[发明专利]一种气涡轮驱动高速水润滑动静压轴承转子系统

说明书

本发明提出一种气涡轮驱动高速水润滑动静压轴承转子系统，包括主轴、气动涡轮、涡轮气体喷嘴环、气体止推轴承、水润滑动静压径向轴承、壳体和端盖；在装配时，在壳体中先安装涡轮气体喷嘴环，然后安装气动涡轮与主轴过盈配合而成的一体化转子部件，再在涡轮两侧分别依次安装气体止推轴承和水润滑动静压径向轴承，最后在壳体两端安装端盖；涡轮气体喷嘴环、气体止推轴承和水润滑动静压径向轴承均与壳体过盈配合。本发明采用与主轴配合一体化的气动涡轮作为驱动装置，具有结构简单、转速高的优势；采用水润滑动静压轴承作为支承部件，具有润滑介质温升小、可实现高转速的优势；整个轴承转子系统具有结构简单、紧凑的特点。

技术领域

本发明属于液体动静压轴承和高速旋转机械设备领域，具体来说是一种气涡轮驱动高速水润滑动静压轴承转子系统。

背景技术

随着旋转机械设备向着高速化的发展，传统滚动轴承的DN值(主轴轴承直径D/mm与转速N/rpm的乘积)和磨损问题限制了转子转速的提高。而在机床设备中广泛应用的油润滑静压轴承虽可以达到较高转速，但由于油的黏度较大，随着转子转速的进一步提高，润滑油温升导致的问题也越来越严重。因此，高转速的轴承转子系统成为研究的热点。

从支承结构来看，目前在高速轴承转子系统中采用的轴承主要有陶瓷球轴承、气浮轴承、磁悬浮轴承和液体动静压轴承等。陶瓷球轴承具有刚度高、承载力大的优点，但是其轴承滚珠的精度要求高，加工成本高，而且寿命只有数千小时；气浮轴承在正常工作中摩擦阻力很小，可实现超高速运转，但其承载力小，刚度低，主要用于微小精密主轴单元；磁悬浮轴承支承的电主轴可以在50000～80000rpm的转速下长期工作，但其支承刚度较低，而且结构复杂，制造成本高。

与以上几种轴承相比，液体动静压轴承有以下优点：液体动静压轴承利用供给系统将具有一定压力的润滑介质供给到轴承的凹腔内，在轴颈与轴承之间的间隙形成润滑液膜，滑动表面完全被润滑介质隔开，其摩擦力仅为润滑介质内部剪切力，因此摩擦阻力很小；润滑液膜的误差均匀化作用和抗振性能够保证主轴的高精度和运转的平稳性；由于没有刚体的直接接触，理论上没有寿命限制；轴承利用凹腔之间的压力差形成承载力，将主轴浮起，具有刚度高的特点；而且由于有外部供压装置，轴承能够在全工作转速范围内为转子提供可靠支承。

基于液体动静压轴承的上述优点，油润滑液体动静压轴承在普通机床设备上得到了广泛的应用。但是，在高速机床设备中，随着转速的进一步提高，润滑液膜之间的粘性剪切力变大，摩擦功耗增加，导致润滑介质的温升很高，造成轴承转子结构的热变形，轻则影响主轴的精度，重则导致“抱轴”等事故。而若采用水作为动静压轴承的润滑介质，则可较好的解决温升问题。与润滑油相比，水具有黏度低、摩擦阻力小、比热容大的特点，采用水作为润滑介质可显著改善高速下的温升问题，可参见参考文件[1]；而且水具有来源广泛、成本低廉、无污染等优点，是非常具有发展前景的润滑介质。在国内外都有水润滑轴承相关的应用研究，但因应用背景不同，相关研究成果也是各有特色。

从驱动结构来看，高速转子轴承系统采用的驱动方式主要有电机驱动、电主轴驱动、涡轮驱动等。其中，电机驱动是将电机的输出轴通过传动结构与主轴连接，但受电机转速限制，有时为达到更高转速，通常会在传动结构中使用联轴器、变速器等部件，整个系统较为庞大。电主轴是近几年出现的将工作主轴与电机转子融为一体的新技术，它省去了复杂的中间传动部件，实现“零传动”，简化了机械结构，是一种具有广阔发展前景的驱动结构，可参见参考文件[2]；其主要缺点是在高速下电主轴会产生大量热量，引起电主轴温升，使电主轴的热态特性和动态特性变差，影响电主轴正常工作。

与电机驱动和电主轴驱动相比，气涡轮驱动具有结构简单、成本低的优点，因此气涡轮驱动也是旋转设备中广泛采用的一种驱动方式。而现有的气涡轮驱动轴承转子系统大多是采用滚动轴承作为支承部件，摩擦阻力较大，转子难以达到很高的转速。

参考文件[1]:陈渭,范洪杰,吴连军.水润滑高速主轴轴承研究综述[J].中国工程科学,2013,15(1):21-27。