[發(fā)明專利]一種氣渦輪驅動高速水潤滑動靜壓軸承轉子系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108608015B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設計）人: 梁國柱;杜家磊;閆攀運
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B23B19/02
• 分類號: B23B19/02;B23Q1/38;B23Q5/06
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發(fā)明提出一種氣渦輪驅動高速水潤滑動靜壓軸承轉子系統(tǒng)，包括主軸、氣動渦輪、渦輪氣體噴嘴環(huán)、氣體止推軸承、水潤滑動靜壓徑向軸承、殼體和端蓋；在裝配時，在殼體中先安裝渦輪氣體噴嘴環(huán)，然后安裝氣動渦輪與主軸過盈配合而成的一體化轉子部件，再在渦輪兩側分別依次安裝氣體止推軸承和水潤滑動靜壓徑向軸承，最后在殼體兩端安裝端蓋；渦輪氣體噴嘴環(huán)、氣體止推軸承和水潤滑動靜壓徑向軸承均與殼體過盈配合。本發(fā)明采用與主軸配合一體化的氣動渦輪作為驅動裝置，具有結構簡單、轉速高的優(yōu)勢；采用水潤滑動靜壓軸承作為支承部件，具有潤滑介質溫升小、可實現(xiàn)高轉速的優(yōu)勢；整個軸承轉子系統(tǒng)具有結構簡單、緊湊的特點。

技術領域

本發(fā)明屬于液體動靜壓軸承和高速旋轉機械設備領域，具體來說是一種氣渦輪驅動高速水潤滑動靜壓軸承轉子系統(tǒng)。

背景技術

隨著旋轉機械設備向著高速化的發(fā)展，傳統(tǒng)滾動軸承的DN值(主軸軸承直徑D/mm與轉速N/rpm的乘積)和磨損問題限制了轉子轉速的提高。而在機床設備中廣泛應用的油潤滑靜壓軸承雖可以達到較高轉速，但由于油的黏度較大，隨著轉子轉速的進一步提高，潤滑油溫升導致的問題也越來越嚴重。因此，高轉速的軸承轉子系統(tǒng)成為研究的熱點。

從支承結構來看，目前在高速軸承轉子系統(tǒng)中采用的軸承主要有陶瓷球軸承、氣浮軸承、磁懸浮軸承和液體動靜壓軸承等。陶瓷球軸承具有剛度高、承載力大的優(yōu)點，但是其軸承滾珠的精度要求高，加工成本高，而且壽命只有數(shù)千小時；氣浮軸承在正常工作中摩擦阻力很小，可實現(xiàn)超高速運轉，但其承載力小，剛度低，主要用于微小精密主軸單元；磁懸浮軸承支承的電主軸可以在50000～80000rpm的轉速下長期工作，但其支承剛度較低，而且結構復雜，制造成本高。

與以上幾種軸承相比，液體動靜壓軸承有以下優(yōu)點：液體動靜壓軸承利用供給系統(tǒng)將具有一定壓力的潤滑介質供給到軸承的凹腔內，在軸頸與軸承之間的間隙形成潤滑液膜，滑動表面完全被潤滑介質隔開，其摩擦力僅為潤滑介質內部剪切力，因此摩擦阻力很小；潤滑液膜的誤差均勻化作用和抗振性能夠保證主軸的高精度和運轉的平穩(wěn)性；由于沒有剛體的直接接觸，理論上沒有壽命限制；軸承利用凹腔之間的壓力差形成承載力，將主軸浮起，具有剛度高的特點；而且由于有外部供壓裝置，軸承能夠在全工作轉速范圍內為轉子提供可靠支承。

基于液體動靜壓軸承的上述優(yōu)點，油潤滑液體動靜壓軸承在普通機床設備上得到了廣泛的應用。但是，在高速機床設備中，隨著轉速的進一步提高，潤滑液膜之間的粘性剪切力變大，摩擦功耗增加，導致潤滑介質的溫升很高，造成軸承轉子結構的熱變形，輕則影響主軸的精度，重則導致“抱軸”等事故。而若采用水作為動靜壓軸承的潤滑介質，則可較好的解決溫升問題。與潤滑油相比，水具有黏度低、摩擦阻力小、比熱容大的特點，采用水作為潤滑介質可顯著改善高速下的溫升問題，可參見參考文件[1]；而且水具有來源廣泛、成本低廉、無污染等優(yōu)點，是非常具有發(fā)展前景的潤滑介質。在國內外都有水潤滑軸承相關的應用研究，但因應用背景不同，相關研究成果也是各有特色。

從驅動結構來看，高速轉子軸承系統(tǒng)采用的驅動方式主要有電機驅動、電主軸驅動、渦輪驅動等。其中，電機驅動是將電機的輸出軸通過傳動結構與主軸連接，但受電機轉速限制，有時為達到更高轉速，通常會在傳動結構中使用聯(lián)軸器、變速器等部件，整個系統(tǒng)較為龐大。電主軸是近幾年出現(xiàn)的將工作主軸與電機轉子融為一體的新技術，它省去了復雜的中間傳動部件，實現(xiàn)“零傳動”，簡化了機械結構，是一種具有廣闊發(fā)展前景的驅動結構，可參見參考文件[2]；其主要缺點是在高速下電主軸會產生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動態(tài)特性變差，影響電主軸正常工作。

與電機驅動和電主軸驅動相比，氣渦輪驅動具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，因此氣渦輪驅動也是旋轉設備中廣泛采用的一種驅動方式。而現(xiàn)有的氣渦輪驅動軸承轉子系統(tǒng)大多是采用滾動軸承作為支承部件，摩擦阻力較大，轉子難以達到很高的轉速。

參考文件[1]:陳渭,范洪杰,吳連軍.水潤滑高速主軸軸承研究綜述[J].中國工程科學,2013,15(1):21-27。