ГАЗОВЫЙ УПОРНЫЙ ПОДШИПНИК И КОМПРЕССОР С УПОМЯНУТЫМ ГАЗОВЫМ УПОРНЫМ ПОДШИПНИКОМ
GAS AXIAL BEARING AND COMPRESSOR WITH SAID GAS AXIAL BEARING

Область техники
Настоящее изобретение относится к газовому упорному подшипнику согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к линейному компрессору, в котором применяется такой газовый упорный подшипник.
Уровень техники
Радиально действующие газовые упорные подшипники воспринимают силы, действующие на тело, подвижно держащееся в подшипниковой втулке, например на вал или на поршень, посредством того, что они через маленькие отверстия в стенке подшипниковой втулки подают находящийся под давлением газ равномерно в зазор между телом и втулкой так, что возникающая газовая подушка предотвращает соприкосновение тела с подшипниковой втулкой.
Если вследствие радиально действующей силы тело радиально сдвигается относительно подшипниковой втулки, то зазор между телом и подшипниковой втулкой уменьшается в направлении действия силы, и газовая подушка в суженной области зазора сжимается, в то время как область зазора на противоположной стороне тела становится шире, а газовая подушка там соответственно расширяется. Вследствие этого перепада давлений возникает возвратное усилие, которое становится тем больше, чем сильнее радиальное отклонение тела и тем самым перепад давлений между двумя областями зазора (пружинный эффект). Сила пружинного эффекта (жесткость) газового упорного подшипника по существу определяется поперечным сечением питающих отверстий. Чем меньше поперечное сечение, тем эффективнее предотвращается противоток газа. Чем меньше эффект противотока, тем сильнее увеличение давления вследствие радиального сдвига тела и тем выше поэтому восстанавливающая сила (жесткость).
Чем меньше диаметр питающих отверстий, тем меньше через питающие отверстия расход газа, требующийся для удовлетворительного подшипникового эффекта. Минимизация расхода газа имеет большое значение в особенности, например, для опирания поршня компрессора. При этом сжатый компрессором газ используется для работы газового упорного подшипника, а большой расход газа ухудшает коэффициент полезного действия компрессора.
Поэтому по различным причинам будет желательным сделать диаметр питающих отверстий в подшипниковой втулке газового упорного подшипника настолько маленьким, насколько это возможно.
Просверленные отверстия, имеющие размер в диапазоне нескольких сотых миллиметра, могут изготавливаться сегодня с помощью импульсных лазерных лучей или с помощью электроэрозионной обработки. Однако при этом особую роль для повышения качества и экономичности отверстия играет отношение диаметра к длине отверстия (отношение диаметра d к длине отверстия L). Для промышленного изготовления согласно уровню техники отношение диаметра к длине соотношение составляет максимум 1:20. Более высокое отношение диаметра к длине, составляющее до 1:40 в случае подходящего выбора материала, является при определенных обстоятельствах достижимым, однако из-за этого возрастают расходы, связанные с достижением одинаковой точности изготовления отверстий.
Если практически реализуемый диаметр d питающих отверстий равен 30 мкм, а отношение диаметра к длине составляет 1:20, то толщина L стенок втулки не должна превышать 0,6 мм. Механическая обработка такой тонкостенной втулки экстремально трудная, так как силы, необходимые для крепления и обработки, очень легко могут деформировать втулку, изготовленную с высокой точностью. Решение, которое улучшает неизменяемость формы втулки и тем не менее способствует образованию маленьких питающих отверстий, состоит в том, чтобы вытачивать в изначально толстостенной втулке на внешней поверхности по окружности желобок, вследствие чего толщина стенки втулки в области желобка уменьшается, а затем создавать питающие отверстия в днище желобка. Однако и здесь возникает проблема, состоящая в том, что втулка, стенки которой очень тонкие в области желобка, подвержена опасности быть деформированной вследствие сил, возникающих при резании. На практике это приводит к тому, что приходится сохранять также в области желобка такую большую остаточную толщину стенки, что при сохранении отношения диаметра к длине отверстия, равного 1:20, изготавливаемые питающие отверстия имеют нежелательно большой диаметр, или должны быть созданы отверстия с высоким отношением диаметра к длине и с ограниченной точностью воспроизведения. Это приводит к неравномерному распределению газовой подушки между подшипниковой втулкой и опирающимся на нее телом и тем самым к ограниченно надежному подшипниковому эффекту.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать подшипниковую втулку, имеющую точно воспроизводимые маленькие питающие отверстия и высокую стабильность формы, а также создать возможность применения такой подшипниковой втулки.
Задача решается посредством газового упорного подшипника с корпусом, содержащим подшипниковую втулку, которая имеет корпус втулки, определяющий продольную ось и содержащий множество выполненных на внешней стороне корпуса втулки углублений и с множеством капиллярных отверстий, проходящих от днища одного из этих углублений через корпус втулки к его внутренней поверхности, причем корпус втулки отличается тем, что в каждом сечении, проходящем поперек продольной оси через одно из капиллярных отверстий, имеет локально более высокую толщину стенки, чем в непосредственном окружении отверстия. В то время как в обычной подшипниковой втулке проходящий по охвату желоб имеет небольшую толщину стенки, остающуюся одинаковой по всему поперечному сечению, предложенная изобретением локально увеличенная толщина стенки способствует повышенной нагружаемости подшипниковой втулки, в особенности относительно крутящих моментов с вектором крутящего момента, параллельным продольной оси.
Согласно первому варианту реализации изобретения углубления представляют собой глухие отверстия, диаметр которых больше, чем диаметр капиллярных отверстий, и капиллярные отверстия выходят из днища каждого глухого отверстия.
С помощью такого варианта реализации достигается очень высокая стабильность формы подшипниковой втулки, так как толщина стенки корпуса втулки вне глухих отверстий при необходимости может быть выбрана большой. Однако изготовление этой подшипниковой втулки будет сравнительно затратным, так как каждое питающее отверстие, проходящее через корпус втулки, должно быть выполнено в два шага - сперва должно быть выполнено глухое отверстие, а затем выполнено капиллярное отверстие. При выполнении глухого отверстия глубина сверления должна контролироваться с высокой точностью.
Согласно более простому в изготовлении варианту реализации углубления представляют собой сегментообразные выемки на цилиндрической внешней поверхности гильзы. Они легко изготавливаются с неизменяющейся глубиной проникновения посредством, например, того, что подшипниковая втулка размещается на столе для обработки и нарезается круглой пилой или фрезерной головкой, выступ которой над поверхностью стола чуть меньше, чем толщина стенок корпуса втулки.
В этом варианте реализации капиллярное отверстие предпочтительно проходит в разрезе поперек продольной оси посередине от днища выемки, так как там оставшаяся толщина стенки самая маленькая.
Далее, целесообразным будет, если несколько указанных выемок будут соединены в один желоб, проходящий по охвату на внешней поверхности, так как в этом случае достаточно будет одного-единственного соединенного с желобом питающего прохода, чтобы снабжать сжатым газом все выходящие из желоба капиллярные отверстия.
Днища выемок образуют предпочтительно в разрезе правильный многоугольник.
Не только в случае вышеуказанных сегментообразных выемок будет целесообразным, если углубления являются частью по меньшей мере одного желоба, проходящего по охвату на внешней поверхности, с глубиной, меняющейся в направлении охвата, чтобы способствовать общему снабжению сжатым газом всех капиллярных отверстий, отходящих от желоба.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации корпус втулки имеет в разрезе поперек продольной оси форму зубчатого колеса, причем от каждого промежутка между зубцами отходит одно из капиллярных отверстий.
Зубцы и промежутки между зубцами образуют предпочтительно в разрезе изогнутый контур.
Форма зубчатого колеса, в особенности форма зубчатого колеса с изогнутым контуром, легко достигается посредством точения осциллирующим токарным резцом.
В случае газового упорного подшипника с подшипниковой втулкой описанного выше типа и с корпусом, в который входит подшипниковая втулка, предпочтительно на внутренней поверхности корпуса выполнен по меньшей мере один канал, через который связано друг с другом множество углублений, чтобы способствовать общему снабжению множества отверстий сжатым газом.
Канал расширен предпочтительно в направлении продольной оси, а углубления, связанные друг с другом через канал, находятся на расстоянии друг от друга в направлении продольной оси. В особенности, соединенные друг с другом углубления могут относиться к различным желобам, проходящим по охвату.
Предметом изобретения является также линейный компрессор, в котором применяется подшипниковая втулка и/или описанный выше газовый упорный подшипник.
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 предложенного изобретением линейного компрессора.
Фиг.2: радиальный разрез линейного компрессора вдоль плоскости, обозначенной II-II на фиг.1.
Фиг.3: разрез подшипниковой втулки линейного компрессора вдоль плоскости, обозначенной III-III на фиг.3, согласно первому варианту реализации.
Фиг.4: радиальный разрез линейного компрессора согласно второму варианту реализации.
Фиг.5: аксонометрическая проекция фрагмента подшипниковой втулки согласно второму варианту реализации.
Фиг.6: аналогичный фиг.4 разрез согласно третьему варианту реализации изобретения.
Осуществление изобретения
Показанный на фиг.1 линейный компрессор имеет корпус 1 с цилиндрической оболочкой 2, которая на конце закрыта торцом 3. Всасывающий патрубок 4 с обратным клапаном 5 проходит через торец 3 во внутреннюю полость корпуса 1. В этой полости ко внутренней поверхности оболочки 2 прилегает цилиндрическая подшипниковая втулка 6, которая вместе с торцом 3 ограничивает рабочую камеру 7. В ней с возможностью сдвига в направлении продольной оси 9 подшипниковой втулки 6 выполнен поршень 8. Направленное от торца 3 движение поршня 8 всасывает сжимаемый газ через всасывающий патрубок 4 в рабочую камеру 7. Движение поршня 8 на торец 3 сжимает газ и подает его затем в напорный патрубок 10, в котором расположен второй обратный клапан 11.
Вниз по потоку от обратного клапана 11 в торце 3 выполнена распределительная камера 12. Преобладающая часть сжимаемого газа покидает распределительную камеру 12 через напорный патрубок 13. Меньшая часть газа течет в каналы 14, которые проходят вдоль внутренней поверхности оболочки 2 в осевом направлении и связаны со множеством питающих отверстий 15, проходящих через корпус подшипниковой втулки 6. Питающие отверстия 15 выполнены в виде внешних глухих отверстий 16, глубина которых точно рассчитана так, чтобы между днищем каждого глухого отверстия 16 и внутренней стороной гильзы гарантировать наличие оставшейся стенки толщиной, например, 0,6 мм. Капиллярное отверстие 17 диаметром, например, 30 мкм проходит от днища каждого глухого отверстия 16 через корпус подшипниковой втулки 6 до рабочей камеры 7. Через капиллярные отверстия 17 сжатый газ попадает из распределительной камеры 12 обратно в рабочую камеру 7, где он образует газовую подушку, которая держит поршень 8 без контакта с подшипниковой втулкой 6 и таким образом способствует движению поршня 8 по существу без трения.
Фиг.2 показывает разрез торца 3 компрессора на высоте распределительной камеры 12. Выходящие оттуда каналы 14 могут быть, в принципе, в любом количестве, требуемом для снабжения всех питающих отверстий 15 сжатым газом, как это частично показано заштрихованными контурами.
Фиг.3 показывает радиальный разрез подшипниковой втулки 6 вдоль плоскости III-III по фиг.1. Множество питающих отверстий 15, в данном случае 12 штук, равномерно распределено по окружности подшипниковой втулки 6. Чтобы снабжать эти, а также и другие питающие отверстия 15, лежащие в других плоскостях, параллельных показанной плоскости разреза, соответствующее число каналов 14 распределено по внутренней стороне оболочки 2 и соединено с распределительной камерой 12.
Фиг.4 показывает разрез вдоль плоскости III-III согласно второму варианту реализации изобретения. На внешней поверхности подшипниковой втулки 6 резанием или фрезерованием выполнено множество узких, имеющих сегментообразную форму углублений 18, одно из которых для наглядности показано выступающим штрихпунктирной ограничительной линией. Углубления 18, которые идут внахлест друг с другом и таким образом создают проходящий по охвату желоб 21, уменьшают поперечное сечение подшипниковой втулки 6 в показанной плоскости разреза до правильного многоугольника, в данном случае до двенадцатиугольника. При этом от середины каждой стороны многоугольника через корпус подшипниковой втулки 6 к рабочей камере 7 проходит капиллярное отверстие 17. Следствием многоугольной формы является то, что площадь поперечного сечения подшипниковой втулки 6 в плоскости сечения и тем самым жесткость втулки 6 больше, чем в случае обычной подшипниковой втулки, у которой капиллярные отверстия отходят от проходящего по охвату желоба постоянной глубины. Увеличение площади поперечного сечения тем больше, чем меньше количество углов многоугольника. Это пояснено с помощью шестиугольного контура, который для сравнения изображен пунктирным. Так как отдельные углубления 18 на углах многоугольника соединены друг с другом и так образуют проходящий по окружности желоб 21 переменной глубины, достаточным будет небольшое число каналов 14, чтобы снабжать сжатым газом все капиллярные отверстия 17. Они могут, как показано на фиг.2, проходить вдоль внутренней поверхности оболочки 2. На фиг.4 они выполнены в самой подшипниковой втулке 6, в виде углублений 18 посредством фрезерования или резания. Вместо показанных на фиг.4 двух каналов может быть достаточно и одного канала.
Фиг.5 показывает для наглядности аксонометрическую проекцию подшипниковой втулки 6, разрезанной на высоте проходящего по окружности желоба 21, выполненного на высоте одного из углублений 18. Видно множество находящихся на оси на расстоянии друг от друга проходящих по охвату желобов 21 и каналов 14, соединяющих желоба 21 друг с другом и с распределительной камерой 12.
Согласно показанному на фиг.6 третьему варианту реализации находящиеся на оси на расстоянии друг от друга проходящие по охвату желоба 21, один из которых виден на фигуре в разрезе, выполнен на внешней поверхности подшипниковой втулки 6 посредством токарной обработки токарным резцом, осциллирующим в радиальном направлении подшипниковой втулки. Благодаря тому что частота осцилляции токарного резца установлена превышающей в 12 раз частоту вращения подшипниковой втулки 6, получается зубчатая форма поперечного сечения с двенадцатью зубцами 19 и двенадцатью промежутками 20 между зубцами 19. После того как толщина стенки подшипниковой втулки 6 вследствие токарной обработки в самых глубоких местах промежутков 20 между зубцами 19 уменьшена до желаемой величины 0,6 мм, там создаются капиллярные отверстия 17. Лежащие между ними зубцы 19 гарантируют большую площадь поперечного сечения подшипниковой втулки 6 в плоскости сечения и тем самым высокую стабильность формы. Канал 14 для снабжения капиллярных отверстий 17 сжатым газом может, как показано на фиг.2, проходить вдоль внутренней поверхности оболочки 2 или в качестве отверстия через оболочку 2, либо же, как показано на фиг.4 и 5, быть вырезанным или выфрезерованным в подшипниковой втулке 6. Возможно также обрабатывать внешнюю поверхность подшипниковой втулки по всей ее длине с помощью осциллирующего токарного резца, чтобы таким образом создавать между остающимися необработанными полосами внешней поверхности продольные каналы 14, которые соединяют проходящие по охвату желоба 21 с распределительной камерой.