周向排气槽和径向轴承本体外侧壁；所述径向轴承本体左端面上还开有一圈轴向中空槽，多个轴向中空槽与多个排气通道的数量相同，每个轴向中空槽沿轴向延伸且与对应的排气通道相连通，轴向中空槽为右端为盲端的盲孔；
所述止推环右端面上包含有两圈端面供气孔组，两圈端面供气孔组分别为外圈端面供气孔组和内圈端面供气孔组，每一圈端面供气孔组包括多个端面供气孔，每个端面供气孔通过端面供气通道与位于最右端的周向供气通道相连通，所述端面供气通道沿着与轴向相平行的方向延伸；
所述径向轴承本体外侧壁上还开有至少一个周向冷却槽，所述周向冷却槽环绕径向轴承本体但不封闭，所述周向冷却槽的两端通过第一隔块隔开，所述周向冷却槽的两端分别形成周向进水端和周向排水端，通过周向进水端向周向冷却槽进水、并从周向排水端出水，实现对径向轴承本体的冷却；
所述止推环左端面上开有端面冷却槽，所述端面冷却槽呈不封闭的环形结构，所述端面冷却槽的两端通过第二隔块隔开，所述端面冷却槽的两端分别形成端面进水端和端面排水端，通过端面进水端向端面冷却槽进水、并从端面排水端出水，实现对止推环的冷却。
进一步的，所述止推环右端面上的外圈端面供气孔组和内圈端面供气孔组之间还设有一圈中间圈端面供气孔组，所述中间圈端面供气孔组包括多个中间端面供气孔，多个中间端面供气孔与外圈端面供气孔组的多个端面供气孔交错排布；
位于最右端的周向供气槽底部还设有多个沿径向延伸的周向供气盲道，位于最右端的周向供气槽底部的多个周向供气盲道与多个周向供气通道间隔排布，多个中间端面供气孔通过各自的中间端面供气通道与多个周向供气盲道一一对应的相连通，所述中间端面供气通道沿着与轴向相平行的方向延伸。
进一步的，所述芯轴靠近右端的部位设有一个沿径向向外凸出的止推盘，所述气浮轴承位于止推盘的左侧且气浮轴承的止推环径向凸出于止推盘；
所述止推环右端面上的供气孔组由外向内分别为外圈端面供气孔组、中间圈端面供气孔组和内圈端面供气孔组，设外圈端面供气孔组的多个端面供气孔的圆心所在圆为第一分度圆，设中间圈端面供气孔组的多个中间端面供气孔的圆心所在的圆为第二分度圆，设内圈端面供气孔组的多个端面供气孔的圆心所在圆为第三分度圆，设第一分度圆、第二分度圆和第三分度圆的直径分别为D1、D2、D3，则D1、D2、D3根据如下公式计算得到：
其中，Din是止推环右端面上的内孔孔径，Dout是芯轴的止推盘外径。
进一步的，所述径向轴承本体外侧壁上在对应每个周向供气槽的左右两侧分别开有密封槽，所述密封槽内设有密封圈，通过两个密封圈与所述外壳内侧壁紧密配合实现各个周向供气槽的密封。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明提供的一种气浮轴承，其通过在径向轴承本体上开设多排周向供气槽，并在止推环上开设多圈端面供气孔组，提高了气浮轴承的承载能力和支承刚度；并且，在径向轴承本体上还设有多个周向冷却槽、同时在止推环的左端面上开有端面冷却槽，可以高效地对气浮轴承的高速气膜剪切摩擦发热进行直接冷却，有效地降低了轴承的温度；在径向轴承本体上开设一圈轴向中空槽并与多个排气通道贯通，可使排气通道的流动气体进入轴向中空槽，加强了轴向中空槽内的空气对流，进一步增强了轴承的散热能力。此外，本气浮轴承将气路结构和冷却水路结构直接设置在轴承上，结构简单紧凑。
2、本发明提供的一种气浮轴承，其在止推环右端面的工作面上开设外、中、内共三圈端面供气孔组，且中间圈端面供气孔组的多个中间端面供气孔与外圈端面供气孔组的多个端面供气孔交错排布，此种结构设计，有效增大了气浮轴承的气膜压力，有利于提高气浮轴承的承载能力和支承刚度。
附图说明
图1是本发明的立体图。
图2是本发明的另一个视角的立体图。
图3是本发明的右视图。
图4是图3的A-A剖面图。
图5是图3的B-B剖面图。
图6是图4的C-C剖面图。
图7是图4的D-D剖面图。
图8是本发明的气浮轴承与外壳以及芯轴相装配的水路结构的剖面图。
图9是本发明的气浮轴承与外壳以及芯轴相装配的气路结构的剖面图。
图中标号：1气浮轴承,11径向轴承本体，12止推环，13周向供气槽，14周向供气通道，15周向排气槽，16排气通道，17轴向中空槽，18端面供气通道，19周向冷却槽，110第一隔块，111周向排水端，112周向进水端，113端面冷却槽，114第二隔块，115端面排水端,116端面进水端，117密封槽；118外圈端面供气孔组，119中间圈端面供气孔组,120内圈端面供气孔组，121周向供气盲道，122中间端面供气通道，2外壳，21主供气通道，22主排气通道，23主供水通道，24主排水通道，3芯轴，31止推盘，4左径向轴承，5电机组件，6右径向轴承。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1至图9，本实施例公开了一种气浮轴承，气浮轴承1安装在电主轴的外壳2内腔，并空套在电主轴的芯轴3之外，气浮轴承1包括径向轴承本体11和位于径向轴承本体11右端的止推环12，径向轴承本体11与止推环12之间为一体式设计。
径向轴承本体11外侧壁上从左向右开有多个环形的周向供气槽13，本实施例中采用四个周向供气槽13。径向轴承本体11外侧壁上在对应每个周向供气槽13的左右两侧分别开有密封槽117，密封槽117内设有密封圈，通过两个密封圈与外壳2内侧壁紧密配合实现各个周向供气槽13的密封。每个周向供气槽13底部设有多个沿径向延伸的周向供气通道14，通过周向供气通道14连通对应的周向供气槽13和径向轴承本体11内孔。
径向轴承本体11内孔的内侧壁中段还开有一个环形的周向排气槽15，周向排气槽15底部设有多个沿径向延伸的排气通道16，通过每个排气通道16连通周向排气槽15和径向轴承本体11外侧壁；径向轴承本体11左端面上还开有一圈轴向中空槽17，多个轴向中空槽17与多个排气通道16的数量相同，每个轴向中空槽17沿轴向延伸且与对应的排气通道16相连通，轴向中空槽17为右端为盲端的盲孔。
止推环12右端面上包含有两圈端面供气孔组，两圈端面供气孔组分别为外圈端面供气孔组118和内圈端面供气孔组120，每一圈端面供气孔组包括多个端面供气孔，每个端面供气孔通过端面供气通道18与位于最右端的周向供气通道14相连通，端面供气通道18沿着与轴向相平行的方向延伸。
径向轴承本体11外侧壁上还开有至少一个周向冷却槽19，本实施例中采用两个周向冷却槽19。周向冷却槽19环绕径向轴承本体11但不封闭，周向冷却槽19的两端通过第一隔块110隔开，周向冷却槽19的两端分别形成周向进水端112和周向排水端111，通过周向进水端112向周向冷却槽19进水、并从周向排水端111出水，实现对径向轴承本体11的冷却。
止推环12左端面上开有端面冷却槽113，端面冷却槽113呈不封闭的环形结构，端面冷却槽113的两端通过第二隔块114隔开，端面冷却槽113的两端分别形成端面进水端116和端面排水端115，通过端面进水端116向端面冷却槽113进水、并从端面排水端115出水，实现对止推环12的冷却。
具体的，止推环12右端面上的外圈端面供气孔组118和内圈端面供气孔组120之间还设有一圈中间圈端面供气孔组119，中间圈端面供气孔组119包括多个中间端面供气孔，多个中间端面供气孔与外圈端面供气孔组118的多个端面供气孔交错排布。
位于最右端的周向供气槽13底部还设有多个沿径向延伸的周向供气盲道121，位于最右端的周向供气槽13底部的多个周向供气盲道121与多个周向供气通道14间隔排布，多个中间端面供气孔通过各自的中间端面供气通道122与多个周向供气盲道121一一对应的相连通，中间端面供气通道122沿着与轴向相平行的方向延伸。
具体的，芯轴3靠近右端的部位设有一个沿径向向外凸出的止推盘31，气浮轴承1位于止推盘31的左侧且气浮轴承1的止推环12径向凸出于止推盘31；
止推环12右端面上的供气孔组由外向内分别为外圈端面供气孔组118、中间圈端面供气孔组119和内圈端面供气孔组120，设外圈端面供气孔组118的多个端面供气孔的圆心所在圆为第一分度圆，设中间圈端面供气孔组119的多个中间端面供气孔的圆心所在的圆为第二分度圆，设内圈端面供气孔组120的多个端面供气孔的圆心所在圆为第三分度圆，设第一分度圆、第二分度圆和第三分度圆的直径分别为D1、D2、D3，则D1、D2、D3根据如下公式计算得到：
其中，Din是止推环12的有效气膜内圆的直径，即止推环12右端面上的内孔孔径；Dout是止推环12的有效气膜外圆的直径，即对应芯轴3的止推盘31外径。
装配时，首先将左径向轴承4、电机组件5、该气浮轴承1在外壳2的空腔内从左向右依次并排，并将芯轴3从右向左依次穿入左径向轴承4、电机组件5、气浮轴承1的内孔，再将右止推轴承套装在芯轴3右端，并使得气浮轴承1和右止推轴承分列于芯轴3的止推盘31的左右两侧且径向凸出于止推盘31，止推盘31***空套有一个间隙调整环。
参见图8，工作时，通过外壳2内的主供水通道23分别与径向轴承本体11的各个周向冷却槽19的周向进水端112、以及止推环12左端面的端面冷却槽113的端面进水端116相对接，对气浮轴承1供冷却水，以对气浮轴承1进行冷却。并通过外壳2内的主排水通道24分别与各个周向冷却槽19的周向排水端111、以及止推环12左端面的端面冷却槽113的端面排水端115相对接，进行排水，以实现冷却水的循环。
参见图9，通过外壳2内的主供气通道21与径向轴承本体11外侧壁上的各个第一周向供气槽13相连通，对气浮轴承1供高压气体，使气浮轴承1与芯轴3之间形成气膜，使芯轴3浮起；并通过外壳2内的主排气通道22与径向轴承本体11上的一圈排气通道16外端相对接，实现排气。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气浮轴承，所述气浮轴承(1)安装在电主轴的外壳(2)内腔，并空套在电主轴的芯轴(3)之外，其特征在于：所述气浮轴承(1)包括径向轴承本体(11)和位于径向轴承本体(11)右端的止推环(12)，所述径向轴承本体(11)外侧壁上从左向右开有多个环形的周向供气槽(13)，每个周向供气槽(13)底部设有多个沿径向延伸的周向供气通道(14)，通过周向供气通道(14)连通对应的周向供气槽(13)和径向轴承本体(11)内孔；
所述径向轴承本体(11)内孔的内侧壁中段还开有一个环形的周向排气槽(15)，所述周向排气槽(15)底部设有多个沿径向延伸的排气通道(16)，通过每个排气通道(16)连通周向排气槽(15)和径向轴承本体(11)外侧壁；所述径向轴承本体(11)左端面上还开有一圈轴向中空槽(17)，多个轴向中空槽(17)与多个排气通道(16)的数量相同，每个轴向中空槽(17)沿轴向延伸且与对应的排气通道(16)相连通，轴向中空槽(17)为右端为盲端的盲孔；
所述止推环(12)右端面上包含有两圈端面供气孔组，两圈端面供气孔组分别为外圈端面供气孔组(118)和内圈端面供气孔组(120)，每一圈端面供气孔组包括多个端面供气孔，每个端面供气孔通过端面供气通道(18)与位于最右端的周向供气通道(14)相连通，所述端面供气通道(18)沿着与轴向相平行的方向延伸；
所述径向轴承本体(11)外侧壁上还开有至少一个周向冷却槽(19)，所述周向冷却槽(19)环绕径向轴承本体(11)但不封闭，所述周向冷却槽(19)的两端通过第一隔块(110)隔开，所述周向冷却槽(19)的两端分别形成周向进水端(112)和周向排水端(111)，通过周向进水端(112)向周向冷却槽(19)进水、并从周向排水端(111)出水，实现对径向轴承本体(11)的冷却；
所述止推环(12)左端面上开有端面冷却槽(113)，所述端面冷却槽(113)呈不封闭的环形结构，所述端面冷却槽(113)的两端通过第二隔块(114)隔开，所述端面冷却槽(113)的两端分别形成端面进水端(116)和端面排水端(115)，通过端面进水端(116)向端面冷却槽(113)进水、并从端面排水端(115)出水，实现对止推环(12)的冷却。
2.如权利要求1所述的一种气浮轴承，其特征在于：所述止推环(12)右端面上的外圈端面供气孔组(118)和内圈端面供气孔组(120)之间还设有一圈中间圈端面供气孔组(119)，所述中间圈端面供气孔组(119)包括多个中间端面供气孔，多个中间端面供气孔与外圈端面供气孔组(118)的多个端面供气孔交错排布；
位于最右端的周向供气槽(13)底部还设有多个沿径向延伸的周向供气盲道(121)，位于最右端的周向供气槽(13)底部的多个周向供气盲道(121)与多个周向供气通道(14)间隔排布，多个中间端面供气孔通过各自的中间端面供气通道(122)与多个周向供气盲道(121)一一对应的相连通，所述中间端面供气通道(122)沿着与轴向相平行的方向延伸。
3.如权利要求2所述的一种气浮轴承，其特征在于：所述芯轴(3)靠近右端的部位设有一个沿径向向外凸出的止推盘(31)，所述气浮轴承(1)位于止推盘(31)的左侧且气浮轴承(1)的止推环(12)径向凸出于止推盘(31)；
所述止推环(12)右端面上的供气孔组由外向内分别为外圈端面供气孔组(118)、中间圈端面供气孔组(119)和内圈端面供气孔组(120)，设外圈端面供气孔组(118)的多个端面供气孔的圆心所在圆为第一分度圆，设中间圈端面供气孔组(119)的多个中间端面供气孔的圆心所在的圆为第二分度圆，设内圈端面供气孔组(120)的多个端面供气孔的圆心所在圆为第三分度圆，设第一分度圆、第二分度圆和第三分度圆的直径分别为D1、D2、D3，则D1、D2、D3根据如下公式计算得到：
其中，Din是止推环(12)右端面上的内孔孔径，Dout是芯轴(3)的止推盘(31)外径。
4.如权利要求1所述的一种气浮轴承，其特征在于：所述径向轴承本体(11)外侧壁上在对应每个周向供气槽(13)的左右两侧分别开有密封槽(117)，所述密封槽(117)内设有密封圈，通过两个密封圈与所述外壳(2)内侧壁紧密配合实现各个周向供气槽(13)的密封。
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