一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承
阅读说明：本技术 一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承 (Gaseous dynamic pressure footstep bearing based on hummingbird wing structure ) 是由 殷玉枫 龚霖 付良 柴晓峰 韩原臻 王嘉誉 于 2021-01-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承,属于滑动轴承领域。该轴承包括主轴、转子止推板和止推轴承,转子止推板和主轴固定连接,与转子止推板同轴心的下方设有止推轴承,转子止推板与止推轴承之间为气膜；止推轴承上表面均匀开有模拟蜂鸟翅膀结构的凹槽。空气从凹槽的前边缘进入,通过凹槽的节流作用在台区与凹槽交界处改变气体速度和密度,形成一个高压气体区,使得气体动压止推轴承具有更高的承载能力；同时由于凹槽圆周阵列于止推轴承的上表面,高压气体因此可以均匀分布于气膜中,提高了气体动压止推轴承的稳定性,使得该轴承的整体性能得以提升。(The invention discloses a gas dynamic pressure thrust bearing based on a hummingbird wing structure, and belongs to the field of sliding bearings. The bearing comprises a main shaft, a rotor thrust plate and a thrust bearing, wherein the rotor thrust plate is fixedly connected with the main shaft, the thrust bearing is arranged below the rotor thrust plate in the same axial center, and an air film is arranged between the rotor thrust plate and the thrust bearing; the upper surface of the thrust bearing is uniformly provided with grooves simulating the wing structure of the hummingbird. Air enters from the front edge of the groove, the speed and the density of the air are changed at the junction of the platform area and the groove through the throttling action of the groove, and a high-pressure gas area is formed, so that the gas dynamic pressure thrust bearing has higher bearing capacity; meanwhile, the grooves are circumferentially arrayed on the upper surface of the thrust bearing, so that high-pressure gas can be uniformly distributed in the gas film, the stability of the gas dynamic pressure thrust bearing is improved, and the overall performance of the bearing is improved.)
技术领域
本发明涉及滑动轴承领域，具体为一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承。
背景技术
止推轴承又叫推力轴承，常用于承受转轴的轴向力和对转轴进行轴向定位。气体润滑轴承具有精度高、寿命长以及热性能良好的优点，在高精密领域，如精密机床、氢燃料电池、光刻机、电子精密仪器及医疗器械等，具有广阔的应用前景。
根据气体润滑机理，气体轴承可以分为静压气体轴承和动压气体轴承。静压气体轴承是将外部的高压气体通过节流器，进入轴承间隙，形成高压气膜以支承负载。气体静压轴承必须配备相应的供气装置以及气体增压装置，使得气体轴承结构复杂，制造成本与运行成本较高。气体动压轴承是借助于转子止推板旋转时产生的动压效应，形成负载能力。
目前公知的气体动压止推轴承的承载能力低下，而且在转速过高的情况下容易失稳，这就使得气体动压止推轴承在实际生产与生活中的使用被限定在一定的范围内，而无法满足绝大多数的实际工况。
自然界中蜂鸟是唯一的一种能实现真正的悬停、前飞和倒飞的鸟类。蜂鸟飞行特性较为独特，主要是因为其翅膀结构的特殊性，飞行时的升力75%来自于翅膀上扇，25%来自翅膀的下扇。这种特殊的翅膀结构为蜂鸟的飞行提供了足够大的升力，使其能够进行高速飞行，同时也可以让蜂鸟实现在空中的悬停和高速机动的前飞、倒飞以及转向。而目前并没有在空气动压止推轴承上运用这种类似的结构使得止推轴承的性能提升。
发明内容
本发明提供一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承，解决了现有止推轴承在高速运行情况下容易失稳和承载能力低下的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承包括主轴、转子止推板和止推轴承；转子止推板和主轴同轴心设置，两者固定连接；在转子止推板下方的主轴上安装止推轴承，所述止推轴承的上表面设有凹槽，所述凹槽之间为台区；所述止推轴承与主轴间隙配合，转子止推板与止推轴承之间为气膜。凹槽的设计相当于粘滞压缩器。轴承工作时止推轴承和转子止推板相对运动，相应地，两者间的气体也发生相对运动；相对运动过程中受到阻碍的气流经凹槽的节流阻挡作用，在凹槽与台区的交界处气体的速度和密度改变，使得止推轴承与转子止推板间气膜的气体压力升高，从而形成支承负载能力。
单个所述凹槽相对于止推轴承上表面的半径所在直线倾斜设置，这样以来在轴承工作时有利于外部气体能够更好地从前边缘泵入到靠近轴承内部的凹槽之中；若干个所述的凹槽呈圆周阵列分布于止推轴承上表面，凹槽的等间距排列使得高压气膜在止推轴承和转子止推板之间分布均匀，提高了止推轴承在运行过程中的稳定性。
单个所述凹槽的外轮廓呈蜂鸟翅膀结构的流线型；凹槽包括前边缘、下边缘、上边缘和后边缘。前边缘长度小于后边缘，上边缘长度小于下边缘，凹槽的外轮廓边缘模拟了蜂鸟翅膀的形状，由于蜂鸟翅膀结构的流线性好，这样可以使空气进入止推轴承的速度加快，使得止推轴承与转子止推板之间的间隙气体速度和密度改变，台区部分对应的气膜动压升高。由于蜂鸟翅膀的特殊生理结构，导致蜂鸟在飞行过程中产生更大的升力，而止推轴承上模拟蜂鸟翅膀结构的凹槽也可以使轴承具有更大的承载能力。
进一步地，所述凹槽的前边缘为气体泵入端，前边缘与止推轴承的圆周面重合，后边缘、下边缘和上边缘与台区相连。具体为前边缘弧度与对应的止推轴承外侧的圆周面弧度一致。更进一步地，凹槽的外轮廓模拟了蜂鸟翅膀的形状，起到了引导并泵入气体的作用，即外部气体从止推轴承外侧圆周面上的前边缘泵入到止推轴承与转子止推板之间，经凹槽的节流阻挡，在凹槽与台区交界处气体的流速和密度改变，进而使得止推轴承中台区对应的部分气体压力升高，在凹槽与台区之间形成了压差，提高了气膜区域的动压气膜刚度和整个止推轴承的承载能力。
优选的，所述凹槽的上边缘与止推轴承外圆的交点处的切线和上边缘外侧端点处的切线之间的夹角为18~25°，该夹角为蜂鸟飞行时与其身体之间的角度，是经过数万年自然进化的结果，有益于气体能够更好地从前边缘泵入到轴承内部，以形成负载能力。
与现有技术相比，本发明的实质性特点在于：利用蜂鸟具有的飞行特性，将蜂鸟翅膀结构运用于设计气体动压止推轴承，以提高轴承的性能。具体特点如下：
1.模拟蜂鸟翅膀的特殊生理结构，在止推轴承上表面上开模拟蜂鸟翅膀形状的凹槽。气膜中的气体由于凹槽的节流阻挡作用，使其流速和密度在凹槽和台区交界处相比于传统的螺旋槽和人字槽止推轴承发生更加迅速的改变，增加了止推轴承上表面台区的气膜压力，提高了止推轴承与转子止推板之间的动压气膜的刚度和轴承整体的承载能力；
2.若干个凹槽在止推轴承上表面均匀排列，使得主轴在高速运转时形成的动压气膜均匀分布于止推轴承与转子止推板之间；同时，因为蜂鸟在飞行过程中的稳定性，模拟蜂鸟翅膀结构的凹槽提高了气体动压止推轴承在高速运行的时的稳定性。
3.本发明利用气体作为润滑介质，气体起到润滑和散热的作用。相比于传统的油润滑止推轴承，不需要供油装置，减轻了止推轴承的质量，使轴承运行的可靠性提高；同时由于在止推轴承上开有模拟蜂鸟翅膀结构的凹槽，相比于传统的气体动压止推轴承具有更快的气体泵送功能，使得止推轴承内部的气体压力更高，气体动压止推轴承的承载能力更强。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为本发明基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承的结构示意图。
图2为本发明基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承的转子止推板示意图。
图3为本发明基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承的止推轴承示意图。
图4为本发明基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承的凹槽的空间细节示意图。
图中标号：1.主轴、2.转子止推板、3.止推轴承、4.气膜、5.凹槽、6. 台区、7前边缘、8.下边缘、9上边缘、10.后边缘。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图1-4所示，一种基于蜂鸟翅膀结构的气体动压止推轴承包括主轴1、转子止推板2、止推轴承3，其中，转子止推板2下表面和止推轴承3上表面之间为气膜4。主轴1与转子止推板2同轴心设置，铸为一体；转子止推板2下方的主轴1上配合设置有止推轴承3。
如图3所示，止推轴承3的上表面设置有八个凹槽5，凹槽5等间距排列于止推轴承3上表面，单个凹槽5方向相对于止推轴承3上表面的半径所在直线倾斜设置，便于气体进出凹槽5；凹槽5之间的区域为台区6。
如图4所示，凹槽5的外轮廓模拟蜂鸟翅膀的结构，包括前边缘7、后边缘10、上边缘9和下边缘8。其中前边缘7与止推轴承3的外侧圆周面相重合，上边缘9、下边缘8、后边缘10与台区6相连。
使用时，止推轴承3固定，主轴1旋转带动转子止推板2转动，此时止推轴承3和转子止推板2之间存在一定的相对运动；止推轴承3和转子止推板2之间的间隙中充斥着具有一定粘度的气体，作为润滑介质。同时，气体也在外轮廓模拟蜂鸟翅膀结构的凹槽5中充斥着。
具体地，主轴1转动，带动转子止推板2转动，带动气膜4内的气体从前边缘7进入凹槽5，由于凹槽5的节流阻挡作用，使得气体在凹槽5的后边缘10、上边缘9、下边缘8处速度和密度改变，在止推轴承3上表面的台区6压力升高，使得止推轴承3与转子止推板2之间的气膜4的刚度和负载能力得以提升。
所以当主轴1转动时，用以支撑轴向力的气膜4由台区6的高压气体所形成的动压气膜所组成。由于模拟蜂鸟翅膀结构的凹槽5为流线型轮廓，气体从前边缘7泵入凹槽5内部的速度加快，止推轴承3与转子止推板2间隙中的气体速度和密度得以改变，从而使得内部气体的压力升高，气膜4的刚度和承载能力得以提升。同时，凹槽5圆周阵列于止推轴承3的上表面，使得形成的高压气膜均匀地分布于止推轴承3与转子止推板2的间隙中，提高了气体动压止推轴承的稳定性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。