ГАЗОВЫЙ ПОДШИПНИК И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
GAS BEARING AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к газовому подшипнику с подшипниковой втулкой, которая ограничивает полость для принятия опираемого в нем тела и в стенке которой имеется множество каналов, выполненных с возможностью подачи через них снаружи сжатого газа. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления такого газового подшипника.
Уровень техники
Такой газовый подшипник и способ изготовления известны из ЕР 0708262 А1.
Действие газового подшипника основано на том, что сжатый газ через каналы попадает в зазор между подшипниковой втулкой и опирающимся там телом и создает в этом зазоре избыточное давление. Этот зазор должен быть узким, чтобы получить достаточное сопротивление потока, необходимое для создания избыточного давления. Также и подающие каналы должны быть небольшими, во-первых, чтобы ограничить расход сжатого газа подшипника, а с другой стороны, чтобы предотвратить ситуацию, состоящую в том, что когда отклонение опираемого тела приводит локально к уменьшению зазора между телом и подшипниковой втулкой и тем самым к сжатию газа в суженной области, то это увеличение давления уменьшается вследствие оттока газа из зазора через подающие каналы наружу.
Создание узких подающих каналов, в особенности с диаметром в диапазоне 25 мкм и менее, вызывает существенные технические трудности. Вышеуказанный ЕР 0708262 А1 предлагает сверлить такие отверстия с помощью лазерного луча. Такое решение является по многим причинам неудовлетворительным. Во-первых, каждое отверстие должно длительное время сверлиться по отдельности, что ведет к увеличению стоимости изготовления. Во-вторых, хотя с точки зрения предотвращения турбулентности и является желательным достичь высокого отношения длины каналов к их диаметру, толщина слоя, которая может сверлиться лазером, ограничена, с одной стороны, тем, что значения диаметра лазерного луча перед фокусом и после фокуса отличаются тем сильнее, чем точнее сфокусирован луч. Таким образом, при слишком большой глубине сверления небольшой диаметр сверления не может контролируемым образом поддерживаться на всей длине канала. К тому же материал, снимаемый лазером, имеет склонность при слишком большой глубине сверления откладываться на боковых стенках сверлильного отверстия. Поэтому на стенках подшипниковой втулки требуется образовывать предварительно утонченные участки, которые достаточно тонкие, чтобы в них можно было сверлить лазером. Однако эти участки существенно ухудшают допускаемую нагрузку и устойчивость формы подшипника.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать газовый подшипник и способ его изготовления, которые способствуют экономичному изготовлению газового подшипника с небольшим поперечным сечением питающих отверстий с высокой устойчивостью формы.
Задача решается, во-первых, посредством того, что в газовом подшипнике с подшипниковой втулкой, которая окружает полость для принятия опираемого в ней тела и в стенках которой имеется множество подающих каналов, выполненных с возможностью подачи через них снаружи сжатого газа, подшипниковая втулка составлена из множества элементов, и по меньшей мере некоторые из подающих каналов выполнены посредством канавок в обращенных друг к другу поверхностях соседних элементов. Вследствие того что каналы сперва выполняются в виде поверхностных канавок, возможно поддерживать очень узкое поперечное сечение сквозных отверстий по большой, в принципе любой, длине. Поэтому элементы могут иметь значительную толщину стенок и, в соответствии с этим, высокую устойчивость по форме.
Чтобы дополнить канавки до подающих каналов, может быть предусмотрено, чтобы обращенные друг к другу поверхности соседних элементов касались друг друга.
Альтернативно этому между обращенными друг к другу поверхностями также может быть размещена уплотнительная прокладка предпочтительно прямоугольного поперечного сечения. Такая уплотнительная прокладка может обладать определенной пластической деформируемостью, которая позволяет выровнять по большой площади неровности небольшой глубины на лежащих друг напротив друга поверхностях, не попадая при этом в канавки, не закрывая и не уменьшая их размер.
Предпочтительно, элементы расположены друг за другом в продольном направлении подшипниковой втулки.
Чтобы облегчить правильную сборку элементов, может быть предусмотрено, чтобы расположенные рядом друг с другом элементы входили друг в друга с геометрическим замыканием.
В особенности, предпочтительно, если один из несущих канавки торцов одного из элементов вставлен в выемку другого элемента.
Чтобы гарантировать надежную подачу газа к канавкам на торце, канавки целесообразно проходят, в целом, изогнутыми через торец и через боковую поверхность полого цилиндрического элемента по меньшей мере на одной части его осевой длины.
Сцепление отдельных элементов простым образом гарантируется посредством того, что подшипниковая втулка держится в трубчатом корпусе.
Число элементов подшипниковой втулки составляет предпочтительно по меньшей мере три, и, таким образом, имеется по меньшей мере две пары лежащих друг напротив друга поверхностей элементов, на которых могут быть выполнены проходы. Далее, число элементов подшипниковой втулки предпочтительно нечетное, и, таким образом, может существовать одна или несколько групп трех соседних элементов. В такой группе предпочтительно средний элемент имеет меньший внешний габарит по сравнению с обоими другими элементами, которые касаются этого среднего элемента. Таким образом, вокруг среднего элемента имеется место для питающего канала, который снабжает сжатым газом подающие каналы, проходящие между средним элементом и двумя соседними с ним элементами.
Чтобы снабжать сжатым газом подающие каналы из продольного конца газового подшипника, может быть предусмотрен канал питания сжатым газом, причем этот канал питания сжатым газом проходит в продольном направлении и ограничен элементами подшипниковой втулки и корпусом. Альтернативно этому может быть предусмотрена также трубка питания сжатым газом, проходящая через корпус, один конец которой находится на торце корпуса, а другой конец находится на уровне среднего элемента.
Канавки могут быть выполнены простым и экономичным образом посредством деформации. Это способствует созданию всех канавок, предусмотренных на одной из двух обращенных друг к другу поверхностей, с минимальными затратами времени и средств, с использованием простых инструментов с высоким сроком службы.
Далее, задача решается с помощью способа изготовления газового подшипника, причем способ содержит следующие шаги:
а) подготовка множества элементов, выполненных с возможностью соединения с образованием подшипниковой втулки, окружающей полость;
б) создание канавок по меньшей мере в одной поверхности по меньшей мере одного из элементов, поверхность которого в собранном состоянии обращена к поверхности соседнего элемента; и
в) соединение элементов с образованием подшипниковой втулки.
Обращенные друг к другу поверхности могут быть приведены друг с другом в контакт напрямую, или же между ними может быть помещена уплотнительная прокладка.
Канавки создаются предпочтительно посредством выдавливания.
Следующим технологическим шагом может быть введение элементов в трубчатый корпус.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения вытекают из нижеследующего описания вариантов реализации со ссылкой на прилагаемые фигуры. На них показано следующее.
Фиг.1: схематичный осевой разрез компрессора с газовым подшипником согласно настоящему изобретению.
Фиг.2: разрез компрессора из фиг.1 вдоль плоскости, обозначенной II-II на фиг.1.
Фиг.3: вид элемента подшипниковой втулки из фиг.1 с торца.
Фиг.4: осевой разрез элемента, показанного на фиг.3.
Фиг.5: аналогичный фиг.1 разрез компрессора с газовым подшипником согласно второму варианту реализации изобретения.
Фиг.6: разрез вдоль плоскости, обозначенной VI-VI на фиг.5.
Фиг.7: схематичный вид приводного агрегата для компрессора.
Осуществление изобретения
Показанный на фиг.1 в осевом разрезе и на фиг.2 в радиальном разрезе компрессор, который в данном случае выполнен в виде линейного компрессора, имеет корпус 21, в который входит полая цилиндрическая подшипниковая втулка 23, ограничивающая рабочую камеру 22. Подшипниковая втулка 23 составлена из нечетного числа, в данном случае из пяти штук, кольцевых или полых цилиндрических элементов 24, 25, 26, 27, 28, следующих друг за другом в осевом направлении. Оба внешних элемента 24, 28 и средний элемент 26 конструкции имеют на противоположных друг другу торцах 29 кольцевые выемки, в которые входят концевые участки лежащих между ними элементов 25, 27. Внутренний диаметр всех элементов 24-28 в точности одинаковый, и, таким образом, их внутренние поверхности заподлицо примыкают друг к другу. Внешний диаметр элементов 25, 27 меньше, чем диаметр соседних элементов 24, 26, 28, и, таким образом, подшипниковая втулка 23 имеет на своей внешней поверхности по окружности два паза 30 на уровне элементов 25, 27.
Внешние поверхности элементов 24, 26, 28 держатся радиально без зазора в контакте с внутренней поверхностью трубчатого корпуса 21, а в осевом направлении зафиксированы с фрикционным замыканием, например посредством корпуса 21 на элементы 24, 26, 28. Элементы 25, 27, в свою очередь, зафиксированы посредством не имеющего зазора зацепления в выемки элементов 24, 26, 28.
Как видно из фиг.3, элементы 25, 27 на своих торцах 29 снабжены множеством радиальных канавок 32, внутренний конец которых входит в рабочую камеру 22, а внешний конец переходит в канавку 33, проходящую в осевом направлении через внешнюю поверхность элемента 25 или 27. Ширина и глубина канавок 32, 33 составляет максимум несколько десятков микрон, а их длина может достигать нескольких миллиметров. Когда элементы 24-28 соединены, то осевые канавки 33 выходят из выемок элементов 24, 26 или 28. Таким образом, пазы 32, 33 вместе с лежащими друг напротив друга торцами 29 элементов 24, 26, 28 образуют подающие каналы, через которые пазы 30 соединяются с рабочей камерой 22.
В рабочей камере 22 расположен поршень 34, выполненный с возможностью осевого сдвига. Диаметр поршня 34 составляет примерно 30 мм и примерно на 10-20 мкм меньше, чем внутренний диаметр элементов 24-28, и, таким образом, когда поршень 34 расположен концентрично к подшипниковой втулке 23, зазор 35, составляющий 5-10 мкм, отделяет поршень 34 по окружности от внутренней поверхности подшипниковой втулки 23. В этот зазор 35 входят некоторые из канавок 32.
Рабочая камера 22 закрыта на торце пружинной пластиной 36, приваренной к проходящему по окружности фланцу корпуса 21. В пружинной пластине 36 выполнены обратные клапаны 37, 38, пропускающие в противоположных направлениях. На обращенной от рабочей камеры 22 стороне пружинной пластины 36 смонтирована крышка 39, в которой выполнены две камеры 40, 41. Движение поршня 34 в направлении от пружинной пластины 36 приводит к всасыванию газа из камеры 40 через клапан 38 в рабочую камеру 22. Заключительное движение поршня 34 в направлении на пружинную пластину 36 приводит к сжатию газа в рабочей камере 22 и нагнетает его затем через клапан 38 в камеру 41.
От камеры 41 через пружинную пластину 36 и трубчатый корпус 31 к пазам 30 отходят просверленные трубки 42, 43 питания сжатым газом. Избыточное давление в камере 41 расширяется через трубки 42, 43 питания сжатым газом до пазов 30, и, таким образом, газ через канавки 33, 32 течет обратно в рабочую камеру 22 и образует таким образом газовую подушку, которая направляет поршень 34 без контакта с подшипниковой втулкой 23.
Как легко можно увидеть, компрессор с уменьшенной длиной или уменьшенным числом питающих проходов может быть легко реализован посредством того, что элементы 26, 27 могут быть отброшены, а элемент 25 вводится прямо в выемку элемента 28. Соответственно, введением дополнительных пар 26, 27 элементов и созданием трубок питания сжатым газом, снабжающих газом получающиеся пазы 30, может быть создан компрессор с большей длиной и/или с большим числом питающих проходов.
Фиг.4 показывает увеличенный осевой разрез одного из элементов 25, 27. Из этого разреза видно, что глубина канавок 33, проходящих через внешнюю поверхность элементов 25, 27, уменьшается с увеличением расстояния от торца 29, от которого они отходят. Такая форма канавок имеет два преимущества. Во-первых, она способствует тому, чтобы выполнять канавки 32, 33 во время единого рабочего шага посредством выдавливания с помощью (непоказанных) пуансонов, которые надавливают на торцы 29 элемента 25, 27. Во-вторых, посредством того, что канавки 32, 33 подходят друг к другу под тупым углом, предотвращается без необходимости крутое отклонение газового потока на переходе между канавками 32, 33, приводящее к турбулентности и к снижению давления.
Фиг.5 показывает аналогичный фиг.1 разрез газового подшипника согласно второму варианту реализации, причем второй вариант реализации отличается от представленного на фиг.1 двумя независимо друг от друга реализуемыми аспектами. Первым аспектом является наличие уплотнительных прокладок 44 с прямоугольным поперечным сечением, которые расположены в выемках элементов 24, 26, 28 и покрывают торцы 29 входящих элементов 25, 27. Уплотнительные прокладки 44 выполнены с возможностью небольшой пластичной деформации, так что они хоть и не входят в канавки 32 и не уменьшают их поперечное сечение, но могут сгладить обширные неровности небольшой амплитуды между лежащими друг напротив друга торцами элементов. Таким образом, предотвращается ситуация, когда сжатый газ через зазоры, проходящие в стороне от канавок 32, 33, попадает из одного из пазов 30 в рабочую камеру 22.
Второй аспект состоит в том, что элементы 24-28, образующие подшипниковую втулку, помещены в снабженную прорезью цилиндрическую гильзу 45, которая, со своей стороны, прилегает к внутренней поверхности трубчатого корпуса 31. Посредством того, что прорезь 46 гильзы 45 соосна с проходом 47 пружинной пластины 36 и герметично закрыта на конце, обращенном от пружинной пластины 36, например заглушкой 48 из синтетической смолы, сжатый газ может попасть из камеры 41 ко всем пазам 30 подшипниковой втулки 23, и при этом каждый из них не обязан иметь отдельные отверстия для доступа к камерам 40 или 41, как показано на фиг.1. Представленная на фиг.5 конструкция особенно целесообразна в том случае, когда подшипниковая втулка 23 составлена из большого числа следующих друг за другом элементов.
Фиг.7 показывает схематично приводной агрегат, выполненный с возможностью приведения в осциллирующее движение поршня 36. Приводной агрегат содержит две Е-образных опоры 1 с тремя плечами 3, 4, 5, попарно лежащими друг напротив друга. Обращенные друг к другу концы плеч 3, 4, 5 образуют полюсные наконечники 7, ограничивающие воздушный зазор 2. Вокруг средних плеч 4 расположено по возбуждающей обмотке 8. Две возбуждающие обмотки 8 выполнены с возможностью подачи на них тока с помощью управляющей схемы, причем направление тока в обеих возбуждающих обмотках 8 установлено так, что противоположные друг другу полюсные наконечники 7 средних плеч 4 образуют разноименные магнитные полюса. Полюсные наконечники внешних плеч 3 и 5 образуют с соседним средним плечом 4 разноименные магнитные полюса.
В воздушном зазоре 2 якорь 10 подвижно подвешен с возможностью реверсирующего движения на двух пружинах 11 между верхней и нижней точками возврата (или правой и левой точками возврата по фиг.7). Положение якоря 10 в верхней точке возврата представлено сплошной линией, а положение в нижней точке возврата представлено пунктирной линией. Пружины 11 являются пластинчатыми пружинами, выштампованными из куска листового металла, с множеством зигзагообразно проходящих плеч 12. Плечи 12 пружины 11 проходят зеркально друг другу от центральной точки приложения силы на якоре 10 к точкам 13 подвеса на непоказанном жестком каркасе, на котором закреплены также опоры 1 и компрессор. Посредством такой конструкции, пружины 11 могут легко деформироваться в продольном направлении якоря 10 и трудно деформироваться в любом ортогональном ему направлении, и, таким образом, пружины 11 реверсирующим образом направляют якорь 10 в его продольном направлении. По существу стержневидный якорь 10 содержит в своей средней области четырехполюсный постоянный магнит 14. В то время как в ненапряженном состоянии пружин 11, в котором плечи 12 каждой пружины 11 лежат по существу в одной плоскости, магнит 14 расположен по центру в воздушном зазоре 2, и граничная линия 15 между его левыми и правыми полюсами по фиг.1 проходит посередине через средние плечи 4, при подачи тока на обмотки 8 якорь 10 в зависимости от направления тока отклоняется влево или вправо.