圆锥滚子式同时消除转子径轴向间隙的保护轴承装置的制作方法

本发明涉及磁悬浮轴承系统技术领域，尤其是一种圆锥滚子式同时消除转子径轴向间隙的保护轴承装置。

背景技术：

在磁悬浮轴承系统中，一般需要一套保护轴承（也称辅助轴承、备用轴承、保持轴承或应急轴承）在系统断电、过载、控制系统失效或者故障等突发情况下作为临时支承。圆锥滚子式自动消除转子间隙的向心推力保护轴承可以同时在径向和轴向承受载荷，保证高速旋转的转子不与系统的定子部分发生碰撞和摩擦，以保证整个系统的安全性和可靠性。传统的保护轴承设计一般是将滚动轴承装配在轴承座中，滚动轴承的内圈与转子之间设置的磁悬浮轴承正常工作所需的径向/轴向间隙一般为转子与径向/轴向磁悬浮轴承径向间隙的一半。因此，保护轴承工作时受到很大的冲击和振动，同时由于转子跌落后无法消除保护轴承与转子之间的间隙，保护轴承抵抗冲击和振动的能力较差，容易导致其损坏，以致引发磁悬浮轴承系统损坏的严重事故。因此，保护轴承也一直是制约着磁悬浮轴承系统应用和发展的主要因素。

由于磁悬浮轴承系统的转速一般都很高，而转子与保护轴承之间存在较大的径向间隙，致使转子在跌落到保护轴承上时会产生很大的冲击与振动。目前有一种方法是通过在转子组件周向布满滚动轴承，在转子组件跌落后，通过周边滚动轴承的运动以消除间隙，但是其结构非常复杂，只能消除径向间隙，不能消除轴向间隙，并且由于转子直径远大于周边滚动轴承的直径，致使跌落后周向滚动轴承的转速远大于其自身的极限转速，没有从根本上解决问题。

目前暂无能完全同时消除转子径向与轴向间隙的保护轴承装置。

技术实现要素：

为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种圆锥滚子式同时消除转子径轴向间隙的保护轴承装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种圆锥滚子式同时消除转子径轴向间隙的保护轴承装置，包括转子、径向保护轴承、轴承压盖、螺钉以及轴承座，轴承压盖通过螺钉与轴承座固定连接，轴向压紧径向保护轴承，轴承座与外部的机座固定连接；

所述径向保护轴承包括圆锥滚子、环形连接件、弹性支撑件、导槽、楔形圆板、定位圆筒、以及滚动轴承；

所述环形连接件，环形连接件中沿着周向均匀设置有与圆锥滚子数目对应的导槽；

所述弹性支撑件，设置于环形连接件中每个导槽与圆锥滚子轴之间，可允许圆锥滚子的径向位移；

所述滚动轴承，滚动轴承外圈安装于轴承座中，通过轴承压盖轴向压紧；

所述转子，转子端部加工成带有锥度的斜面；

所述楔形圆板，为左右两块，轴向置于环形连接件的外侧，以过盈配合的方式安装于滚动轴承内圈，楔形圆板内周向表面设置为与圆锥滚子数目对应的重复圆弧段，每一圆弧段与装置中心的径向距离L2由中间向两端逐渐减小；

所述定位圆筒，置于两块楔形圆板的轴向中间位置，并与楔形圆板一致以过盈配合的方式安装于滚动轴承内圈，定位圆筒的宽度略大于环形连接件的宽度；

所述圆锥滚子，圆锥滚子的锥度与转子端部锥度相同，但与转子斜面方向反向放置，圆锥滚子沿轴向与转子端部表面存在的均匀大小的间隙L1；另外，圆锥滚子包括2个以上的圆锥滚子分体，各圆锥滚子分体通过两端设置的滚子轴分布于环形连接件中设置的导槽内；同时，滚子轴外圆表面与楔形圆板内表面接触。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述圆锥滚子分体为2-200个。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述滚动轴承为深沟球轴承，或者为一对角接触轴承。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述弹性支撑件为独立的弹簧元件，或是与环形连接件为一体、并通过线切割等工艺加工而成的结构。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述轴承压盖为圆盘状，圆盘沿圆周设有一圈螺钉孔，轴承压盖压于轴承座与滚动轴承的接缝处。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述径向保护轴承材料为金属或者碳纤维/玻璃纤维制成的复合材料。

本发明的有益效果是，本发明能够在磁悬浮轴承系统失效后对正/反转的转子同时提供径向和轴向的保护，并且能够消除转子与圆锥滚子之间的径向和轴向间隙，也就相当于消除了转子与滚动轴承之间的径向和轴向间隙，从而消除了高速转子跌落后对滚动轴承的振动和冲击，提高了向心推力保护轴承的可靠性和安全性，以满足高速磁悬浮轴承系统发展的需要。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明所述的一种圆锥滚子式同时消除转子径轴向间隙的保护轴承装置的结构示意图。

图2为图1中在转子处的A-A剖视图。

图3为图2中I部放大图。

图中，1、转子，2、环形连接件，3、弹性支撑件，4、导槽，5、圆锥滚子，51、圆锥滚子分体，52、滚子轴，6、楔形圆板，7、定位圆筒，8、滚动轴承，9、轴承压盖，10、螺钉，11、轴承座。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至图3所示，一种圆锥滚子式同时消除转子径轴向间隙的保护轴承装置，包括转子1、径向保护轴承、轴承压盖9、螺钉10以及轴承座11，轴承压盖9通过螺钉10与轴承座11固定连接，轴向压紧径向保护轴承，轴承座11与外部的机座固定连接。具体地，轴承压盖9为圆盘状，轴承压盖9压于轴承座11与滚动轴承9的接缝处。

径向保护轴承包括圆锥滚子5、环形连接件2、弹性支撑件3、导槽4、楔形圆板6、定位圆筒7、以及滚动轴承8。所有径向保护轴承材料为金属或者碳纤维/玻璃纤维制成的复合材料。

其中，

环形连接件2，环形连接件2中沿着周向均匀设置有与圆锥滚子5数目对应的导槽4。

弹性支撑件3，设置于环形连接件2中每个导槽4与圆锥滚子轴5之间，可允许圆锥滚子5的径向位移。弹性支撑件8为独立的弹簧元件，或是与环形连接件为一体、并通过线切割等工艺加工而成的结构。

滚动轴承8，滚动轴承8外圈安装于轴承座11中，通过轴承压盖9轴向压紧。滚动轴承8为深沟球轴承，或者为一对角接触轴承。

转子1，转子1端部加工成带有锥度的斜面。

楔形圆板6，为左右两块，轴向置于环形连接件6的外侧，以过盈配合的方式安装于滚动轴承8内圈，楔形圆板6内周向表面设置为与圆锥滚子5数目对应的重复圆弧段H1，每一圆弧段与装置中心的径向距离L2由中间向两端逐渐减小。

定位圆筒7，置于两块楔形圆板的轴向中间位置，并与楔形圆板一致以过盈配合的方式安装于滚动轴承8内圈，定位圆筒7的宽度略大于环形连接件2的宽度。

圆锥滚子5，圆锥滚子5的锥度与转子端部锥度相同，但与转子1斜面方向反向放置，圆锥滚子5沿轴向与转子1端部表面存在的均匀大小的间隙L1；另外，圆锥滚子5包括2个以上的圆锥滚子分体51，各圆锥滚子分体51通过两端设置的滚子轴52分布于环形连接件2中设置的导槽4内；同时，滚子轴52外圆表面与楔形圆板6内表面接触。圆锥滚子分体51为2-200个。

磁悬浮轴承正常工作时，环形连接件2和弹性支撑件3使得所有圆锥滚子5分体时刻处于楔形圆板6内表面圆弧段的中间位置，即图2所示的圆锥滚子5分体位置A处；所有圆锥滚子5分体内圆与转子1端部斜面之间存在均匀的间隙，使得保护轴承装置并不干扰转子1的正常旋转。另外，为了使得所有圆锥滚子5分体与转子1之间的间隙均匀相等，安装时必须保证各圆锥滚子5分体与转子1同心设置，即必须保证滚动轴承8、楔形圆板6、圆锥滚子5以及转子1四者的中心位置处于同一直线。

另外，本实施例中，所采用的环形连接件为一环形连杆，所采用的弹性支撑件为弹簧或者与环形连接件为一体经线切割等工艺加工成型的弹性体。

在磁悬浮轴承系统正常工作时，圆锥滚子5内圆表面与转子1之间的径向间隙大小约为0.15 mm，两者互不接触，并且转子1是高速旋转的，圆锥滚子5与滚动轴承8内圈一起处于静止状态；当磁悬浮轴承失效后，转子1跌落，转子1端部与部分圆锥滚子5分体接触碰撞，圆锥滚子5分体与转子1之间产生的摩擦力带动圆锥滚子5分体两端的滚子轴在楔形圆板6内周向表面沿着转子转动方向产生相对滚动，由于所有圆锥滚子5分体通过环形连接件2连接，所有只要有一个圆锥滚子5分体与楔形圆板6产生相对滚动，其他圆锥滚子5分体的滚子轴必然同时产生相同的相对滚动；由于楔形圆板6中的圆弧段内表面设置为与装置中心的径向距离由中间向两端逐渐减小，所以当圆锥滚子5分体与转子1碰撞接触后，所有圆锥滚子5分体在径向接近装置的中心运动，这种运动使得所有圆锥滚子5分体与转子1之间的间隙迅速减小，当所有圆锥滚子5分体都从楔形圆板6内表面圆弧段的相对位置A处滚动至位置B处，圆锥滚子5分体与转子1之间的间隙即减小为零，从而消除了转子1与所有圆锥滚子5分体之间的间隙，由于转子1端部与圆锥滚子5具有相同的锥度并且反向放置，所以当转子1与所有圆锥滚子5分体之间的间隙消除为零时，就相当于同时消除了转子1与滚动轴承8内圈之间的径向和轴向间隙。从而消除了转子跌落后对保护轴承的冲击与振动，可显著提高磁悬浮轴承系统中向心推力保护轴承的寿命，并且此装置能够对转子沿着顺时针或逆时针两个方向旋转的跌落都起到径向和轴向同时的保护作用。

本发明的工作原理是：

安装时，利用作用于圆锥滚子5分体的弹性支撑件3，使得圆锥滚子5分体处于楔形圆板6内表面的初始位置（位置A），并且通过环形连接件2作用使得每个圆锥滚子5分体都处于这种初始位置。在磁悬浮轴承系统正常运行时，所有圆锥滚子5分体始终处于初始位置处，与楔形圆板6、环形连接件2、弹性支撑件3以及滚动轴承8内圈一起处于静止状态，此时转子1端部的锥形斜面与每个圆锥滚子5分体的锥形斜面之间存在有磁悬浮轴承系统正常的保护间隙（一般约为0.15 mm）。当磁悬浮轴承系统失效后，转子1跌落后与部分圆锥滚子5分体碰撞接触，此时转子1与圆锥滚子5之间一方面存在很大的相对速度，另一方面有碰撞力作用，转子1与圆锥滚子5之间的碰撞力产生的摩擦力使得部分圆锥滚子5分体的滚子轴在楔形圆板6内表面发生沿着转子1转动方向的相对滚动，通过环形连接件2的作用，其他圆锥滚子5分体的滚子轴也同时会相对于楔形圆板6产生相同的滚动。由于楔形圆板6内周向表面被设置为与圆锥滚子5数目对应的重复圆弧段，每一圆弧段与装置中心的径向距离由中间向两端逐渐减小，所以转子1与圆锥滚子5碰撞后，所有圆锥滚子5分体在径向接近装置的中心运动，当圆锥滚子5沿着楔形圆板6内周向表面滚动的径向距离和保护间隙大小相等时（圆锥滚子5滚动到相对位置B），即完全消除了转子1与圆锥滚子5之间的间隙，就相当于同时消除了转子1与滚动轴承8之间存在的径向和轴向间隙。此时，所有圆锥滚子5连同环形连接件2、滚动轴承8一起随着转子1一同仍然绕着磁悬浮轴承系统正常工作时的旋转中心旋转，即不会发生转子与保护轴承的碰撞，也不会对保护轴承产生反复冲击与振动，提高了保护轴承的寿命。