CN116066479A - 一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，包括间隙配合的轴承外圈和轴承内圈；所述轴承外圈的外表面开有周向深槽，内表面沿周向均匀分布若干深腔，所述周向深槽与各所述深腔分别通过短毛细节流器连接；所述轴承内圈的外表面沿轴向分为三个区域，分别为中间段的流体静压形成区和左右侧的浅槽结构区，或为中间段的流体静压形成区和左右侧的微织构区；所述流体静压形成区为光滑表面，与所述深腔对应。本发明能够提高气体轴承从低速至高速过程的稳定性和精度。

Description

一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，涉及一种气体轴承，特别涉及一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，主要用于工况为高转速、低载荷、高稳定性、外部扰动大等的精密仪器设备用转子***的径向支撑，是整机***的关键零件，也可以用作高速精密机床、航空航天高速发动机、能源化工高速泵等专用旋转机械的转子***支撑零件。

背景技术

传统液体润滑滑动轴承受供油***影响，致使其结构复杂和尺寸较大；同时油润滑滑动轴承的相对转速较低、容易造成油污染、功耗大等不足，在一些高速旋转机械设备中的应用较为限制。气体润滑技术的提出满足了高速滑动轴承高精度、高转速、低摩擦要求，由于所采用的气体介质的低粘度，只有高转速下的才更有利于滑动轴承动压效应的形成。

现有的气体径向滑动轴承主要有三类，即静压气体轴承、动压气体轴承和动静压混合气体轴承。静压气体轴承是外部加高压进气***，在低速和中速旋转时轴承润滑以静压为主，实现轴承静态载荷需求，静压一般通过油腔形成，高速下的油腔动压效应较弱。动压气体轴承可以满足高速旋转，但是低速时动压气体轴承可能会存在转子和轴承的接触摩擦，进而导致轴承失效；动静压混合气体轴承的提出满足了气体轴承从低速至高速全过程的稳定运转，能兼顾静压和动压效应的稳定形成。动静压混合气体轴承同时兼具静压气体轴承和动压气体轴承的优点，能在低速至高速过程保持稳定的气膜刚度和承载能力。为使得动静压混合气体轴承的动压效应需要满足动压效应产生条件，一般在气体轴承开槽，而槽型的深度对流体动压效应产生的机理影响不同，槽型按深度划分为深槽和浅槽两种。已有文献表明，不同槽深对动压效应的影响机理是不同的，浅槽结构针对高转速工况更为稳定([赵惠清,蔡嵘,国巨发.深槽浅槽机械密封的对比分析[J].北京化工大学学报(自然科学版),1999，26(02):39-42.])。

同时，现有不少专利也提出在气体轴承外圈内侧加工槽型的结构，如专利授权号CN113431844A提出一种高速螺旋槽小孔节流静压气体轴承，其在轴承外侧壁加工双排供气孔，每个供气孔与小孔节流器配合，内侧壁沿周向中段加工有矩形的轴向微通槽使双排小孔节流器连通，轴承内侧壁加工螺旋槽，螺旋槽均匀分布在轴向微通槽两侧。但这种开槽的方式会提高加工难度和加工成本，并且会影响加工精度。

乔玉晶等公开的孔式切向进气的立式动静压混合气体润滑轴承装置(CN204213175U)，其结构包括中心转轴以及光滑圆柱体，在中心转轴侧壁开螺旋槽，在光滑圆柱体中心位置钻有中心通孔，光滑圆柱体内部设有横向纵向的两种通气孔。此结构虽然对转轴的冲击力小，轴承稳定性更高且回转精度高，但无法承受大载荷，中心转轴内的通气孔会降低转轴强度，大载荷下可能会失效。

李树森等公开的一种超精密加工的Y型槽动静压气体轴承(CN211525347U)，其结构为空心圆柱体，空心圆柱体外表面分布双排进气孔，内表面加工两排Y型槽和4个断续式稳压槽。这种结构虽提高了主轴在高负荷情况下旋转时的稳定性，提高了株洲的承载能力，降低摩擦损耗。但在轴承内壁加工槽型本身操作难度大，加工精度低，且其槽型为深槽结构，在高速下刚度和承载能力较低。

陈学冬等公开的一种单腔多孔式节流装置的气体轴承(CN101825142B)，其在轴承上开有中心孔，孔内镶嵌圆柱体，在圆柱体上开有微孔型阵列，用于静压气体轴承，适用于超精密运动机构，但静压气体轴承刚度小，高速下稳定性差，抗干扰能力差。

李锡晗等公开的一种静压轴承(CN114183469A)，为一类可支持径向和止推结构的静压轴承，其结构包括轴承内圈及轴承外圈，同时它们的侧面也是轴向止推的承载面。轴承外圈包括轴承上外圈以及轴承下外圈，在轴承上、下外圈上分别固定连接有节流器及承压件，节流器和承压件之间采用输油槽连通。轴承内圈外壁沿轴向刻有输油槽，用于和轴承内圈内壁的节流器及承压件连通。这种节流器与油腔不直接联通的结构方式在一定程度上有利于提高轴承的静压效应，进而提高液体静压轴承的刚度，但其失去了动压效应的条件，在轴承高速时动压效应不强；同时该静压轴承设计的输油通道过于复杂，加工难度较大，且润滑油油温随转速升高，会严重影响轴承的散热性能，热变形可能导致轴承支撑精度的降低，实际中更有利于低速油润滑工况下，对于高速气体润滑不适用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，旨在提高气体轴承从低速至高速过程的稳定性和精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，包括间隙配合的轴承外圈和轴承内圈；

所述轴承外圈的外表面开有周向深槽，内表面沿周向均匀分布若干深腔，所述周向深槽与各所述深腔分别通过短毛细节流器连接；

所述轴承内圈的外表面沿轴向分为三个区域，分别为中间段的流体静压形成区和左右侧的浅槽结构区，或为中间段的流体静压形成区和左右侧的微织构区；所述流体静压形成区为光滑表面，与所述深腔对应。

在一个实施例中，所述轴承外圈和轴承内圈的设计间隙为微米级，保证流体动压效应形成的结构约束条件。所述轴承内圈与转轴过盈或者过渡配合，确保内圈能够随着转轴一起高速旋转，不会产生相对滑动。

在一个实施例中，其中左右侧的区域关于中间段的区域对称。

在一个实施例中，所述周向深槽和各所述深腔均对应位于轴承外圈的轴向对称中心，各所述深腔沿轴向呈单排设置，腔深为毫米级，截面为矩形，宽度为轴承宽度的1/3～2/3，长度与宽度比为0.8～1.2；短毛细节流器的径向长度与口径比为1～20，满足短毛细节流装置结构参数范围；其中深腔的宽度，指轴向尺寸，长度，指周向尺寸，腔深，指径向尺寸。

在一个实施例中，所述三个区域沿轴向的长度之比为1:1:1。

在一个实施例中，所述浅槽结构区，是在轴承内圈的外表面沿周向开有等间距的若干浅槽，其槽深为微米级。

在一个实施例中，所述浅槽的槽类型为螺旋槽、矩形槽、三角形槽或人字形槽。

在一个实施例中，所述螺旋槽的类型线为对数型、渐开线型或展开线型；左右侧的区域的螺旋槽旋向相反，右侧螺旋槽旋向与内圈转动方向一致时，促进流体循环，保持润滑效果；右侧螺旋槽旋向与内圈转动方向相反时，降低轴承的流量，提高轴承的静压效应。

在一个实施例中，所述微织构区，是在轴承内圈的外表面沿周向开有等间距的若干微坑，所述微坑沿轴向呈多排分布，其深度为毫米级。

在一个实施例中，所述微坑形状为圆形、三角形、正方形或矩形，左右两侧微织构所占面积为整个侧面面积的1/3～2/3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在轴承内圈外侧加工槽型，其加工难度小、成本低、精度高。在轴承内圈加工槽型还可以快速实现轴承与轴的配合关系的调整，能在不改变轴承外圈结构和轴承外圈与轴承座配合精度条件下，仅改变轴承内圈内径尺寸即可适配更广泛轴颈尺寸。

2、本发明采用的短毛细节流器，与现有的毛细节流和小孔节流存在较为显著的节流比变化规律，能使气体轴承在中低速旋转时气膜保持较大的刚度和承载能力。

3、本发明采用的轴承内圈加工微米级浅槽，浅槽在气体介质高速旋转端面的更有利于产生强的动压效应，与现有深槽结构的气体轴承相比(以静压效应为主)，浅槽结构的气体轴承在高速下的刚度和承载能力更高。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明侧向视图。

图3是图2中A-A剖视图。

图4是本发明实施例中轴承内圈的外表面的左右侧采用人字形槽的结构示意图。

图5是本发明实施例中轴承内圈的外表面的左右侧采用螺旋槽的结构示意图。

图6是本发明实施例中轴承内圈的外表面的左右侧采用圆形微坑的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1至图6所示，本发明为一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，包括间隙配合的轴承外圈1和轴承内圈2。

其中，轴承外圈1的外表面开有周向深槽1-1，内表面沿周向均匀分布若干深腔1-2，所述周向深槽1-1与各所述深腔1-2分别通过短毛细节流器1-3连接。

轴承内圈2的外表面沿轴向分为三个区域，分别为中间段的流体静压形成区2-1和左右侧的浅槽结构区2-2，或为中间段的流体静压形成区2-1和左右侧的微织构区2-3；所述流体静压形成区2-1为光滑表面，与所述深腔1-2径向对应。

容易理解，左右侧的区域最好关于中间段的区域对称。

根据该结构，本发明通过在轴承外圈1设置深腔1-2以增加静压效应，采用短毛细节流器1-3连通深腔1-2和轴承外圈1，在轴承内圈2的外表面加工槽型，提高了加工精度，降低了加工难度。轴承内圈2外表面的三个区域，其中左右侧的区域用于高速工况下的动压效应增强；中间的静压形成区用于低速时轴承静态承载能力的保证，结合短毛细节流器1-3增强低速时的静压效应。

在本发明的实施例中，轴承外圈1和轴承内圈2的设计间隙为微米级，并进一步优选为0.5～50μm，微米级间隙能更好地保证流体动压效应形成的结构约束条件。

在本发明的实施例中，轴承内圈2与转轴过盈或者过渡配合，确保内圈能够随着转轴一起高速旋转，不会产生相对滑动。

在本发明的实施例中，周向深槽1-1和各所述深腔1-2均对应位于轴承外圈1的轴向对称中心。各所述深腔1-2沿轴向呈单排设置，数量优选为4～16。其腔深为毫米级，并进一步优选为0.5-5mm。其轴向截面为矩形，宽度为轴承宽度的1/3～2/3，长度与宽度比为0.8～1.2；宽结合轴承静压承载特性，合理进行深腔参数设计。其中深腔1-2的宽度，指轴向尺寸，长度，指周向尺寸。深腔的宽度，指轴向尺寸，长度，指周向尺寸，腔深，指径向尺寸。

在本发明的实施例中，轴承外圈1内外表面的联通，采用短毛细节流器1-3，短毛细节流器1-3的径向长度与口径比为1～20，满足短毛细节流装置结构参数范围，与小孔或者毛细节流存在结构上的差异；节流孔一端联通深腔1-2，一端联通作为导油槽的周向深槽1-1。示例地，短毛细节流器1-3的截面为圆形。

在本发明的实施例中，轴承内圈2外表面的三个区域，沿轴向长度占内圈长度的比例为1:1:1，符合结构设计的合理性及结构的对称性。

本发明的浅槽结构区2-2，是在轴承内圈2的外表面沿周向开有等间距的若干浅槽，其数量优选为4～16个，一般为单排分布，并进一步优选为与深腔1-2的数量相等。其槽深为微米级，并进一步优选为0.1～10微米，有助于动压效应形成。相比与深槽结构，浅槽结构在高速下可以产生更强的动压效应，增强轴承在高速下的稳定性，承载能力及抗干扰能力。

其中，浅槽的槽类型可为螺旋槽、矩形槽、三角形槽或人字形槽等。对于螺旋槽，其类型线可以为对数型、渐开线型或展开线型等，并且，左右侧的区域的螺旋槽旋向相反，右侧螺旋槽旋向与内圈转动方向一致时，促进流体循环，保持好的润滑效果；右侧螺旋槽旋向与内圈转动方向相反时，降低轴承的流量，提高轴承的静压效应。

对于人字形槽，亦能提供较好的润滑效果，同时能有利于轴承稳定性的提升，在实际设计中，根据实际工况特征，对槽型进行设计。

本发明的微织构区2-3，是在轴承内圈2的外表面沿周向开有等间距的若干微坑，微坑沿轴向呈多排分布，其深度为毫米级，便于在微织构部分形成局部静压效应。与采用浅槽的原理相似，浅的微坑结构，在高速下亦可以产生更强的动压效应，增强轴承在高速下的稳定性，承载能力及抗干扰能力。

其中，微坑形状为圆形、三角形、正方形或矩形等，左右两侧微织构结构区所占面积为整个侧面面积的1/3～2/3。

以下是本发明的两个具体实施例。

实施例1

本实施例为针对高速轻载、高稳定性工况的精度仪器用外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，下面结合附图，对其进行进一步详细描述。

参照图1、图2、图3，本实施例包括轴承外圈1和轴承内圈2，其中：

所述轴承外圈1，其结构如图2和图3，包括轴承外圈外侧的周向深槽1-1、轴承外圈内侧的深腔1-2和短毛细节流器1-3。

所述轴承外圈1，根据设计参数其外径为80mm，内径为70mm，长度为40mm。

所述周向深槽1-1沿轴承外圈1的周向一圈加工，实现径向气体轴承进气孔，其加工宽度为10mm，加工深度为3mm；周向深槽1-1加工位置在轴承外圈外侧轴向对称中心处，用于实现与外部高压气体源的连接。

所述深腔1-2采用矩形结构，其加工位置在轴承外圈1内侧的轴向对称中心处；深腔1-2沿轴承外圈内侧周向均匀分布6个，以轴线所在水平平面为对称面，上下对称分布；深腔1-2的宽度为20mm，深腔长宽比为1，深腔1-2的深度取0.5mm；深腔1-2可以将通过周向深槽1-1的外部高压气体均匀作用于轴承内圈2，实现轴承在低转速的气膜有较大的气膜刚度，且有较大的承载能力。

所述短毛细节流器1-3，其连接周向深槽1-1和深腔1-2，实现径向气体轴承通过周向深槽1-1进入的高压气体在深腔1-2形成气压作用于轴承内圈2；短毛细节流器1-3的数量为6个；短毛细节流器1-3的长度为1.5mm，截面圆形，直径为1.5mm，长径比为1。

所述轴承内圈2，其结构如图4、图5和图6，包括轴承内圈中间段的流体静压形成区2-1和左右侧的浅槽结构区2-2。

所述轴承内圈2，其外径设计为70mm，内径为60mm。

所述流体静压形成区2-1，其位于轴承内圈2的外侧轴向对称处，流体静压形成区2-1以及左右侧的浅槽结构区2-2的宽度比为1:1:1，用于实现与轴承外圈1的滑动，且高压气体通过短毛细节流器1-3作用于光滑表面即流体静压形成区2-1有利于增强低速时的静压效应。

所述浅槽结构区2-2的浅槽结构为人字槽或螺旋槽；人字槽结构如图4所示，螺旋槽结构如图5所示。浅槽结构区2-2位于流体静压形成区2-1两侧，且浅槽结构沿轴承内圈外侧周向均匀分布16个；浅槽的槽深为10μm，浅槽结构所占面积为整个侧面面积的1/2，浅槽结构应用于气体介质下的承载能力和抗干扰能力更好。

所述轴承内圈1和轴承外圈2为间隙配合，设计间隙为10μm。符合流体动压效应形成条件。

轴承内圈2与转轴之间为过渡配合，以保证在高速条件下，内圈和轴不会产生相对滑动。

轴承在高速旋转时，外部高压气体通过周向深槽1-1、短毛细节流器1-3和深腔1-2作用形成均压气体作用于轴承内圈2，实现轴承在低速旋转具有较大的气膜刚度和承载能力，形成静压效应；轴承高速旋转时，作用于轴承内圈2的气体通过轴承内圈2上的浅槽结构形成稳定的气膜，且气膜有较大的承载能力和抗干扰能力，形成动压效用；径向气体轴承通过低速的静压效应和高速的动压效应，实现轴承从低速至高速过程的稳定运转和承载能力。

实施例2

本实施例为低速重载工况时的外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，下面结合附图，对其进行进一步详细描述。

本实例包括轴承外圈1和轴承内圈2。

所述轴承外圈1与实施例1的设计方法相同，此处不再赘述。

所述轴承内圈2其结构如图6所示，包括轴承内圈中间段的流体静压形成区2-1和左右侧的微织构区2-3。

所述轴承内圈2，根据计算分析其外径设计为70mm，内径设计为60mm。

所述流体静压形成区2-1和实施例1相同，此处不再赘述。

所述微织构区2-3的微坑结构为圆形坑，为提高轴承承载能力，增强局部静压效应，设计圆形坑直径为3mm，坑深为1mm，微织构区2-3占整个侧面面积的1/3。

所述轴承内圈2与轴承外圈1的配合以及轴承内圈2与轴的配合与实施例1相同，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，包括间隙配合的轴承外圈(1)和轴承内圈(2)；

所述轴承外圈(1)的外表面开有周向深槽(1-1)，内表面沿周向均匀分布若干深腔(1-2)，所述周向深槽(1-1)与各所述深腔(1-2)分别通过短毛细节流器(1-3)连接；

所述轴承内圈(2)的外表面沿轴向分为三个区域，分别为中间段的流体静压形成区(2-1)和左右侧的浅槽结构区(2-2)，或为中间段的流体静压形成区(2-1)和左右侧的微织构区(2-3)；所述流体静压形成区(2-1)为光滑表面，与所述深腔(1-2)对应。

2.根据权利要求1所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述轴承外圈(1)和轴承内圈(2)的设计间隙为微米级，保证流体动压效应形成的结构约束条件；所述轴承内圈(2)与转轴过盈或者过渡配合，确保内圈能够随着转轴一起高速旋转，不会产生相对滑动。

3.根据权利要求1所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，左右侧的区域关于中间段的区域对称。

4.根据权利要求1所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述周向深槽(1-1)和各所述深腔(1-2)均对应位于轴承外圈(1)的轴向对称中心，各所述深腔(1-2)沿轴向呈单排设置，腔深为毫米级，截面为矩形，宽度为轴承宽度的1/3～2/3，长度与宽度比为0.8～1.2；短毛细节流器(1-3)的径向长度与口径比为1～20，满足短毛细节流装置结构参数范围；深腔(1-2)的宽度，指轴向尺寸，长度，指周向尺寸，腔深，指径向尺寸。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述三个区域的沿轴向的长度之比为1:1:1。

6.根据权利要求1所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述浅槽结构区(2-2)，是在轴承内圈(2)的外表面沿周向开有等间距的若干浅槽，其槽深为微米级。

7.根据权利要求6所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述浅槽的槽类型为螺旋槽、矩形槽、三角形槽或人字形槽。

8.根据权利要求7所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述螺旋槽的类型线为对数型、渐开线型或展开线型；左右侧的区域的螺旋槽旋向相反，右侧螺旋槽旋向与内圈转动方向一致时，促进流体循环，保持润滑效果；右侧螺旋槽旋向与内圈转动方向相反时，降低轴承的流量，提高轴承的静压效应。

9.根据权利要求1所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述微织构区(2-3)，是在轴承内圈(2)的外表面沿周向开有等间距的若干微坑，所述微坑沿轴向呈多排分布，其深度为毫米级。

10.根据权利要求9所述外深腔内浅槽的高速动静压径向气体轴承，其特征在于，所述微坑形状为圆形、三角形、正方形或矩形，左右两侧微织构所占面积为整个侧面面积的1/3～2/3。

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