一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承

1.本发明涉及轴承领域，具体是一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承。


背景技术：

2.目前，越来越多的机床主轴开始采用气体静压轴承取代传统的滚珠轴承或液体静压轴承，尤其是在超精密加工领域。与其它轴承相比，气体静压轴承具有摩擦阻力小、几乎无温升、低速运动无爬行、定位精度高等优点，但也存在承载力小、刚度低的缺点。这主要是由于气体润滑相比于液体润滑所允许的供气压力低，同时不允许设计浅腔增加高压区。因此，如何提高气体静压轴承的刚度与承载力成为设计气体静压轴承的研究核心问题之一。
3.决定气体静压轴承性能的关键结构是节流器，目前气体静压轴承主要有四种节流方式，分别是小孔节流、狭缝节流、表面节流和多孔质节流。随着研究的不断深入，采用多孔质节流方式设计的气体静压主轴被证明具有更好的综合性能，其承载力与刚度较其他节流形式具有明显优势。
4.目前，基于多孔质节流设计的气体静压轴承工作面整体或局部采用多孔质材料或者节流器是多孔质材料制成。整体多孔质气体静压轴承的高压区面积大，承载高，但面积大的多孔材料制造困难，难以保证孔隙率与渗透率的均匀性，且整体多孔质变形大，因此局部多孔质轴承在实际使用中更加广泛。局部环带多孔质相比于传统小孔节流方式可以产生更大的气膜高压区面积，但存在装配制造困难的技术难题，环带的边缘易出现粘胶不均匀、漏气等缺陷，限制了其发展。可以看到，多点式多孔质节流与小孔节流类似，只是将孔式节流器换成了多孔质节流塞，通过借鉴小孔节流性能计算的相关假设，多点式多孔质节流静压轴承的相关计算理论成熟可靠。同样，与小孔节流相同，环向流及扩散效应降低了轴承的承载力及刚度，其静态性能不好。
5.因此，本领域技术人员提供了一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承，以解决上述背景技术中提出的目前，基于多孔质节流设计的气体静压轴承工作面整体或局部采用多孔质材料或者节流器是多孔质材料制成。整体多孔质气体静压轴承的高压区面积大，承载高，但面积大的多孔材料制造困难，难以保证孔隙率与渗透率的均匀性，且整体多孔质变形大，因此局部多孔质轴承在实际使用中更加广泛。局部环带多孔质相比于传统小孔节流方式可以产生更大的气膜高压区面积，但存在装配制造困难的技术难题，环带的边缘易出现粘胶不均匀、漏气等缺陷，限制了其发展。可以看到，如多点式多孔质节流与小孔节流类似，只是将孔式节流器换成了多孔质节流塞，通过借鉴小孔节流性能计算的相关假设，多点式多孔质节流静压轴承的相关计算理论成熟可靠。同样，与小孔节流相同，环向流及扩散效应降低了轴承的承载力及刚度，其静态性能不好的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承，包括止推轴承轴套、径向轴承轴套、主轴转子、主轴上下轴套，所述止推轴承轴套内设有止推轴承多孔质材料，所述径向轴承轴套内设有径向轴承多孔质材料，所述径向轴承轴套与止推轴承轴套安装于主轴上下轴套内，所述主轴转子的外壁套接有主轴上下轴套，所述主轴上下轴套内设有进气孔和分气环。
9.作为本发明的一种优选实施方式：所述止推轴承轴套内设有若干个止推轴承多孔质材料嵌入孔，且多孔质材料分布在止推轴承轴套内部，止推轴承多孔质材料数量、大小及分布的位置均由神经网络算法求得。
10.作为本发明的一种优选实施方式：所述径向轴承轴套内设有若干个径向轴承多孔质材料嵌入孔，且多孔质材料分布在径向轴承轴套内部，径向轴承多孔质材料数量、大小及分布的位置均由神经网络算法求得。
11.作为本发明的一种优选实施方式：所述止推轴承轴套设有两个，对称设置在主轴转子的上下两侧，且两个止推轴承轴套背离主轴转子的一侧均设有分气环，分气环的顶端设有进气孔。
12.作为本发明的一种优选实施方式：所述径向轴承轴套设有两个，对称套接在主轴转子的上下两侧，且两个径向轴承轴套背离主轴转子的一侧均设有分气环，分气环的顶端设有进气孔。
13.作为本发明的一种优选实施方式：所述止推轴承轴套和止推轴承多孔质材料与径向轴承轴套和径向轴承多孔质材料之间垂直设置。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承,本发明是一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承,多嵌入点式多孔质材料一方面制造难度大大降低，另一方面安装可借鉴小孔式节流器成熟的安装工艺，具有良好的工艺性；整体多孔质轴承其可变参数为多孔质材料孔隙率与渗透率，环面局部多孔质轴承的可变参数在整体多孔质轴承的基础上增加了环面的内径与外径，而多嵌入点式多孔质轴承由于嵌入孔的数量没有理论上限而将具有无数的可变参数，因此与传统多孔质轴承结构相比，多嵌入点式多孔质轴承具有更大的可优化设计空间；嵌入孔的分散布置，在神经网络算法的优化下可以有效克服传统节流方式出口处气体扩散效应削弱轴承性能的现象，从而使气模具有更大更散的高压区，大大提高了多孔质轴承的刚度与承载力。
附图说明
16.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
17.图1为一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承中的基于多嵌入点式多孔质气体静压主轴结构的结构示意图。
18.图2为一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承中的基于卷积神经网络计算嵌入孔参数的算法流程图；
19.图3为一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承中的止推轴承气体流动的结构示意图；
20.图中：1、主轴转子；2、径向轴承轴套；3、径向轴承多孔质材料；4、止推轴承多孔质材料；5、止推轴承轴套；6、进气孔；7、分气环；8、主轴上下轴套。
具体实施方式
21.请参阅图1-3，本发明实施例中，一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承，包括止推轴承轴套5、径向轴承轴套2、主轴转子1、主轴上下轴套8，止推轴承轴套5内设有止推轴承多孔质材料4，径向轴承轴套2内设有止推轴承多孔质材料4，多嵌入点式多孔质材料一方面制造难度大大降低，另一方面安装可借鉴小孔式节流器成熟的安装工艺，具有良好的工艺性；止推轴承轴套5上开设多个嵌入孔，用以安装止推轴承多孔质材料4，该结构借鉴了小孔式节流器结构的同时，做了进一步的优化设计，嵌入孔的开设位置不再遵循传统的均匀分布，具有分布不规则性，多孔质材料4结构取决于嵌入孔结构，相比于传统多孔质节流轴承，多孔质材料4所需的加工体积更小，大大降低了制造与安装难度，通过卷积神经网络算法计算以获得多嵌入点式多孔质节流轴承止推板嵌入孔的设计参数，以减小轴承耗气量，限制允许的最大耗气量为条件，以多嵌入点式多孔质节流轴承气膜承载力与刚度作为输出，获得更高的刚度与更大的承载力条件下的止推轴承轴套厚度以及止推轴承轴套上开设嵌入孔的数量、孔径与分布位置等参数，从而得到性能更加优越的多嵌入点式多孔质止推轴承结构；径向轴承轴套2上开设多个嵌入孔，用以安装径向轴承多孔质材料3，嵌入孔具体开设参数设计同止推轴承嵌入孔设计过程，基于神经网络优化计算后得到径向轴承轴套的嵌入孔设计参数与径向轴承轴套厚度；止推轴承轴套5与径向轴承轴套2安装于主轴上下轴套8内；主轴转子1的外壁套接有主轴上下轴套8；主轴上下轴套8内设有进气孔6和分气环7。基于嵌入孔参数进行多孔质材料加工，相比于传统多孔质结构，小孔式多孔质材料克服了易变形，加工时难以保证孔隙率与渗透率均匀的缺点。最终，借鉴小孔式节流器成熟的安装工艺将多孔质材料安装在止推轴承轴套与径向轴承轴套内，完成多嵌入点式多孔质轴承的设计，加工与安装，基于卷积神经网络计算多小孔参数的算法流程图，能够克服传统多孔质轴承缺点，因此为减小轴承耗气量，选择将耗气量作为阈值来限定其最大上限，同时在给定多孔质材料厚度与小孔初始数量，孔径，分布规律等参数以及网络学习精度与速率后开始进行运算，计算出当前参数下轴承的刚度与承载力并进行误差分析，若误差不满足条件则需在先求解误差梯度激活函数的分数阶倒数后，计算出误差梯度，根据误差梯度对小孔的参数进行优化后开始新一轮运算。最终得到满足高刚度与大承载的多小孔设计参数，通过多孔质材料出口的气体流动方向可以看到，相比于传统节流方式，经优化设计后的多嵌入点式多孔质止推轴承有效克服了节流器出口处的气流扩散与环流效应，使气体能够集中沿着轴向流动，进而大大提高轴承的性能。
22.请参阅图1，主轴转子1采用“中”字型结构，径向轴承轴套2布置于止推轴承轴套5两侧，为主轴提供径向力，主轴转子1上止推板提供闭式轴向力，整个转子一体加工，只需进行一次动平衡，但是装配时要保证两个径向轴承轴套2的同轴度。过滤后的高压气体经供气孔6流向径向轴承与止推轴承分气环7后，当气体到达止推轴承轴套5时，在止推板的上下表面分别形成一个高压止推气膜，当轴承受到向下的轴向载荷时，下方的轴向气膜厚度减小，承载力增大，上方的轴向气膜厚度增大，承载力减小，上下轴向气膜间形成一个向上的合力用于抵抗载荷，当轴承受到向上的轴向载荷时，上下气膜的厚度、承载变化形式相反，同样
能够抵抗载荷，形成闭式轴向刚度；当气体到达径向轴承轴套2时主轴转子1上形成两个高压气膜，可以抵抗径向载荷，形成径向刚度。多嵌入点式多孔质轴承由于嵌入孔的数量没有理论上限而将具有无数的可变参数，因此与传统多孔质轴承结构相比，多嵌入点式多孔质轴承具有更大的可优化设计空间，嵌入孔的分散布置，在神经网络算法的优化下可以有效克服传统节流方式出口处气体扩散效应削弱轴承性能的现象，从而使气模具有更大更散的高压区，大大提高了多孔质轴承的刚度与承载力。止推轴承轴套5和止推轴承多孔质材料4与径向轴承轴套2和径向轴承多孔质材料3之间垂直设置。
23.需要说明的是，本发明为一种多嵌入点式多孔质气体静压轴承，包括1、主轴转子；2、径向轴承轴套；3、径向轴承多孔质材料；4、止推轴承多孔质材料；5、止推轴承轴套；6、进气孔；7、分气环；8、主轴上下轴套，部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
24.以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。