CN110410153A - 一种静压空气轴承气动马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静压空气轴承气动马达，通过对传统空气轴承气动涂装马达进行优化，提高了气膜刚度，同时使转动轴的转动更平稳，且能承受更高的转速。该空气轴承气动马达包括：主体、转动轴、径向空气轴承、止推轴承、叶轮、等高环和动力环；本发明通过对径向空气轴承进行整体改进，使供气布局更加合理，提高了气膜刚度。通过对动力环进行改进，使其抗干扰性强，转动轴的转动更平稳，且能承受更高的转速。

Description

一种静压空气轴承气动马达

技术领域

本发明涉及一种气动马达，具体涉及一种静压空气轴承气动马达，属于空气润滑轴承和气动高速运转马达领域。

背景技术

目前，涂装领域主要使用高压空气喷射原理进行喷涂，其缺点是涂料离散不均匀，涂料颗粒大小差异大，由于喷射气流不稳定，涂料形成的雾化区域也是很不均匀。因此，在涂装体表面形成的涂装效果并不理想。

在中端涂装领域，有离心雾化机械轴承马达应用于喷涂工艺中。但因转速达不到使涂料达到纳米级的雾化程度，使产品表面不能达到很好的反光效果。机械轴承马达在转速超过30000rpm后寿命会很低，超过60000rpm时，寿命几乎不可以满足使用要求。同时机械轴承振动很大，雾化均匀度也受影响。

在高端涂装领域已开发了空气轴承气动涂装马达。该涂装马达攻克了空气轴承和动力叶轮相结合的技术，其优点是转速高达60000-70000rpm，工作过程中振动非常小(小于20纳米)，相对机械轴承寿命长，不需要油脂润滑，无环境污染，免维护，对涂装材料离子化均匀程度好。因此，空气轴承气动涂装马达是未来高端涂装行业喷涂工艺的发展趋势。

现有涂装马达空气轴承的气膜刚度底，动平衡级别低，导致其维持在最高转速时寿命很低，同时抗干扰性差，因动力环动力气道结构布局偏向一侧，一旦有干扰很容易失衡。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种静压空气轴承气动马达，通过对传统空气轴承气动涂装马达进行优化，提高了气膜刚度，同时使转动轴的转动更平稳，且能承受更高的转速。

所述的静压空气轴承气动马达包括：主体、转动轴、径向空气轴承、止推轴承、叶轮、等高环和动力环；

所述转动轴中部设置有轴肩，令其轴肩的一侧为转动轴头部，另一侧为转动轴尾部；所述转动轴头部通过径向空气轴承同轴支撑在主体内部；所述径向空气轴承由空气轴承进气通道提供气体后为所述转动轴提供径向支撑；

所述转动轴轴肩两端分别设置有推力空气轴承作为止推轴承；所述止推轴承由空气轴承进气通道提供气体后为所述转动轴提供推力方向上的支撑；

在所述转动轴中部轴肩上同轴套装等高环和叶轮，所述叶轮与转动轴固接，用于带动转动轴绕其自身轴线转动；所述叶轮外同轴套装动力环，动力气源进气通道通过所述动力环上的气道向所述叶轮提供气体，以驱动所述叶轮转动；所述等高环密封动力环上的气道，所述等高环与所述动力环的厚度和与所述转动轴轴肩厚度一致；

所述转动轴尾部同轴套装上端盖，所述上端盖、等高环及动力环固接；

在所述径向空气轴承的外圆周面上沿轴向分布有两个以上环形槽作为储气仓；所述储气仓与空气轴承进气通道连通，每个所述储气仓的内底面上沿周向分布两个以上节流孔作为径向空气轴承高压进气孔；相邻两个所述储气仓之间通过均压通道连通；

所述气动马达内部的气体通过排气通道排出。

所述动力环上的气道包括布气槽和喷孔；所述布气槽沿周向包络所述动力环端面上排气孔和刹车孔所在弧形区域外的弧形段；所述布气槽与所述动力气源进气通道连通；

所述动力环上布气槽所在位置设置两个以上沿周向分布的气流通道作为喷孔，用于将气体喷入叶轮，驱动叶轮转动；

所述刹车孔通过刹车进气道沿制动方向向叶轮喷入气体，用于叶轮的制动。

所述径向空气轴承的材质为多孔介质石墨。

有益效果

(1)本发明通过对径向空气轴承进行整体改进，使其供气布局更加合理，能够有效提高气膜刚度。

(2)通过对动力环进行改进，使其抗干扰性强，转动轴的转动更平稳，且能承受更高的转速。

(3)本发明的气动马达转动稳定性高，转速高(能够达到80000-85000rpm)，对涂装材料离心雾化更加细小和均匀，能够有效的提高涂装质量。

(4)对高压气道，负压气道，转动气道，尾气排出气道等气体通路进行合理分布，空间利用率高。

(5)同时通过优化平衡质量，使转动轴的转动更平稳，且能承受更高的转速。

附图说明

图1为本发明的静压空气轴承气动马达的装配示意图；

图2为该气动马达的***图；

图3为动力环的结构示意图；

图4为径向空气轴承的结构示意图。

其中：1-转动轴、2-径向空气轴承、3-主体、4-尾气回吸孔道、5-密封槽、6-负压仓罩、7-负压仓、8-等高环、9-叶轮、10-动力环、11-上端盖、12-动力高压进气道、13-止推轴承、14-尾气排出气道、15-止推轴承高压通道、16-高压进气口、17-排气道、18-轴承高压进气道、19-径向空气轴承高压通道、20-储气仓、21-排气槽、22-节流孔、23-均压通道、24-布气槽、25-动力进气孔、26-排气孔、27-刹车孔、28-刹车进气道、29-喷孔

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种用于喷涂的静压空气轴承气动马达，通过对径向空气轴承进行整体改进，使供气布局更加合理，提高了气膜刚度，同时通过对动力环进行改进，使其抗干扰性强，转动轴的转动更平稳，且能承受更高的转速。

如图1和图2所示，该空气轴承气动马达包括：主体3、转动轴1、径向空气轴承2、止推轴承13、叶轮9、等高环8和动力环10。

转动轴1中部设置有轴肩，令其轴肩的一侧为转动轴头部，另一侧为转动轴尾部。主体3为一端具有轴肩的筒形结构，转动轴头部通过径向空气轴承2同轴支撑在主体3内部，且径向空气轴承2与转动轴1间隙配合，径向空气轴承2用于对转动轴1在径向方向上进行非接触状态支撑；转动轴头部前端伸出主体3。转动轴1的轴肩两侧分别设置有推力空气轴承作为止推轴承13，用于对转动轴1在推力方向上进行非接触状态支撑；其中转动轴1轴肩前侧的止推轴承与径向空气轴承2之间的接触面为前止推面，转动轴1轴肩后侧的止推轴承的后端面为后止推面；在转动轴1中部的轴肩上同轴套装等高环8和叶轮9，其中叶轮9与转动轴1固接，用于带动转动轴1绕其自身轴线转动，叶轮9外同轴套装动力环10，动力环10用于为驱动叶轮9转动的空气提供气道，等高环8用于密封动力环10上的气道，同时保证前止推面和后止推面之间的距离固定。转动轴1尾部同轴套装上端盖11，上端盖11、等高环8及动力环10通过连接螺栓固定连接。

在由主体3、等高环8、动力环10以及上端盖11所形成的外壳体内部分别设置有动力气源进气通道、空气轴承进气通道以及排气通道；其中动力气源进气通道用于为叶轮9气体高压空气，以驱动叶轮9转动；空气轴承进气通道用于为径向空气轴承2和止推轴承13提供高压气体，以形成空气润滑膜；排气通道用于排除气动马达内部气体，形成气体循环。具体为：

在上端盖11端面上设置有两个高压空气入口16，两个高压空气入口16分别与上端盖11内部设置的轴承高压进气道18和动力高压进气道12连通；动力高压进气道12与动力环10上的布气槽24连通形成动力气源进气通道，用于向动力环10内的叶轮9提供高压气体。

为克服传统动力环有干扰易失衡的问题，采用如图3所示的动力环10，在动力环10上设置有布气槽24、排气孔26和刹车孔27；其中布气槽24沿周向最大范围的包络动力环10，即尽量增大动力环10端面上弧形布气槽24对应的圆心角，如图3所示，在动力环10端面上排气孔26和刹车孔27所在弧形区域外的弧形段上均设置有布气槽。动力环10上布气槽24所在位置设置多个沿周向分布的气流通道作为喷孔29，用于将高压气喷入叶轮9，驱动叶轮9转动，喷孔29喉道直径为其入口直径的1/2,以实现高压气的高速喷出。刹车孔27通过刹车进气道28向叶轮9反方向(与喷孔29的喷气方向相反)喷入高压气，用于叶轮9的制动。排气孔26作为排气通道的一部分，用于气动马达内部气体的排除。

空气轴承进气通道包括：轴承高压进气道18、止推轴承高压气通道15和径向空气轴承高压气通道19。轴承高压进气道18的末端分成两个支路，其中一个支路为设置在上端盖11内部的止推轴承高压通道15，用于向两个止推轴承提供高压气体，从而在前止推面和后止推面处形成空气润滑膜；另一个支路通过等高环8和动力环10上的气孔与设置在主体3内部的径向空气轴承高压通道19连通，径向空气轴承高压通道19与分布在径向空气轴承2外圆周面上的节流孔22连通，用于向径向空气轴承2提供高压气体，从而在转动轴1与径向空气轴承2之间形成空气润滑膜。

为提高转动轴1与径向空气轴承2之间的气膜刚度，对径向空气轴承2上的供气布局进行如图4所示的设计，具体为：在径向空气轴承2的外圆周面上沿轴向分布有四个环形槽作为储气仓20，径向空气轴承高压通道19分别与各储气仓20连通，每个储气仓20的轴向两侧均设置有密封槽5，以保证储气仓20的密封。其中径向空气轴承高压通道19采用入口向出口向下倾斜的方式布置，使气体能够快速进入储气仓20。四个储气仓20中位于前端的两个储气仓20通过一个均压通道连通，位于后端的两个储气仓20通过一个均压通道连通，由此保证储气仓20内气体压强均匀。在径向空气轴承2的外圆周面上每个储气仓20的内底面上沿周向均布多个节流孔22作为径向空气轴承高压进气孔，用于向转动轴1外圆周面与径向空气轴承2内圆周面之间提供高压气体。在保证径向空气轴承2结构强度的前提下，储气仓20的尺寸越大越好，令节流孔22的直径为d，径向空气轴承2的壁厚为H，储气仓20的深度为h，宽度为D，则优选为：h/H＝1/3～1/4,d/D<1/40。

径向空气轴承2的材质优选为多孔介质石墨，由此可利用其自润滑性和透气性使进气均匀。

排气通道为两路，一路直接通过转动轴1和径向空气轴承2之间的间隙排到径向空气轴承2的两端，另一路包括设置在主体3内部的尾气排气道14以及设置在等高环8内与尾气排气道14连通的排气道17，径向空气轴承2中部设置环形槽作为排气槽21，排气槽21内底面上设置有径向通孔作为排气孔，尾气排气道14与排气槽21连通。排气道17与设置在动力环10和上端盖11上的排气孔连通，从而将气体排出。

为避免从转动轴1前端排出的气体对喷涂造成干扰，对从转动轴1前端排出的气体进行负压回吸处理，基于此，在主体3外同轴套装圆台形的负压仓罩6，负压仓罩6与主体3通过连接螺栓固接；负压仓罩6与主体3外圆周之间的环形空间作为负压仓7，在负压仓罩6的端面加工有与负压仓7连通的尾气回吸孔道4；设置在该气动马达尾部的负压泵通过负压气管与负压仓7连通。

为方便通过优化平衡质量，使转动轴的转动更平稳，在叶轮9的外周面上设置有多个用于放置质量块的圆孔，在进行动平衡测试时，通过调节质量块的个数和位置优化平衡质量。优选的：用于放置质量块的圆孔沿叶轮9的周向均匀间隔分布。

同时在叶轮9的背面(非工作面)设置反光片，用于叶轮9转速的测量，且通过沿周向间隔(且间隔不一致)设置多个反光片，能够实现转速精准测量。

该气动马达的工作原理为：

高压空气通过轴承高压进气道18进入径向空气轴承2和止推轴承13内，在转动轴1与径向空气轴承2之间、与止推轴承13之间形成一定厚度和刚度的空气润滑膜。使转动轴1在径向上被径向空气轴承以非接触状态支撑，在推力方向上被两个推力轴承以非接触状态支撑。

高压空气通过动力高压进气道12进入动力环10，驱动动力环10内的叶轮9，使叶轮9旋转产生动力；改变进入动力高压进气道12内的气体的压力和流量，能够改变叶轮9的转速，由于叶轮9与转动轴1固接在一起，叶轮9转动带动转动轴1绕其轴线转动。

转动轴1和径向空气轴承2之间的流动气膜(即转动轴1与径向空气轴承2之间的空气润滑膜)通过轴面间隙排到径向空气轴承2的两端，并通过尾气排气道14流动到排气槽17内，最后通过尾部的排气孔排出。

转动轴1前端处排出的气体要进行负压回吸处理，其工作原理是前端排出的尾气通过尾气回吸孔道4吸入到负压舱7内，在通过马达尾部的负压气管吸到负压泵里。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种静压空气轴承气动马达，其特征在于，包括：主体(3)、转动轴(1)、径向空气轴承(2)、止推轴承(13)、叶轮(9)、等高环(8)和动力环(10)；

所述转动轴(1)中部设置有轴肩，令其轴肩的一侧为转动轴头部，另一侧为转动轴尾部；所述转动轴头部通过径向空气轴承(2)同轴支撑在主体(3)内部；所述径向空气轴承(2)由空气轴承进气通道提供气体后为所述转动轴(1)提供径向支撑；

所述转动轴(1)轴肩两端分别设置有推力空气轴承作为止推轴承(13)；所述止推轴承(13)由空气轴承进气通道提供气体后为所述转动轴(1)提供推力方向上的支撑；

在所述转动轴(1)中部轴肩上同轴套装等高环(8)和叶轮(9)，所述叶轮(9)与转动轴(1)固接，用于带动转动轴(1)绕其自身轴线转动；所述叶轮(9)外同轴套装动力环(10)，动力气源进气通道通过所述动力环(10)上的气道向所述叶轮(9)提供气体，以驱动所述叶轮(9)转动；所述等高环(8)密封动力环(10)上的气道，所述等高环(8)与所述动力环(10)的厚度和与所述转动轴(1)轴肩厚度一致；

所述转动轴(1)尾部同轴套装上端盖(11)，所述上端盖(11)、等高环(8)及动力环(10)固接；

在所述径向空气轴承(2)的外圆周面上沿轴向分布有两个以上环形槽作为储气仓(20)；所述储气仓(20)与空气轴承进气通道连通，每个所述储气仓(20)的内底面上沿周向分布两个以上节流孔(22)作为径向空气轴承高压进气孔；相邻两个所述储气仓(20)之间通过均压通道连通；

所述气动马达内部的气体通过排气通道排出。

2.如权利要求1所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，所述动力环(10)上的气道包括布气槽(24)和喷孔(29)；所述布气槽(24)沿周向包络所述动力环(10)端面上排气孔(26)和刹车孔(27)所在弧形区域外的弧形段；所述布气槽(24)与所述动力气源进气通道连通；

所述动力环(10)上布气槽(24)所在位置设置两个以上沿周向分布的气流通道作为喷孔(29)，用于将气体喷入叶轮(9)，驱动叶轮(9)转动；

所述刹车孔(27)通过刹车进气道(28)沿制动方向向叶轮(9)喷入气体，用于叶轮(9)的制动。

3.如权利要求1或2所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，所述径向空气轴承(2)的材质为多孔介质石墨。

4.如权利要求1或2所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，令所述节流孔(22)的直径为d，径向空气轴承(2)的壁厚为H，储气仓(20)的深度为h，宽度为D，则：h/H＝1/3～1/4，d/D<1/40。

5.如权利要求1或2所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，所述排气通道为两路，一路直接通过所述转动轴(1)和所述径向空气轴承(2)之间的间隙排到径向空气轴承(2)的两端；另一路包括设置在所述主体(3)内部的尾气排气道(14)以及设置在等高环(8)内与尾气排气道(14)连通的排气道(17)，所述径向空气轴承(2)中部设置环形槽作为排气槽(21)，所述排气槽(21)内底面上设置有径向通孔作为排气孔，所述尾气排气道(14)与排气槽(21)连通；所述排气道(17)与设置在动力环(10)和上端盖(11)上的排气孔连通。

6.如权利要求5所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，还包括负压回吸单元，所述负压回吸单元包括：负压仓罩(6)、尾气回吸孔道(4)和负压泵；

在所述主体(3)外同轴固接负压仓罩(6)；所述负压仓罩(6)与所述主体(3)外圆周之间的环形空间为负压仓(7)，在所述负压仓罩(6)的前端面上加工有与负压仓(7)连通的尾气回吸孔道(4)，所述负压仓(7)与外部的负压泵相连；通过所述尾气回吸孔道(4)用于对从所述转动轴(1)前端排出的气体进行负压回吸。

7.如权利要求1或2所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，在所述叶轮(9)的外周面上沿周向分布有两个以上用于放置质量块的圆孔。

8.如权利要求1或2所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，在所述叶轮(9)非工作面上设置有用于测量所述叶轮(9)转速的反光片。

9.如权利要求1或2所述的静压空气轴承气动马达，其特征在于，所述空气轴承进气通道包括：设置在所述主体(3)内部与储气仓(20)连通的径向空气轴承高压通道(19)，所述径向空气轴承高压通道(19)，所述径向空气轴承高压通道(19)为入口端向出口端向下倾斜的气体通道。