空气轴承的原理与应用

、 询 旃 i 、 空气轴承 的原理与应用 湖 南 大 学机 械 与汽车 工程 学 院 ( 4 1 0 0 8 2 ) 郭 力 _。一 空气 轴 承 是 利 用 空 气 弹 性 垫 来 起 支 承 作 用 的一 种新 型 轴承 。基 于 空 气 的 固有 属 性 ( 粘 度低 且 随 温 度 变 化 小 、耐 辐 射 等)， 空气 轴 承 在高速 、低摩擦 、高温 、低温及 有辐 射性 的场 合 ， 显 示 了 独 具 的 优 越 性 。 如 在 高 速 磨 头 、 高 速 离心分 离器 、陀螺 仪表 、原子 反应堆 冷却用 压 缩机 、 电子 计算 机 记忆 装置 等 技 术上， 由于 采用 了空气 轴 承， 突破 了使 用 滚 动轴 承 或油 膜 轴承 所 不 能 解 决 的 困难 。 空气 轴 承 分 为三 太 类 ： 空气 静 压 轴 承 、 空气 动 压轴 承 和 挤压 膜 轴 承 。在 一 般 工业 中， 空 气 静 压 轴 承 用 得 较 广 泛 。 空气 静 压 轴 承， 是 以压缩 空气 通过 节 流器 进 入轴承 形成压 力气膜 来 起支承 作用 的 。其承 载原 理与液 体静压 轴承 基本类 同。基于润 滑剂 性 能方面 的差 异 ( 液 体 是不可压 缩 流体， 粘 度一 般 比空气 的 太23 个 数 量级 )， 两 者 的 设计 理 论 、 结构 、应 用 场 台 自然 各 不 相 同 。 一 、空气静 压 轴承 的特点 与 液 体膜 轴 承 相似 ， 空 气 静压 轴承 气 膜 形 成与 轴 转速 无 关， 而 空气 动压 轴 承 则气 膜 形 成 完全靠轴 转速 。它与 其 它类 型轴 承 比具有如 下 的特 点 ： ( 1) 空气 的粘度 很 低， 因此 摩擦 损 耗小， 发 热 与 变 形 也 极 小 ， 这 对 精 密 机 床 是 特 殊 重 要 的 因 为机 床 的热 变 形 对加 工 精度 的影 响极 为 有 害 。在 空气 静 压 轴 承 中， 空 气 通过 轴承 的压 力 降引起 的冷 却效应 ， 以及空气 粘度 极低 无 论 工 作问隙如 何小， 封气 面 如何大 也 能保持很 小 的温 升 。这对 于 高速 磨床 主 轴轴 承， 高速 透 平 机来说 特 别有价 值 。 空 气 静 压 轴 承 在 超 精 密 和 超 高 速 主 轴 中 的应用 太有前 途 。除空 气的祜 度几乎 可忽略 不 2 0 0 0 年 第 2 期 彻 l 计 外， 它 的清 洁， 化 学上 的惰 性 和稳 定 性 以及 在地 球上 取 之 不 尽 的优 点， 使 它成 为 十分 诱人 的澜 滑 剂 。 ( 2) 与滚 动轴 承 相 比， 字气 静 压 轴 承振 动 小 ， 如 用于 砂 轮 主 轴， 砂 轮 形 状 保 持 性 好， 砂 轮 的修正 次 数和 磨 损可 减 少l31 4： 加 工工 件的表 面粗糙 度 也低 ( 3 ) 其缺 点主要 是承 载能力 低， 刚性差 。 二 、空气 静压轴 承的典 型 结构 ll l 1 V _ | ， 6 1 1 r I l 4 r ， l l I f Q ， - (b J 图L 空气静压轴 承的典 型结构 图l 为空 气静 压轴 承 的两 种典 型 结 构 。在 该 图 中，( a) 为 双列 空气 静 压 径 向静 承( b) 为单 列 空 气 静压 径 向轴 承 。轴承 的 结 构 较苘 67 维普资讯 单 ， 在 圆筒 形轴 套 上 钻 有一 列 或 双 列绕轴 承 圆 周 等 距 排 列 的进 气 孔 。 压 缩 空 气 由外气 源送 到环 绕 轴 承 的储 气 槽 。压 力 空 气 从储 气槽 经 节 流器进 入 轴 和轴 承 之 间 的 间隙， 然 后 沿轴 向 流 至轴 承端 部 排 八大 气 。储 气槽 压 力 等 于气 源 压 力P s 。 当压力 空气 通 过 节 流器 时 压 力下 降 气 流在 间 隙 中压 力 继 续 下 降直至 轴 向端 面 达到环 境压 力 为止 。 空 载 时 轴 和 轴 承 同心 ( 忽 略 主 轴 自重) 。 这 时， 轴 承 周 向 压 力 没 有 变 化 ， 节 流后 的 压 力 处处为P 0 作 用 于轴 颈 上 的压力 相互 平衡 。 当轴 受到 垂直 向下 的载 荷 时，轴 向 下产 生 微 小 位 移 ，轴 承 上 半 部 的 间 隙增 大， 而 轴 承 下半 部 的间 隙减 小 。轴 承 上 半 部对 空气 排 八 大 气 的 阻力 减 小， 压 力P o 降至P 3 ； 轴 承 下半 部对 空气 排 八 大气 的阻 力 增 大， 压 力 则 上 升 到P 这 样 就 有 压 力 差 作 用 于 轴 上 以平 衡 外 载 荷 。 显然 ， 对 双 列 孔 轴 承 ， 轴 向 孔 问 压 力 基本 持 平， 在 轴 承 几何 尺 寸 、问 隙及 供 给 压力 相 同 的条 件 下 、 承 载 能 力 、刚 性 及 流 量 都 比单 列 轴 承 大 ； 而 高 速稳 定性 单 列 轴承 则 比双 列 的 好 。 为 避 免 空 气 的 可 压 缩 性 引 起 的 气 锤 振 动， 空气 静压 轴 承 的节 流 器 都设 置在 轴 承体 紧 接润滑 气 膜 处 因此 轴承 结构 与其 节 流形 式 有直 接 的 关系 。 三 、气 体静 压 轴 承的 节流 形式 圆形 进 气 孔 是 空气 静 压 轴 承 常 见 的 节 流 器， 因为 它 最容 易加 工 。此 外 还有 沟 槽， 毛细 管， 烧 结 轴承 的多 孔质 以及表 面节 流等 节 流 形 式 。 同理 ， 节 流 作 用 发 生 在 通 道 的 最 小 截 面 上 当 气流 通 过二 个 或 数个 面 积大 小 相近 的节 流 面 时 ， 各 节 流 面 都 起 程 度 相 近 的 节 流 作 用 故称之 为二 次节流 和 多 次节流 。 1 孔 式节 流 根据 孔 式最 小 截面 积 的形 式 可 分为环 面 节 流 和 小 孔 节 流 两 种， 见 图2 。当 轴 承 半 径 间 68 国2 孔 式进 气方式 结构 图 隙 小 于节 流 孔 径 的 l 4 时 ( 即h 。 d。 4 即发 生 小 孔 节 流， 无 论 h 为 何 值 ， 节 流 面 积 均 为 A= d。 4 。 同 样 当 ( h+6 ) d。 4， 孔 口与 轴 面表 面间 的环 面 积 A= d。 ( h+6 ) 也 发 生 环 面 节 流 。 当 然， 有 时环 面 节流 还 可 能 发 生在 气腔 口与 轴表 面 间构成 的柱形 或矩 形 表 面积上 ， 甚 至 出现 多 次节 流 。环 面节 流 承载 能 力较 低， 节 流 效 果随 轴 承 的 间隙变 化 而 变 化， 其承 载 能力 一般 只有 小 孔节 流 的23 。矩 形 气 腔 的 小 孔 节 流 比一 般 圆 形 气 腔 的承 载 能 力 还 大 2 5， 但 加 工 困 难 。不 过 目前 已有加 工 方孔 的刀具 。 2 沟槽 节流 淘 槽 节 流 器 结 构 形 成 与 液体 动静 压 中淘 槽 节 流器 的 形 式 完 全 一 致 ( 具 体 见 液 体 动 静压 轴 承 原理 与应 用 一文) 沟槽 节 流器 是 孔 式节 流 器 的逻 辑 发 展 。其 优 点 是 轴 承 性 能 与润 滑 剂物 理特 性 无 关 。值 得 注意 的是 ， 沟 槽 节 流 空气 静 压 轴 承 的 供 气 压 力 受 到 限 制 。当 供 气 压力 高于 某 值 时 沟 槽 节流 和 孔 式节 流 一 样 会 出现 所 谓“ 阻塞 ”现 象， 再 提 高供 气 压力 不 但浪 费能源 ， 而 且对 轴承 性 能不 利 。 3 表面节 流 表 面 节 流， 更 确 切 地 说 是 表 面微 沟 节 流， 是阶 梯节 流 的一 种 形 式 。如 图3 所 示 结 构， 其 原 理 是 ， 浅 的 微 沟 对 称 均 布 于 轴 承 的 支 承 面 上 当 气 流 流 过 微 沟 时 在 其 台阶 处 发 生 节 流 作 用 类 似 于 浅 油 腔 液 体 动 静 压 轴 承 节 流机 磨床 与磨削 维普资讯 沟 图 3 表 面 节 流 的 结 构 理 。 ( 见 作 者 液 体 动 静 压 轴 承原 理 与应 用 文 ) 表 面 节 流 的 主 要 优 点 是 克 服 了 加 工 小 孔 的 困难 ， 使 轴 承 间 隙 可 做 得 更 小 ， 从 而 获 得 承 载 能 力 和 刚 性 更 高 的 轴 承 目 前， 表 面 节 流研 究 工 作在 国 内外 蓬 勃 开展 。 日 本在 八十 年代 至九 年代 一直 发展表 面节 流空 气静 压 轴承 工 作， 取得 了 不少 成果 。国 内 目前 也 开展表 面节 流 空气 静 压 轴 承研 究， 据 报道 目 前 已开发一 种 由压 电传 感器作 为控制元 件 的主 动 控 制表 面节 流 器 的空 气 静 压轴 承， 其承 载 能 力 和 罔 ll 度 比 没 有 控 制 的 高 出 三 倍 以上 。 表 面节 流 已成 为空气轴 承发 展方 向 。 值 得 指 出 的是， 空气 静 压轴 承在 高速 、大 偏 ， 情 况 下会 产 生 很 大 的 动 压 效 应 ， 因 此 严 格 的说这 时应叫 空气动 静压轴 承 。空气动 静压轴 承 分 析 方 法 参 见 文 献 1 。 四 、空气 静压 轴承的应 用 空 气 静 压 主 轴 形 式 有 电 主 轴 、 涡 轮 主 轴、及 皮带和 联轴 节传动 的机 床主轴 。 如 一 种 空 气 静 压 电主 轴 、 转 速 为 每 分 钟 9 万 转 ， 主 要 用 于 磨 加 工 高 压 油 泵 的 精 密 偶 件 。 一 种 每 分 钟 l 3 万 转 的 空 气 静 压 涡 轮 主 轴， 主要用 于 喷油嘴 偶件 的磨加 工 。 一 般 而 言， 空气静 压涡 轮 主轴 多用 于 磨削 柴油机 油嘴零 件或 高速钻 床 。而空气静 压 电主 轴 多 用于 磨 削批 量大 ， 精 度 高 的场合 。磨 削加 工 微 型 轴 承 内 径 沟 道 和 滚 道 用 的 高速 砂 轮 轴， 转速 在 L 5 万转 分之 内。 空气 静 压 电 主 轴 已在我 国不 少工 厂 和 部 门应用 。实践证 明这 种主轴 精度高 、寿命 长 、 温 升低 ， 很 受欢 迎 。而 沟橹 节 流 宅气 静压 轴 承 支承 的 电主 轴， 刚性 大， 高速 稳 定 性 好， 已稳 定 用于 生产 多年， 效 果 较理想 可 以预 见， 随着 性 能优 良的 空气 静 压 轴 承开 发 ( 如表 面 节流 空 气 静压 轴 承 )， 空 气 轴 承在 高速 、 高精 度 加 工 领 2 0 0 0 年 第 2 期 域 将 有 更 广 泛 的 怍 用 。 五、结束 语 我 们 这次 轴 承技 术讲 座 ， 向大家 介 绍 了各 种轴承 的原 理 与应用 。为 了使大家有 一个总的 印象， 在表1 中列 出 了磨床 砂 轮主轴 用 各种 轴承 性能 的一般 比较 。 从表 L 中可 看 出滚动 轴 承 的耐 磨 性在 各类 轴 承 中最差 。事 实上 ， 滚 动轴 承 最 突 出的 问题 是精 度 和寿 命的闽题 。 轴 承 的 刚 性 、 磨 削 性 能 等 以 电磁 轴 承 为 最 佳， 液体 静压， 动静 压轴承 次之 。 加 工 费用 以 电磁轴 承 为 最高， 所 以选择 轴 承时要 周全考虑 。 表l 磨 床砂 轮主轴用 各种轴 承性能 比较 液体静 压 液体动 压 空气静压 滚动轴承 电磁 轴 轴 承 轴 承 轴承 承 径 向刚性 良 由 劣 由 良 振动衰_威率 由 良 劣 由 良 耐磨性 良 稍 劣 良 劣 良 使用速度范围 由 稍 劣 良 中 良 加工费用 高 由 高 便 宜 很 高 使用成本 局 稍 高 中 由 很 高 瞎削性能 良 中 中 由 良 空转动力 中 劣 良 中 良 在 对 材料 的要求 上， 静 压轴 承 比动 压轴承 要 求低 。动 压 轴承 的间隙一 般均 比静压轴承 的 小， 在工 作 全 过程 又 不可