專利名稱：靜壓氣體軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及軸承工件領(lǐng)域，特別是涉及一種靜壓氣體軸承。
背景技術(shù)：
靜壓氣體軸承在精密工程、超精密工程、空間技術(shù)、低溫工程、醫(yī)療器械及核工程等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用。它是用高壓的氣體作為潤滑劑的潤滑軸承，氣體由高壓氣源供給，經(jīng)節(jié)流器節(jié)流后進(jìn)入潤滑間隙，形成氣膜壓力以支承負(fù)載。它具有精度高、功耗低、 無污染、性能穩(wěn)定以及壽命長的優(yōu)點(diǎn)。靜壓氣體軸承是自由活塞的關(guān)鍵部件，它的氣膜的剛度和承載能力與節(jié)流形式有密切關(guān)系。靜壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)和性能對自由活塞壽命的延長起關(guān)鍵的作用，其優(yōu)化方案就是在改進(jìn)節(jié)流供氣形式的基礎(chǔ)上，提高氣膜的剛度和承載能力。美國專利，專利號US6293184B1，該氣體靜壓軸承在活塞上開兩個(gè)環(huán)形儲氣室用來儲存壓縮腔引來的高壓氣體，活塞外壁面開設(shè)4個(gè)軸向流形槽，并且還開有4個(gè)環(huán)向限流槽。它的缺點(diǎn)是軸向流形槽和環(huán)向限流槽的開設(shè)增加了靜壓氣體軸承的耗氣量，降低了氣體軸承的效率。美國專利，專利號5525845，公開了一種在自由活塞上開兩排節(jié)流小孔，每排四個(gè)孔的靜壓氣體軸承。它的缺點(diǎn)是每排節(jié)流孔的數(shù)量太少，造成軸承間隙內(nèi)氣膜的壓力分布不均勻，而且氣膜容易在軸承端部排出之時(shí)還沒有在間隙內(nèi)完全散開充滿整個(gè)軸承周圍， 受擴(kuò)散效應(yīng)影響較大，導(dǎo)致氣膜剛度和承載能力降低。靜壓氣體軸承的節(jié)流形式有小孔節(jié)流、自成節(jié)流、狹縫節(jié)流、多孔質(zhì)材料節(jié)流和毛細(xì)管節(jié)流等，不同節(jié)流形式的靜壓氣體軸承使用場合不同。小孔節(jié)流軸承能夠得到很好的靜態(tài)剛度，但受氣錘現(xiàn)象和擴(kuò)散效應(yīng)的影響較大。自成節(jié)流軸承不受氣錘現(xiàn)象的影響，但其承載能力和氣膜剛度只有小孔節(jié)流的2/3。狹縫節(jié)流軸承主要用在活塞長徑比較小(小于 1. 5)的靜壓氣體軸承中，結(jié)構(gòu)尺寸較小，同小孔節(jié)流軸承相比具有很小的擴(kuò)散損失，不會發(fā)生氣錘現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種靜壓氣體軸承，采用小孔和連續(xù)式狹縫混合節(jié)流，不但剛度和承載能力高、壽命長、耗氣量小、摩擦阻力小、無污染、制造簡單而且不受擴(kuò)散效應(yīng)和氣錘現(xiàn)象的影響，大大提高了靜壓氣體軸承的穩(wěn)定性能。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種靜壓氣體軸承，包括活塞、氣缸、貯氣腔和壓縮腔，其特點(diǎn)是所述活塞外側(cè)壁兩端分別設(shè)有兩條平行且與該活塞中心線垂直的環(huán)形氣槽，在所述環(huán)形氣槽底面中心線上對心各設(shè)4個(gè)徑向的節(jié)流孔，該節(jié)流孔分別與所述的貯氣腔相通；所述的活塞底端設(shè)有活塞端蓋，用以封閉該活塞，所述活塞端蓋上設(shè)有進(jìn)氣口，該進(jìn)氣口的上方設(shè)有簧片閥，該進(jìn)氣口的下方與所述的壓縮腔相通；所述的活塞外設(shè)有三段活塞套，所述各段活塞套之間有連續(xù)式節(jié)流狹縫，在所述活塞套與所述氣缸間設(shè)有間隙。所述的環(huán)形氣槽設(shè)于所述活塞兩端外側(cè)壁1/4處，該環(huán)形氣槽的寬度為1 1. 5mm，深度小于活塞壁厚度的1/10。所述節(jié)流小孔的半徑為0. 1 0. 15mm，各相鄰節(jié)流小孔的中心線間的夾角為90°。所述的活塞套厚度為1 2mm，材料為聚酰亞胺，該各段活塞套兩端面的表面粗糙度為3. 2，活塞套外側(cè)面的表面粗糙度為0. 8。所述的連續(xù)式節(jié)流狹縫寬度為5 10 μ m，小于靜壓氣體軸承間隙內(nèi)氣膜的厚度 (10 20μ )。所述的貯氣腔半徑不超過活塞半徑的1/2，貯氣腔用來貯存從壓縮腔進(jìn)來的高壓氣體，并向各節(jié)流小孔供氣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下1、采用小孔和連續(xù)式狹縫混合節(jié)流的靜壓氣體軸承，小孔節(jié)流不但可以降低氣體的壓力還可以使節(jié)流后的氣體更好地在環(huán)形氣槽內(nèi)均勻擴(kuò)散，以便氣體能更均勻地經(jīng)連續(xù)式狹縫進(jìn)入軸承間隙，改善氣膜的剛度和承載力，提高靜壓氣體軸承的穩(wěn)定性和壽命。2、采用小孔和連續(xù)式狹縫混合節(jié)流的靜壓氣體軸承，連續(xù)式狹縫節(jié)流可以完全消除擴(kuò)散效應(yīng)的影響。由于連續(xù)式節(jié)流狹縫的寬度較軸承間隙小，而且環(huán)形氣槽內(nèi)氣體的壓力高于軸承間隙內(nèi)氣膜壓力，故經(jīng)小孔節(jié)流后的氣體流經(jīng)連續(xù)式節(jié)流狹縫進(jìn)入軸承間隙形成氣膜時(shí)能產(chǎn)生第二次節(jié)流。這種節(jié)流無需節(jié)流孔，因而氣膜厚度的變化不受節(jié)流孔直徑的限制，可大大提高軸承的剛度。3、本實(shí)用新型的節(jié)流孔直徑不必太小，連續(xù)式節(jié)流狹縫是由各段活塞套之間的裝配間隙以及不同材料的熱脹冷縮效應(yīng)產(chǎn)生，解決了狹縫節(jié)流靜壓氣體軸承的加工過程中因狹縫寬度太小，加工困難的難題。該靜壓氣體軸承可以很好地使用于自由活塞制冷機(jī)、自由活塞發(fā)動機(jī)等自由活塞機(jī)械中。

圖1為本實(shí)用新型靜壓氣體軸承在自由活塞中的實(shí)施例示意圖。圖2為本實(shí)用新型靜壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2中沿A-A線的活塞端視圖。圖4為本實(shí)用新型裝配活塞套前的活塞示意圖。圖5為本實(shí)用新型裝配活塞套后的活塞示意圖。圖6為圖5中節(jié)流小孔處的局部放大圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。請先參閱圖1、圖2，圖1為本實(shí)用新型靜壓氣體軸承在自由活塞中的實(shí)施例示意圖，圖2為本實(shí)用新型靜壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示靜壓氣體軸承，包括活塞
4101、氣缸102、貯氣腔103、壓縮腔105，其特點(diǎn)是所述活塞101外側(cè)壁122兩端分別設(shè)有兩條平行且與該活塞101中心線垂直的環(huán)形氣槽116、117，在所述環(huán)形氣槽116、117底面中心線上對心各設(shè)4個(gè)徑向的節(jié)流孔108 111、112 115，該節(jié)流孔分別與所述的貯氣腔103 相通；所述的活塞101底端設(shè)有活塞端蓋104，用以封閉該活塞101，所述活塞端蓋104 上設(shè)有進(jìn)氣口 125，該進(jìn)氣口 125的上方設(shè)有簧片閥123，該進(jìn)氣口 125的下方與所述的壓縮腔105相通；所述的活塞101外設(shè)有三段活塞套121，所述各段活塞套121之間有連續(xù)式節(jié)流狹縫106、107，在所述活塞套121與所述氣缸102間設(shè)有軸承間隙118。由于狹縫節(jié)流時(shí)狹縫的寬度很小，只有幾到十幾微米，在活塞壁上加工這樣窄的狹縫十分困難，故先用小孔 108 115代替狹縫對氣體進(jìn)行節(jié)流降壓，節(jié)流后的氣體進(jìn)入環(huán)形氣槽116、117，并在其內(nèi)均勻擴(kuò)散。所述的活塞套121厚度為1 2mm，材料為聚酰亞胺，該各段活塞套兩端面的表面粗糙度為3. 2，活塞套外側(cè)面119的表面粗糙度為0. 8。所述的貯氣腔半徑不超過活塞半徑的 1/2。圖3為圖2中沿A-A線的活塞端視圖，圖4為本實(shí)用新型裝配活塞套前的活塞示意圖，圖5為本實(shí)用新型裝配活塞套后的活塞示意圖，圖6為圖5中節(jié)流小孔處的局部放大圖。如圖所示環(huán)形氣槽設(shè)于所述活塞兩端外側(cè)壁1/4處，該環(huán)形氣槽的寬度為1 1. 5mm, 深度小于活塞壁厚度的1/10。所述節(jié)流小孔108 115的半徑為0. 1 0. 15mm，各相鄰節(jié)流小孔的中心線間的夾角為90°。所述的連續(xù)式節(jié)流狹縫106、107寬度為5 10 μ m。由于連續(xù)式節(jié)流狹縫106、107的寬度遠(yuǎn)小于環(huán)形氣槽116、117的寬度，而且連續(xù)式狹縫106、107的寬度小于軸承間隙內(nèi)氣膜的厚度，氣膜的壓力小于環(huán)形氣槽116、117內(nèi)氣體的壓力，故連續(xù)式狹縫能對氣體產(chǎn)生較大的節(jié)流作用。這樣環(huán)形氣槽116、117內(nèi)的氣體在流經(jīng)連續(xù)式狹縫106、107時(shí)就能產(chǎn)生第二次節(jié)流，節(jié)流后沿著狹縫口軸向均勻地向軸承間隙內(nèi)擴(kuò)散形成氣膜，減少擴(kuò)散損失，增加了靜壓氣體軸承的氣膜剛度和承載能力，大大提高了氣體軸承的穩(wěn)定性。連續(xù)式節(jié)流狹縫106、107通過各段活塞套之間裝配間隙以及不同材料的熱脹冷縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，這要求活塞套的兩端面必須加工的非常光滑，而且能很好地吻合。活塞套兩端面的粗糙度為3. 2，以保證實(shí)現(xiàn)所需的狹縫寬度。本實(shí)用新型自由活塞的靜壓氣體軸承的具體裝配次序?yàn)槭紫?，將活塞?21與活塞101進(jìn)行裝配，此裝配方式為過盈配合。該過程是保證靜壓氣體軸承性能的關(guān)鍵的一步，必須謹(jǐn)慎、安全地操作，保證裝配質(zhì)量。先將精加工加好的活塞放入液氮中進(jìn)行降溫，并把各段活塞套緩慢均勻加熱到200°C，然后開始裝配。從活塞頂部開始依次進(jìn)行裝配，裝配過程中可以施加一定的力擠壓上下段活塞套，以使上下段活塞套靠緊，把其接觸間隙降到最低。由不同材料的熱脹冷縮效應(yīng)和裝配時(shí)的間隙即可產(chǎn)生所需的狹縫。另外，裝配時(shí)盡量使連續(xù)式狹縫與環(huán)形氣槽口正對，且位于環(huán)形氣槽口處的環(huán)面中線上。其次，把簧片閥123與活塞底端的活塞端蓋104進(jìn)行裝配，裝配方式為螺釘固定。再次，將活塞底部的活塞端蓋104和活塞101進(jìn)行裝配，連接方式為螺紋連接，并且在螺紋密封處加入密封膠。[0038]最后，將裝配完成的活塞進(jìn)行精加工。經(jīng)精磨后的活塞套121的厚度約為1mm，與定位臺階100的高度相等。活塞套外表面119的表面粗糙度為0. 8，至此完成活塞的裝配。該靜壓氣體軸承在自由活塞中的工作過程是當(dāng)壓縮腔105內(nèi)的壓力達(dá)到簧片閥 123的開啟壓力時(shí)，少量高壓氣體由壓縮腔105經(jīng)活塞端蓋104上的進(jìn)氣孔125和簧片閥的簧片與閥座間的間隙進(jìn)入貯氣腔103，而絕大部分壓縮氣體經(jīng)排氣口 IM流出壓縮腔105， 若壓縮腔內(nèi)的壓力低于簧片閥的開啟壓力，簧片閥關(guān)閉，防止貯氣腔內(nèi)高壓氣體倒流入壓縮腔。然后，貯氣腔中的高壓氣體進(jìn)入節(jié)流孔108 115，當(dāng)氣體流經(jīng)節(jié)流孔進(jìn)入環(huán)形氣槽 116,117時(shí)，節(jié)流孔對其產(chǎn)生節(jié)流作用，壓力降低。經(jīng)節(jié)流孔節(jié)流后的氣體在環(huán)形氣槽116、 117中均勻擴(kuò)散，然后氣體再經(jīng)過連續(xù)式狹縫106、107進(jìn)行二次節(jié)流，節(jié)流后的氣體沿著狹縫口軸向均勻地流入間隙118中形成承載氣膜，氣膜在間隙內(nèi)沿軸向擴(kuò)散并支撐活塞往復(fù)運(yùn)動，避免活塞和氣缸內(nèi)壁120直接接觸，產(chǎn)生摩擦。
權(quán)利要求1.一種靜壓氣體軸承，包括活塞(101)、氣缸(102)、貯氣腔(103)、壓縮腔(105)，其特征在于所述活塞(101)的外側(cè)壁(122)兩端分別設(shè)有兩條平行且與該活塞(101)中心線垂直的環(huán)形氣槽(116、117)，在所述環(huán)形氣槽(116、117)底面中心線上對心各開設(shè)4個(gè)徑向的節(jié)流孔(108 111,112 115)，該節(jié)流孔分別與所述的貯氣腔(103)相通；所述的活塞(101)底端設(shè)有活塞端蓋(104)，用以封閉該活塞(101)，所述活塞端蓋 (104)上設(shè)有進(jìn)氣口( 125)，該進(jìn)氣口( 125)的上方設(shè)有簧片閥(123)，該進(jìn)氣口( 125)的下方與所述的壓縮腔(105)相通；所述的活塞(101)外設(shè)有三段活塞套(121 )，所述各段活塞套(121)之間有連續(xù)式節(jié)流狹縫(106、107)，在所述活塞套(121)與所述氣缸(102)間設(shè)有間隙(118)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜壓氣體軸承，其特征在于所述的環(huán)形氣槽(116、117)設(shè)于所述活塞兩端外側(cè)壁1/4處，該環(huán)形氣槽(116、117)的寬度為1 1. 5mm，深度小于活塞壁厚度的1/10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜壓氣體軸承，其特征在于所述節(jié)流小孔(108 115)的半徑為0. 1 0. 15mm，相鄰節(jié)流小孔的中心線間的夾角為90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜壓氣體軸承，其特征在于所述活塞套(121)厚度為1 2mm，材料為聚酰亞胺，該各段活塞套兩端面的表面粗糙度為3. 2，活塞套外側(cè)面(119)的表面粗糙度為0.8。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜壓氣體軸承，其特征在于所述連續(xù)式節(jié)流狹縫(106、107) 寬度為5 10 μ m。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種靜壓氣體軸承，包括活塞、氣缸、貯氣腔、壓縮腔，活塞壁外兩端分別設(shè)有兩條平行且與活塞中心線垂直的環(huán)形氣槽，在環(huán)形氣槽底面中心線上對心各設(shè)4個(gè)徑向的節(jié)流孔，節(jié)流孔分別與所述的貯氣腔相通。活塞底端設(shè)有活塞端蓋，活塞端蓋上有進(jìn)氣口與壓縮腔相通?；钊庥腥位钊?，之間有連續(xù)式節(jié)流狹縫。本實(shí)用新型采用小孔和連續(xù)式狹縫混合節(jié)流，不但剛度和承載能力高、壽命長、耗氣量小、摩擦阻力小、無污染、制造簡單而且不受擴(kuò)散效應(yīng)和氣錘現(xiàn)象的影響，大大提高了氣體軸承的穩(wěn)定性能。
文檔編號F16C32/06GK202031986SQ201120095360
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者任天宇, 吳亦農(nóng), 張華 , 王建中, 陳曦, 馬詩旻 申請人:上海理工大學(xué)