氣體軸承的工作原理、特點及典型應用

氣(qi)體(ti)軸(zhou)承(cheng)(cheng)是(shi)以氣(qi)體(ti)作(zuo)為(wei)潤(run)滑介質的一(yi)種(zhong)滑動(dong)軸(zhou)承(cheng)(cheng)，其(qi)(qi)(qi)潤(run)滑膜(mo)厚度通常(chang)在亞微米到幾十(shi)微米之間，其(qi)(qi)(qi)承(cheng)(cheng)載表(biao)面(mian)具(ju)有(you)多樣性，如(ru)剛性或(huo)柔性、光滑或(huo)刻槽、平(ping)面(mian)或(huo)其(qi)(qi)(qi)他形(xing)狀表(biao)面(mian)等。由于氣(qi)體(ti)具(ju)有(you)黏度低(di)(di)、黏溫特(te)性好且(qie)耐輻射的特(te)點，使得(de)氣(qi)體(ti)軸(zhou)承(cheng)(cheng)在高(gao)速、高(gao)精密(mi)、低(di)(di)摩擦(ca)、低(di)(di)功耗(hao)、高(gao)低(di)(di)溫以及(ji)有(you)輻射等特(te)殊場合，表(biao)現出(chu)了優越的應用前景。按其(qi)(qi)(qi)工作(zuo)原(yuan)理(li)可以將(jiang)氣(qi)體(ti)軸(zhou)承(cheng)(cheng)分為(wei)氣(qi)體(ti)靜壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)、氣(qi)體(ti)動(dong)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)和擠(ji)壓膜(mo)氣(qi)體(ti)軸(zhou)承(cheng)(cheng)。下面(mian)將(jiang)分別介紹這三種(zhong)軸(zhou)承(cheng)(cheng)的工作(zuo)原(yuan)理(li)、特(te)點及(ji)典型應用。

1、氣體靜壓軸承

氣(qi)體靜壓(ya)(ya)(ya)軸(zhou)承也被稱為外(wai)部(bu)供壓(ya)(ya)(ya)氣(qi)體軸(zhou)承，其(qi)工(gong)作原理(li)如圖(tu)1所示。外(wai)部(bu)供氣(qi)系統為軸(zhou)承提供高壓(ya)(ya)(ya)氣(qi)體，壓(ya)(ya)(ya)縮氣(qi)體通過節流器(qi)進入軸(zhou)承間(jian)隙(xi)形成壓(ya)(ya)(ya)力氣(qi)膜，從而實現承載效(xiao)應。

圖1 靜壓潤滑(hua)原理

為了確保氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)獲得較好的(de)(de)(de)特性(xing)，要(yao)求承(cheng)(cheng)載(zai)間隙(xi)較小，通(tong)常間隙(xi)值為5～20 μm，當承(cheng)(cheng)載(zai)間隙(xi)改變時，軸(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)膜(mo)壓力分(fen)布與承(cheng)(cheng)載(zai)力也會(hui)隨之(zhi)改變。考慮(lv)到(dao)微塵顆粒尺寸與承(cheng)(cheng)載(zai)間隙(xi)尺寸相(xiang)近，氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)源要(yao)經(jing)過(guo)嚴格過(guo)濾才能進入軸(zhou)承(cheng)(cheng)間隙(xi)。氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)設計中節流(liu)(liu)器設計是其(qi)重要(yao)的(de)(de)(de)設計部分(fen)，直接影響(xiang)軸(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)性(xing)能。根據氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)節流(liu)(liu)形式(shi)（如圖2）可將其(qi)分(fen)為小孔(kong)節流(liu)(liu)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)、表面節流(liu)(liu)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)、狹縫(feng)節流(liu)(liu)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)和多(duo)孔(kong)質節流(liu)(liu)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)靜(jing)壓軸(zhou)承(cheng)(cheng)等。

圖2 軸承節流形式

小孔節(jie)流(liu)(liu)氣體(ti)靜(jing)壓(ya)(ya)軸承(cheng)是最早提出的氣體(ti)靜(jing)壓(ya)(ya)軸承(cheng)結構。它通過設計不(bu)同(tong)氣腔來(lai)改善節(jie)流(liu)(liu)作用，通常氣膜壓(ya)(ya)力不(bu)受承(cheng)載間隙變化的影響，具(ju)有(you)較好的靜(jing)態(tai)剛(gang)度，但其穩(wen)定性較差，且節(jie)流(liu)(liu)器加工難度大，易出現堵塞。

表面節流(liu)氣體(ti)靜壓軸(zhou)(zhou)承通過表面微溝槽(cao)產生節流(liu)作(zuo)用，其克(ke)服(fu)了(le)小孔加工的(de)困難，使(shi)軸(zhou)(zhou)承間(jian)隙(xi)更小。

狹縫節流(liu)氣體靜(jing)壓軸(zhou)(zhou)承(cheng)指氣體通(tong)過軸(zhou)(zhou)承(cheng)套上狹縫進(jin)入軸(zhou)(zhou)承(cheng)間隙起節流(liu)作用的(de)一種軸(zhou)(zhou)承(cheng)，該(gai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)降低了(le)氣體流(liu)動(dong)的(de)散射效應，但對(dui)于較(jiao)小尺寸狹縫，其加工難(nan)(nan)度(du)大，精度(du)難(nan)(nan)易保(bao)證。

多(duo)孔質節(jie)流氣體(ti)靜壓(ya)軸(zhou)承采(cai)用多(duo)孔材(cai)料作(zuo)為軸(zhou)承表面(mian)，外部(bu)氣體(ti)通過多(duo)孔材(cai)料內部(bu)大量微小氣孔進(jin)入(ru)軸(zhou)承表面(mian)，形(xing)成(cheng)承載壓(ya)力氣膜(mo)。該軸(zhou)承具(ju)有承載力大、剛度(du)高(gao)、結構簡單及穩(wen)定性好的特(te)點，但(dan)節(jie)流性能受(shou)多(duo)孔材(cai)料滲透系數(shu)影響(xiang)較大，難(nan)以保證(zheng)。

基于以上(shang)特點，目前氣體(ti)靜壓(ya)軸承在紡織、搬(ban)運與(yu)包裝、半導體(ti)、度量儀器、精密機(ji)械(xie)主軸、渦輪(lun)機(ji)械(xie)、食品加工及(ji)醫(yi)療器械(xie)方面(mian)得到廣泛應用。

2、氣體動壓軸承(cheng)

氣體動壓軸(zhou)承(cheng)又(you)稱自作用(yong)軸(zhou)承(cheng)，相(xiang)比于氣體靜壓軸(zhou)承(cheng)，它不再需要(yao)外部氣源供氣系(xi)統，而是利用(yong)動壓效應(ying)原理工作，如圖3所示。

圖(tu)3 動壓潤滑原理(li)

兩相(xiang)對(dui)運(yun)動(dong)(dong)表(biao)面(mian)形成一定收斂間隙，運(yun)動(dong)(dong)表(biao)面(mian)的(de)高速(su)移動(dong)(dong)將具有(you)黏滯性的(de)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)帶入楔形間隙產生壓力(li)升，進而產生作用于(yu)轉(zhuan)(zhuan)子的(de)承(cheng)(cheng)載力(li)，承(cheng)(cheng)載力(li)的(de)大(da)小隨轉(zhuan)(zhuan)速(su)的(de)增加而增加。楔形間隙、潤滑(hua)氣(qi)(qi)(qi)膜(mo)厚度及氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)黏滯性是形成動(dong)(dong)壓效應的(de)關(guan)鍵條件。由于(yu)擺脫了對(dui)氣(qi)(qi)(qi)源(yuan)供(gong)氣(qi)(qi)(qi)系統的(de)依賴，使得(de)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)結構(gou)簡單、成本(ben)降(jiang)低(di)。但是，在啟停階(jie)段(duan)轉(zhuan)(zhuan)速(su)較(jiao)低(di)、動(dong)(dong)壓效應較(jiao)弱(ruo)時(shi)，不足以產生作用于(yu)轉(zhuan)(zhuan)子的(de)支撐力(li)，導致(zhi)轉(zhuan)(zhuan)子與(yu)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)內壁(bi)接(jie)觸(chu)，產生嚴重的(de)摩擦(ca)磨(mo)損，直接(jie)影響(xiang)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)壽命。此(ci)外，氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)還存(cun)在阻(zu)尼特性差，轉(zhuan)(zhuan)子過臨界難的(de)問(wen)題。針(zhen)對(dui)以上(shang)問(wen)題，研究者通(tong)過開發耐(nai)磨(mo)涂(tu)層或設計不同結構(gou)形式(shi)的(de)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)來解決此(ci)問(wen)題。其中比較(jiao)有(you)代(dai)表(biao)性的(de)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)結構(gou)形式(shi)有(you)刻槽氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、可(ke)傾(qing)瓦氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)、箔片(pian)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)，如圖(tu)4所示。

圖4 典型(xing)氣(qi)體動壓軸承(cheng)結(jie)構(gou)

刻槽氣(qi)體動壓軸(zhou)承(cheng)指在軸(zhou)承(cheng)或(huo)轉子表(biao)面(mian)刻有不同槽型以改(gai)善(shan)承(cheng)載特性與穩定性的(de)(de)一類氣(qi)體軸(zhou)承(cheng)，刻槽的(de)(de)引入使得(de)氣(qi)體動壓軸(zhou)承(cheng)氣(qi)膜壓力(li)分布及剛度(du)阻尼發生(sheng)變化，進(jin)而獲得(de)較好的(de)(de)軸(zhou)承(cheng)特性；然而，此類軸(zhou)承(cheng)特性的(de)(de)改(gai)善(shan)對槽型依賴性較強(qiang)，且提升效(xiao)果(guo)有限。

可傾(qing)瓦(wa)氣(qi)體動(dong)(dong)壓軸(zhou)(zhou)承由多塊可以繞其(qi)樞軸(zhou)(zhou)轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)的軸(zhou)(zhou)瓦(wa)與軸(zhou)(zhou)承體組(zu)成，軸(zhou)(zhou)瓦(wa)可以自適應氣(qi)膜力(li)作用改(gai)變偏(pian)轉(zhuan)(zhuan)狀態(tai)，進(jin)而適應轉(zhuan)(zhuan)子的運轉(zhuan)(zhuan)狀態(tai)，因此(ci)，此(ci)類軸(zhou)(zhou)承具有(you)較高的穩定性，但其(qi)加工和理論分析相對較為困難(nan)。

箔片氣體動壓軸承是一種以單層或多層彈性金屬箔片為柔性支承表面的自適應氣體動壓軸承，利用柔性支承結構彈性變形和庫倫摩擦為軸承提供剛度和阻尼，具有較高的d_mn值；但承載力低、啟停階段摩擦磨損、高速穩定性及缺乏可靠的軸承性能預測和設計方法是此類軸承目前所面臨的主要問題。

基于以上特點，目(mu)前氣體動壓軸承在(zai)空氣循環機(ji)、高速(su)渦(wo)輪機(ji)械(xie)、高速(su)透平機(ji)械(xie)及超低溫冷卻系統(tong)中表現出優越的應用前景。

3、擠(ji)壓(ya)膜氣體軸(zhou)承

擠壓(ya)膜氣(qi)體(ti)軸承的工作原理如圖5所示。振子(zi)驅動下板高頻振動擠壓(ya)間隙內的氣(qi)體(ti)，由(you)于振動速度較快且(qie)氣(qi)體(ti)存在黏滯(zhi)性，導(dao)致間隙內一(yi)個周期內的平均氣(qi)壓(ya)大于環境(jing)氣(qi)壓(ya)，進而產(chan)生作用(yong)于上板的懸浮(fu)力(li)。

圖5 擠壓潤滑原理

擠壓(ya)膜氣體(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)通常工作在(zai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)體(ti)諧振頻(pin)率(lv)下(xia)，在(zai)此頻(pin)率(lv)下(xia)，軸(zhou)(zhou)承(cheng)結(jie)構振動(dong)幅值較大，擠壓(ya)效應較強，能夠獲得(de)較好的(de)懸浮承(cheng)載(zai)特性。目前多采用壓(ya)電陶瓷(ci)片、壓(ya)電疊(die)堆(dui)、換能器振子(zi)作為擠壓(ya)氣體(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)的(de)驅動(dong)振子(zi)。提升承(cheng)載(zai)力與(yu)可靠性是擠壓(ya)膜氣體(ti)軸(zhou)(zhou)承(cheng)需要(yao)解決(jue)的(de)主要(yao)問(wen)題。

當(dang)前，對(dui)(dui)于(yu)擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)軸(zhou)(zhou)承的(de)研(yan)(yan)究主要(yao)集(ji)中在潤(run)滑機(ji)理(li)(li)分析(xi)(xi)(xi)和軸(zhou)(zhou)承結(jie)(jie)構(gou)(gou)改進上。對(dui)(dui)于(yu)潤(run)滑機(ji)理(li)(li)的(de)研(yan)(yan)究主要(yao)從(cong)兩種理(li)(li)論進行分析(xi)(xi)(xi)，分別(bie)是聲輻射理(li)(li)論和流體(ti)潤(run)滑理(li)(li)論。由于(yu)流體(ti)潤(run)滑理(li)(li)論便于(yu)分析(xi)(xi)(xi)轉速對(dui)(dui)擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)軸(zhou)(zhou)承特(te)性的(de)影響，因(yin)此，被(bei)大多(duo)數(shu)研(yan)(yan)究者采用。對(dui)(dui)于(yu)擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)軸(zhou)(zhou)承結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)改進上，研(yan)(yan)究者分別(bie)提出了擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)線性軸(zhou)(zhou)承、擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)推力(li)軸(zhou)(zhou)承、擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)球軸(zhou)(zhou)承、擠(ji)壓(ya)膜(mo)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)徑向軸(zhou)(zhou)承，如圖6所(suo)示。

圖6 擠壓膜氣體軸承結構

由于擠壓氣體(ti)軸承發(fa)展相對較(jiao)為緩慢，當前(qian)在(zai)工(gong)程實際(ji)中(zhong)的應用較(jiao)少，主要有非接觸懸浮(fu)導軌、非接觸傳輸系統、陀(tuo)螺儀(yi)及(ji)懸浮(fu)離合器等。

4、結束語

除以(yi)上(shang)氣(qi)體軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)類型外(wai)，不(bu)同(tong)工(gong)作原理的(de)(de)(de)混(hun)合(he)型軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)也(ye)被研(yan)究者相繼提出，如動(dong)靜(jing)壓混(hun)合(he)氣(qi)體軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)、磁(ci)氣(qi)混(hun)合(he)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)等。氣(qi)體軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)不(bu)僅具有許多獨(du)特(te)的(de)(de)(de)優點(dian)，而且(qie)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)形式(shi)多樣，隨著氣(qi)體軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)理論(lun)與應(ying)用(yong)技術的(de)(de)(de)研(yan)究逐(zhu)步完善(shan)、日趨成(cheng)熟，其在(zai)工(gong)業生產(chan)中也(ye)將發(fa)揮越來越大(da)的(de)(de)(de)作用(yong)。

（來源：軸承雜志社）