高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副的制作方法
【专利摘要】高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，所述的轴承基座上分布有径向承载圆柱面和止推承载圆环面；主轴上分布有圆柱面和圆环面；轴承基座的径向圆柱面与主轴上的圆柱面形成径向摩擦副，轴承基座的止推圆环面与主轴上的圆环面形成止推摩擦副；所述的径向摩擦副、止推摩擦副上加工有型线槽道，所述型线槽道的加工有四种不同的布置方式，本实用新型不仅能够为轴承提供轴向和径向两方面的载荷，而且径向摩擦副与止推摩擦副共用高压区域，有效提高了轴承腔体内流体润滑膜的动压压力，增加了轴承的角刚度和稳定性；控压排气孔可用于压力调节、排液/气/热、除杂或压力测量等，有利于提高轴承的稳定性和可靠性。
【专利说明】
高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副
技术领域
[0001]本实用新型属于机械设计中的动压轴承领域，特别涉及高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，是一种适用于低粘度、低沸点流体润滑动压轴承，将径向承载摩擦副的高压区和止推承载摩擦副的高压区耦合，具有较高径向和止推承载力和稳定性，且能够抑制负压气蚀。
【背景技术】
[0002]传统制冷剂液体循环系统的动力部件采用油基润滑介质，由于润滑油和工艺流体一低沸点制冷剂的掺混，制冷剂将润滑油挟带入蒸发器和冷凝器，润滑油在蒸发器内析出并附着在换热器表面，增加了换热热阻，同时制冷剂存在于润滑油中容易导致压缩机或其他相对运动部件中的润滑油粘度下降，承载能力降低并导致干摩擦的发生，可见润滑油与制冷剂的掺混会对制冷系统产生较多的负面影响。另外，随着新型环保制冷工质的采用，为了防止低沸点制冷剂泄露污染环境，并保持制冷系统内工作介质的纯净度，对制冷系统的密封性提出了更高的要求。因此，在制冷剂纯度要求较高的场合，常规的油基润滑技术的应用具有一定的局限性，无油润滑轴承的开发与研制已成为动力设备稳定高效运行的关键。
[0003]根据轴承承载力的形成方式，可以将流体润滑分为静压润滑和动压润滑两种方式。其中，动压轴承依靠两摩擦面相对运动使得粘性流体在收缩楔形间隙内形成动压，将两摩擦表面隔开并承受载荷。相对于常规油基润滑介质，制冷剂具有较小的粘度，因此在相同的转速下其承载能力相对较低。而且，在高速运转的动压径向轴承内最小压力膜后侧存在一定的负压区域，润滑液体在负压区域内承受较高拉力时极易发生空穴现象，会对轴承的运行性能产生一定的影响。采用制冷剂作为润滑介质时，由于动力装置内的制冷剂具有较小的过冷度以及较低的沸点，在轴承的瞬态启停以及稳定运行过程中，轴承内部高速剪切微小间隙内会产生大量的摩擦热量，制冷剂作为润滑介质的同时也具有冷却介质的作用，可以通过自身的相变将轴承内的摩擦热量带走，低沸点润滑剂吸收热量后极易发生相变气化。相比于油基润滑介质无油低沸点润滑剂润滑更容易引发空化气蚀，因此在无油低沸点润滑剂动压润滑轴承的设计中，一方面需要满足摩擦副具有较高的相对速度产生足够的流体动压承载力，另一方面需要关注流体在轴承低压区域内的动力学特性，给无油低沸点润滑剂动压轴承的设计提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于为低沸点、低粘度流体动压润滑提供高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，是一种高承载能力且能够有效抑制低沸点润滑剂动压轴承内负压气蚀的表面开槽型动压轴承副，通过耦合径向摩擦副腔体和止推摩擦副腔体内的高压流体区域提高轴承摩擦副内的整体压力水平，增加轴承的径向和轴向承载能力以及稳定性。
[0005]为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是:
[0006]高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，包括轴承基座I和主轴2，其特征在于:
[0007]所述的轴承基座I上分布有径向承载圆柱面3和止推承载圆环面4;主轴2上分布有圆柱面7和圆环面10;轴承基座I的径向圆柱面3与主轴2上的圆柱面7形成径向摩擦副，轴承基座I的止推圆环面4与主轴2上的圆环面10形成止推摩擦副；
[0008]所述的径向摩擦副、止推摩擦副上加工有型线槽道，所述型线槽道的加工有四种不同的布置方式，第一种布置方式为:在轴承基座I上的径向承载圆柱面3和止推承载圆环面4上都加工槽道，在主轴2上不加工槽道;第二种布置方式为:在主轴2的圆柱面7和圆环面10都加工槽道，在轴承基座上不加工槽道，槽道的加工方法不变;第三种布置方式为分别在轴承基座I的圆柱面3和主轴2的圆环面10上加工槽道，轴承基座I的圆环面4和主轴2的圆柱面7不加工槽道;第四种布置方式为分别在轴承基座I的圆环面4和主轴2的圆柱面7上加工槽道，轴承基座I的圆柱面3和主轴2的圆环面10上不加工槽道；
[0009]所述径向摩擦副圆柱面的一端与止推摩擦副圆环面的内侧通联。所述的径向摩擦副与止推摩擦副的腔体结合部位布置控压排气孔5。
[0010]所述的止推承载用的型线槽道和径向承载用的型线槽道的开槽方向与主轴转子2的旋转方向配合，均在内侧形成高压区，所述用于径向承载的型线槽道与止推承载的型线槽道的型线为直线和空间曲线，或根据载荷特性和轴承的运行工况要求对型线进行专门的设计和优化匹配。
[0011 ]本实用新型的优点主要体现在:
[0012]1、通过径向轴承摩擦副与止推轴承摩擦副的高压区耦合作用，有效维持轴承内润滑流体的高压区域，提高了轴承摩擦副内的平均压力水平，增加了轴承的承载能力和稳定性，也可抑制低沸点润滑剂润滑中气蚀空化现象的发生。该轴承结构形式能够同时承受径向和轴向两个方向的载荷，在工程应用中可成对使用，结构紧凑且具有较高的承载力和角刚度；
[0013]2、径向承载和止推承载用槽道可分布在主轴或轴承基座上，亦可将槽道分列于于主轴和轴承基座上并通过组合形成摩擦副，实现方式灵活且易于加工实现和系列化生产；
[0014]3、采用低沸点制冷剂作为动压润滑介质，相对于静压润滑方式能够简化旋转部件的轴承支承结构，并克服了现有动力设备中润滑部件与工艺流体的密封问题，减少了制冷剂对环境的泄漏；而且另一方面对于制冷剂系统杜绝了油基润滑剂的使用，仅采用系统工质进行动压自润滑，提高了系统的稳定性和可靠性。
[0015]4、采用低沸点润滑剂作为润滑介质，必要时低沸点润滑剂可通过自身相变的方式将轴承内的干摩擦热量和高速剪切热量及时带走，兼有冷却剂的作用，从而最大限度地保证轴承内的温度稳定；
[0016]5、控压排气孔可用于压力调节、排液/气/热、除杂或压力测量等，有利于提高轴承的稳定性和可靠性。
【附图说明】
[0017]图1A为高压区耦合的高承载力槽式动压轴承副装配图，图1B为零件图；
[0018]图2A为高承载力槽式动压轴承副的第一种典型开槽布局方式，图2B为高承载力槽式动压轴承副的另一种典型开槽布局方式；
[0019]图3A为开槽轴承基座结构剖视图，图3B为开槽轴承基座结构仰视图；
[0020]图4A为主轴结构正视图，图4B主轴结构左视图；
[0021 ]图5A为高压区耦合槽式摩擦副径向圆柱面压力耦合原理图，图5B为高压区耦合槽式摩擦副止推圆环面压力耦合原理图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
[0023]高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，参照图1，包括轴承基座I和主轴2，其特征在于:
[0024]所述的轴承基座I上分布有径向承载圆柱面3和止推承载圆环面4;主轴2上分布有圆柱面7和圆环面10;轴承基座I的径向圆柱面3与主轴2上的圆柱面7形成径向摩擦副，轴承基座I的止推圆环面4与主轴2上的圆环面10形成止推摩擦副；
[0025]所述的径向摩擦副、止推摩擦副上加工有型线槽道，径向摩擦副上加工的型线槽道起径向承载作用，止推摩擦副上加工的型线槽道起止推承载作用。所述型线槽道的加工有四种不同的布置方式，第一种布置方式为，参照图2A:在轴承基座I上的径向承载圆柱面3和止推承载圆环面4上都加工槽道，在主轴2上不加工槽道。具体做法为，参照图3，在径向承载圆柱面3上加工若干周向均布的槽道A6，未加工槽道的光滑圆柱面为径向光滑台区8，止推圆环面4上加工若干周向均布的槽道B9，未加工槽道的光滑圆环面为止推光滑台区11。第二种布置方式参照图2B:在主轴2的圆柱面7和圆环面10都加工槽道，在轴承基座上不加工槽道，槽道的加工方法不变;第三种布置方式为分别在轴承基座I的圆柱面3和主轴2的圆环面10上加工槽道，轴承基座I的圆环面4和主轴2的圆柱面7不加工槽道;第四种布置方式为分别在轴承基座I的圆环面4和主轴2的圆柱面7上加工槽道，轴承基座I的圆柱面3和主轴2的圆环面10上不加工槽道；
[0026]所述径向摩擦副圆柱面的一端与止推摩擦副圆环面的内侧通联。所述的径向摩擦副与止推摩擦副的腔体结合部位布置控压排气孔5。
[0027]所述的止推承载用的型线槽道和径向承载用的型线槽道的开槽方向与主轴转子2的旋转方向配合，均在内侧形成高压区。所述的径向承载的型线槽道与止推承载的型线槽道的型线可以是直线和空间曲线，也可根据载荷特性和轴承的运行工况要求对型线进行专门的设计和优化匹配。
[0028]本专利以轴承基座I开槽为特例进行阐述。图3为开槽轴承基座I结构示意图，所述的轴承基座I分布有径向承载圆柱面3和止推承载圆环面4，在径向承载圆柱面3上加工有若干周向均布的槽道A6，未加工槽道的光滑圆柱面为径向光滑台区8，止推圆环面4上加工有若干周向均布的槽道B9，未加工槽道的光滑圆环面为止推光滑台区11。
[0029]图4为主轴结构示意图，所述的轴承基座I的径向圆柱面3与主轴2上的光滑圆柱面7形成径向摩擦副，止推圆环面4与圆环面10形成止推摩擦副，构成径向摩擦副一端的圆柱面3与止推摩擦副圆环面4的内侧通联。径向摩擦副和止推摩擦副单独作为承载元件时，由于径向摩擦副圆柱面的轴向两端和圆环止推面的内外圆均为环境压力，形成的压力分布如图5中的虚线所示，若将径向摩擦副的圆柱面3的一端和止推圆环面4的内侧通联，形成的压力分布如图5中实线所示，其结合部位的压力均高于环境压力。径向摩擦副槽道A6与止推摩擦副槽道B9的旋转方向均将润滑流体栗入到径向摩擦副腔体和止推摩擦副腔体的结合部位，有效维持轴承腔体内润滑流体的压力水平，从而提高轴承的径向、止推承载能力和稳定性，较高的压力对于低粘度、低沸点制冷剂流体润滑的气蚀具有较好的抑制作用。另外，在轴承上述结合部位增设控压排气孔5，可以用于排液/气/热、除杂或压力测量等，还可以进行轴承运行工况的调节与监测。
[0030]止推承载用的槽道A6和径向承载用的槽道B9的开槽方向与主轴2的旋转方向配合，均在内侧形成高压区。槽道A6和槽道B9没有具体型线数学表达式的要求，常见的型线有直线和空间曲线，也可根据载荷特性和轴承的运行工况要求对型线进行专门的设计和优化匹配;轴承副的间隙和槽/台高度深度可根据承载力等要求进行优化设计;径向承载轴承面3和止推承载轴承面4的槽区、台区结构参数也可根据耦合后的轴承副性能设计。
[0031]本实用新型采用系统的工艺流体一如低沸点制冷剂作为润滑介质，取代了常规的油基润滑介质，保障转子系统的高速无油运行；制冷剂可以作为冷却介质吸收轴承内高速剪切产生的摩擦热量，及时将上述剪切摩擦热量带走，避免低沸点气化而导致空化现象;从而实现转子的稳定运转;耦合高压区促进了摩擦副表面间相对运动产生的动压效应和开槽表面产生的栗入效应，有效维持轴承副腔体内的高压区域并提升其压力，增加低粘度制冷剂润滑轴承的承载能力和稳定性。
[0032]本实用新型的工作原理为:轴承基座I的径向圆柱面3与主轴2上的光滑圆柱面7形成径向摩擦副，止推圆环面4与圆环面10形成止推摩擦副，构成径向摩擦副一端的圆柱面3与止推摩擦副圆环面4的内侧通联，止推承载用的型线槽A6和径向承载用的型线槽B9的开槽方向与主轴2转子的旋转方向配合，利用槽台区域的阶梯效应和栗入效应分别在各自的内侧形成高压区域，将高压流体保持在径向摩擦副腔体和止推摩擦副腔体的结合部位，提尚摩?祭副内的整体压力水平从而提尚轴承的承载能力和稳定性，同时能够有效抑制低沸点润滑剂动压轴承内低压气蚀的发生。此外，在径向摩擦副腔体和止推摩擦副腔体的结合部位可设置控压排气孔5，维持轴承副腔体压力的同时用于排液/气/热、除杂或压力测量等，还可以进行轴承运行工况的调节与监测。本实用新型不仅能够为轴承提供轴向和径向两方面的载荷，而且径向摩擦副与止推摩擦副共用高压区域，有效提高了轴承腔体内流体润滑膜的动压压力，增加了轴承的角刚度和稳定性。另外，轴承在低速启动阶段动压流体膜尚未形成时，动压轴承摩擦副之间干摩擦会产生多余热量，易引起轴承热变形从而影响轴承的运行特性，由于低沸点液体润滑剂本身具有较大的潜热，能够通过自身相变的方式将轴承内的摩擦热量及时带走，有利于提高轴承的稳定性与可靠性。
【主权项】
1.高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，包括轴承基座(I)和主轴(2)，其特征在于: 所述的轴承基座(I)上分布有径向承载圆柱面(3)和止推承载圆环面(4);主轴(2)上分布有圆柱面(7)和圆环面(10);轴承基座(I)的径向圆柱面(3)与主轴(2)上的圆柱面(7)形成径向摩擦副，轴承基座(I)的止推圆环面(4)与主轴(2)上的圆环面(10)形成止推摩擦副； 所述的径向摩擦副、止推摩擦副上加工有型线槽道，所述型线槽道的加工有四种不同的布置方式，第一种布置方式为:在轴承基座(I)上的径向承载圆柱面(3)和止推承载圆环面(4)上都加工槽道，在主轴(2)上不加工槽道;第二种布置方式为:在主轴(2)的圆柱面(7)和圆环面(10)都加工槽道，在轴承基座上不加工槽道，槽道的加工方法不变;第三种布置方式为分别在轴承基座(I)的圆柱面(3)和主轴(2)的圆环面(10)上加工槽道，轴承基座(I)的圆环面(4)和主轴(2)的圆柱面(7)不加工槽道;第四种布置方式为分别在轴承基座(I)的圆环面(4)和主轴(2)的圆柱面(7)上加工槽道，轴承基座(I)的圆柱面(3)和主轴(2)的圆环面(10)上不加工槽道； 所述径向摩擦副圆柱面的一端与止推摩擦副圆环面的内侧通联。所述的径向摩擦副与止推摩擦副的腔体结合部位布置控压排气孔(5)。2.根据权利要求1所述的高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，其特征在于， 所述的止推承载用的型线槽道和径向承载用的型线槽道的开槽方向与主轴转子(2)的旋转方向配合，均在内侧形成高压区。3.根据权利要求1所述的高压区耦合的槽式制冷剂动压流体无油润滑轴承副，其特征在于， 所述用于径向承载的型线槽道与止推承载的型线槽道的型线为直线和空间曲线，或根据载荷特性和轴承的运行工况要求对型线进行专门的设计和优化匹配。
【文档编号】F16C17/10GK205639280SQ201620389864
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】侯予, 李子智, 赖天伟, 陈双涛, 陈良, 刘秀芳, 陈勇
【申请人】西安交通大学, 迪邦仕冷却技术（苏州）有限公司