一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副的制作方法
【專利摘要】一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，所述的軸承基座上分布有徑向承載圓柱面和止推承載圓環面；主軸上分布有圓柱面和圓環面；軸承基座的徑向圓柱面與主軸上的圓柱面形成徑向摩擦副，軸承基座的止推圓環面與主軸上的圓環面形成止推摩擦副；所述的徑向摩擦副、止推摩擦副上加工有型線槽道，所述型線槽道的加工有四種不同的布置方式，本發明不僅能夠為軸承提供軸向和徑向兩方面的載荷，而且徑向摩擦副與止推摩擦副共用高壓區域，有效提高了軸承腔體內流體潤滑膜的動壓壓力，增加了軸承的角剛度和穩定性；控壓排氣孔可用于壓力調節、排液/氣/熱、除雜或壓力測量等，有利于提高軸承的穩定性和可靠性。
【專利說明】
一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副
技術領域
[0001]本發明屬于機械設計中的動壓軸承領域，特別涉及一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，是一種適用于低粘度、低沸點流體潤滑動壓軸承，將徑向承載摩擦副的高壓區和止推承載摩擦副的高壓區耦合，具有較高徑向和止推承載力和穩定性，且能夠抑制負壓氣蝕。
【背景技術】
[0002]傳統制冷劑液體循環系統的動力部件采用油基潤滑介質，由于潤滑油和工藝流體一低沸點制冷劑的摻混，制冷劑將潤滑油挾帶入蒸發器和冷凝器，潤滑油在蒸發器內析出并附著在換熱器表面，增加了換熱熱阻，同時制冷劑存在于潤滑油中容易導致壓縮機或其他相對運動部件中的潤滑油粘度下降，承載能力降低并導致干摩擦的發生，可見潤滑油與制冷劑的摻混會對制冷系統產生較多的負面影響。另外，隨著新型環保制冷工質的采用，為了防止低沸點制冷劑泄露污染環境，并保持制冷系統內工作介質的純凈度，對制冷系統的密封性提出了更高的要求。因此，在制冷劑純度要求較高的場合，常規的油基潤滑技術的應用具有一定的局限性，無油潤滑軸承的開發與研制已成為動力設備穩定高效運行的關鍵。
[0003]根據軸承承載力的形成方式，可以將流體潤滑分為靜壓潤滑和動壓潤滑兩種方式。其中，動壓軸承依靠兩摩擦面相對運動使得粘性流體在收縮楔形間隙內形成動壓，將兩摩擦表面隔開并承受載荷。相對于常規油基潤滑介質，制冷劑具有較小的粘度，因此在相同的轉速下其承載能力相對較低。而且，在高速運轉的動壓徑向軸承內最小壓力膜后側存在一定的負壓區域，潤滑液體在負壓區域內承受較高拉力時極易發生空穴現象，會對軸承的運行性能產生一定的影響。采用制冷劑作為潤滑介質時，由于動力裝置內的制冷劑具有較小的過冷度以及較低的沸點，在軸承的瞬態啟停以及穩定運行過程中，軸承內部高速剪切微小間隙內會產生大量的摩擦熱量，制冷劑作為潤滑介質的同時也具有冷卻介質的作用，可以通過自身的相變將軸承內的摩擦熱量帶走，低沸點潤滑劑吸收熱量后極易發生相變氣化。相比于油基潤滑介質無油低沸點潤滑劑潤滑更容易引發空化氣蝕，因此在無油低沸點潤滑劑動壓潤滑軸承的設計中，一方面需要滿足摩擦副具有較高的相對速度產生足夠的流體動壓承載力，另一方面需要關注流體在軸承低壓區域內的動力學特性，給無油低沸點潤滑劑動壓軸承的設計提出了更高的要求。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于為低沸點、低粘度流體動壓潤滑提供一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，是一種高承載能力且能夠有效抑制低沸點潤滑劑動壓軸承內負壓氣蝕的表面開槽型動壓軸承副，通過耦合徑向摩擦副腔體和止推摩擦副腔體內的高壓流體區域提高軸承摩擦副內的整體壓力水平，增加軸承的徑向和軸向承載能力以及穩定性。
[0005]為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0006]一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，包括軸承基座I和主軸2，其特征在于:
[0007]所述的軸承基座I上分布有徑向承載圓柱面3和止推承載圓環面4;主軸2上分布有圓柱面7和圓環面10;軸承基座I的徑向圓柱面3與主軸2上的圓柱面7形成徑向摩擦副，軸承基座I的止推圓環面4與主軸2上的圓環面10形成止推摩擦副；
[0008]所述的徑向摩擦副、止推摩擦副上加工有型線槽道，所述型線槽道的加工有四種不同的布置方式，第一種布置方式為:在軸承基座I上的徑向承載圓柱面3和止推承載圓環面4上都加工槽道，在主軸2上不加工槽道;第二種布置方式為:在主軸2的圓柱面7和圓環面10都加工槽道，在軸承基座上不加工槽道，槽道的加工方法不變;第三種布置方式為分別在軸承基座I的圓柱面3和主軸2的圓環面10上加工槽道，軸承基座I的圓環面4和主軸2的圓柱面7不加工槽道;第四種布置方式為分別在軸承基座I的圓環面4和主軸2的圓柱面7上加工槽道，軸承基座I的圓柱面3和主軸2的圓環面10上不加工槽道；
[0009]所述徑向摩擦副圓柱面的一端與止推摩擦副圓環面的內側通聯。所述的徑向摩擦副與止推摩擦副的腔體結合部位布置控壓排氣孔5。
[0010]所述的止推承載用的型線槽道和徑向承載用的型線槽道的開槽方向與主軸轉子2的旋轉方向配合，均在內側形成高壓區，所述用于徑向承載的型線槽道與止推承載的型線槽道的型線為直線和空間曲線，或根據載荷特性和軸承的運行工況要求對型線進行專門的設計和優化匹配。
[0011]本發明的優點主要體現在:
[0012]1、通過徑向軸承摩擦副與止推軸承摩擦副的高壓區耦合作用，有效維持軸承內潤滑流體的高壓區域，提高了軸承摩擦副內的平均壓力水平，增加了軸承的承載能力和穩定性，也可抑制低沸點潤滑劑潤滑中氣蝕空化現象的發生。該軸承結構形式能夠同時承受徑向和軸向兩個方向的載荷，在工程應用中可成對使用，結構緊湊且具有較高的承載力和角剛度；
[0013]2、徑向承載和止推承載用槽道可分布在主軸或軸承基座上，亦可將槽道分列于于主軸和軸承基座上并通過組合形成摩擦副，實現方式靈活且易于加工實現和系列化生產；
[0014]3、采用低沸點制冷劑作為動壓潤滑介質，相對于靜壓潤滑方式能夠簡化旋轉部件的軸承支承結構，并克服了現有動力設備中潤滑部件與工藝流體的密封問題，減少了制冷劑對環境的泄漏；而且另一方面對于制冷劑系統杜絕了油基潤滑劑的使用，僅采用系統工質進行動壓自潤滑，提高了系統的穩定性和可靠性。
[0015]4、采用低沸點潤滑劑作為潤滑介質，必要時低沸點潤滑劑可通過自身相變的方式將軸承內的干摩擦熱量和高速剪切熱量及時帶走，兼有冷卻劑的作用，從而最大限度地保證軸承內的溫度穩定；
[0016]5、控壓排氣孔可用于壓力調節、排液/氣/熱、除雜或壓力測量等，有利于提高軸承的穩定性和可靠性。
【附圖說明】
[0017]圖1A為高壓區耦合的高承載力槽式動壓軸承副裝配圖，圖1B為零件圖；
[0018]圖2A為高承載力槽式動壓軸承副的第一種典型開槽布局方式，圖2B為高承載力槽式動壓軸承副的另一種典型開槽布局方式；
[0019]圖3A為開槽軸承基座結構剖視圖，圖3B為開槽軸承基座結構仰視圖；
[0020]圖4A為主軸結構正視圖，圖4B主軸結構左視圖；
[0021 ]圖5A為高壓區耦合槽式摩擦副徑向圓柱面壓力耦合原理圖，圖5B為高壓區耦合槽式摩擦副止推圓環面壓力耦合原理圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
[0023]—種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，參照圖1，包括軸承基座I和主軸2，其特征在于:
[0024]所述的軸承基座I上分布有徑向承載圓柱面3和止推承載圓環面4;主軸2上分布有圓柱面7和圓環面10;軸承基座I的徑向圓柱面3與主軸2上的圓柱面7形成徑向摩擦副，軸承基座I的止推圓環面4與主軸2上的圓環面10形成止推摩擦副；
[0025]所述的徑向摩擦副、止推摩擦副上加工有型線槽道，徑向摩擦副上加工的型線槽道起徑向承載作用，止推摩擦副上加工的型線槽道起止推承載作用。所述型線槽道的加工有四種不同的布置方式，第一種布置方式為，參照圖2A:在軸承基座I上的徑向承載圓柱面3和止推承載圓環面4上都加工槽道，在主軸2上不加工槽道。具體做法為，參照圖3，在徑向承載圓柱面3上加工若干周向均布的槽道A6，未加工槽道的光滑圓柱面為徑向光滑臺區8，止推圓環面4上加工若干周向均布的槽道B9，未加工槽道的光滑圓環面為止推光滑臺區11。第二種布置方式參照圖2B:在主軸2的圓柱面7和圓環面10都加工槽道，在軸承基座上不加工槽道，槽道的加工方法不變;第三種布置方式為分別在軸承基座I的圓柱面3和主軸2的圓環面10上加工槽道，軸承基座I的圓環面4和主軸2的圓柱面7不加工槽道;第四種布置方式為分別在軸承基座I的圓環面4和主軸2的圓柱面7上加工槽道，軸承基座I的圓柱面3和主軸2的圓環面10上不加工槽道；
[0026]所述徑向摩擦副圓柱面的一端與止推摩擦副圓環面的內側通聯。所述的徑向摩擦副與止推摩擦副的腔體結合部位布置控壓排氣孔5。
[0027]所述的止推承載用的型線槽道和徑向承載用的型線槽道的開槽方向與主軸轉子2的旋轉方向配合，均在內側形成高壓區。所述的徑向承載的型線槽道與止推承載的型線槽道的型線可以是直線和空間曲線，也可根據載荷特性和軸承的運行工況要求對型線進行專門的設計和優化匹配。
[0028]本專利以軸承基座I開槽為特例進行闡述。圖3為開槽軸承基座I結構示意圖，所述的軸承基座I分布有徑向承載圓柱面3和止推承載圓環面4，在徑向承載圓柱面3上加工有若干周向均布的槽道A6，未加工槽道的光滑圓柱面為徑向光滑臺區8，止推圓環面4上加工有若干周向均布的槽道B9，未加工槽道的光滑圓環面為止推光滑臺區11。
[0029]圖4為主軸結構示意圖，所述的軸承基座I的徑向圓柱面3與主軸2上的光滑圓柱面7形成徑向摩擦副，止推圓環面4與圓環面10形成止推摩擦副，構成徑向摩擦副一端的圓柱面3與止推摩擦副圓環面4的內側通聯。徑向摩擦副和止推摩擦副單獨作為承載元件時，由于徑向摩擦副圓柱面的軸向兩端和圓環止推面的內外圓均為環境壓力，形成的壓力分布如圖5中的虛線所示，若將徑向摩擦副的圓柱面3的一端和止推圓環面4的內側通聯，形成的壓力分布如圖5中實線所示，其結合部位的壓力均高于環境壓力。徑向摩擦副槽道A6與止推摩擦副槽道B9的旋轉方向均將潤滑流體栗入到徑向摩擦副腔體和止推摩擦副腔體的結合部位，有效維持軸承腔體內潤滑流體的壓力水平，從而提高軸承的徑向、止推承載能力和穩定性，較高的壓力對于低粘度、低沸點制冷劑流體潤滑的氣蝕具有較好的抑制作用。另外，在軸承上述結合部位增設控壓排氣孔5，可以用于排液/氣/熱、除雜或壓力測量等，還可以進行軸承運行工況的調節與監測。
[0030]止推承載用的槽道A6和徑向承載用的槽道B9的開槽方向與主軸2的旋轉方向配合，均在內側形成高壓區。槽道A6和槽道B9沒有具體型線數學表達式的要求，常見的型線有直線和空間曲線，也可根據載荷特性和軸承的運行工況要求對型線進行專門的設計和優化匹配;軸承副的間隙和槽/臺高度深度可根據承載力等要求進行優化設計;徑向承載軸承面3和止推承載軸承面4的槽區、臺區結構參數也可根據耦合后的軸承副性能設計。
[0031]本發明采用系統的工藝流體一如低沸點制冷劑作為潤滑介質，取代了常規的油基潤滑介質，保障轉子系統的高速無油運行；制冷劑可以作為冷卻介質吸收軸承內高速剪切產生的摩擦熱量，及時將上述剪切摩擦熱量帶走，避免低沸點氣化而導致空化現象;從而實現轉子的穩定運轉;耦合高壓區促進了摩擦副表面間相對運動產生的動壓效應和開槽表面產生的栗入效應，有效維持軸承副腔體內的高壓區域并提升其壓力，增加低粘度制冷劑潤滑軸承的承載能力和穩定性。
[0032]本發明的工作原理為:軸承基座I的徑向圓柱面3與主軸2上的光滑圓柱面7形成徑向摩擦副，止推圓環面4與圓環面10形成止推摩擦副，構成徑向摩擦副一端的圓柱面3與止推摩擦副圓環面4的內側通聯，止推承載用的型線槽A6和徑向承載用的型線槽B9的開槽方向與主軸2轉子的旋轉方向配合，利用槽臺區域的階梯效應和栗入效應分別在各自的內側形成高壓區域，將高壓流體保持在徑向摩擦副腔體和止推摩擦副腔體的結合部位，提高摩擦副內的整體壓力水平從而提高軸承的承載能力和穩定性，同時能夠有效抑制低沸點潤滑劑動壓軸承內低壓氣蝕的發生。此外，在徑向摩擦副腔體和止推摩擦副腔體的結合部位可設置控壓排氣孔5，維持軸承副腔體壓力的同時用于排液/氣/熱、除雜或壓力測量等，還可以進行軸承運行工況的調節與監測。本發明不僅能夠為軸承提供軸向和徑向兩方面的載荷，而且徑向摩擦副與止推摩擦副共用高壓區域，有效提高了軸承腔體內流體潤滑膜的動壓壓力，增加了軸承的角剛度和穩定性。另外，軸承在低速啟動階段動壓流體膜尚未形成時，動壓軸承摩擦副之間干摩擦會產生多余熱量，易引起軸承熱變形從而影響軸承的運行特性，由于低沸點液體潤滑劑本身具有較大的潛熱，能夠通過自身相變的方式將軸承內的摩擦熱量及時帶走，有利于提高軸承的穩定性與可靠性。
【主權項】
1.一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，包括軸承基座(I)和主軸(2)，其特征在于: 所述的軸承基座(I)上分布有徑向承載圓柱面(3)和止推承載圓環面(4);主軸(2)上分布有圓柱面(7)和圓環面(10);軸承基座(I)的徑向圓柱面(3)與主軸(2)上的圓柱面(7)形成徑向摩擦副，軸承基座(I)的止推圓環面(4)與主軸(2)上的圓環面(10)形成止推摩擦副； 所述的徑向摩擦副、止推摩擦副上加工有型線槽道，所述型線槽道的加工有四種不同的布置方式，第一種布置方式為:在軸承基座(I)上的徑向承載圓柱面(3)和止推承載圓環面(4)上都加工槽道，在主軸(2)上不加工槽道;第二種布置方式為:在主軸(2)的圓柱面(7)和圓環面(10)都加工槽道，在軸承基座上不加工槽道，槽道的加工方法不變;第三種布置方式為分別在軸承基座(I)的圓柱面(3)和主軸(2)的圓環面(10)上加工槽道，軸承基座(I)的圓環面(4)和主軸(2)的圓柱面(7)不加工槽道;第四種布置方式為分別在軸承基座(I)的圓環面(4)和主軸(2)的圓柱面(7)上加工槽道，軸承基座(I)的圓柱面(3)和主軸(2)的圓環面(10)上不加工槽道； 所述徑向摩擦副圓柱面的一端與止推摩擦副圓環面的內側通聯。所述的徑向摩擦副與止推摩擦副的腔體結合部位布置控壓排氣孔(5)。2.根據權利要求1所述的一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，其特征在于， 所述的止推承載用的型線槽道和徑向承載用的型線槽道的開槽方向與主軸轉子(2)的旋轉方向配合，均在內側形成高壓區。3.根據權利要求1所述的一種高壓區耦合的槽式制冷劑動壓流體無油潤滑軸承副，其特征在于， 所述用于徑向承載的型線槽道與止推承載的型線槽道的型線為直線和空間曲線，或根據載荷特性和軸承的運行工況要求對型線進行專門的設計和優化匹配。
【文檔編號】F16C17/10GK105822660SQ201610286289
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】侯予, 李子智, 賴天偉, 陳雙濤, 陳良, 劉秀芳, 陳勇
【申請人】西安交通大學, 迪邦仕冷卻技術（蘇州）有限公司