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　　维普资讯 、 询 彻 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 (410082) 郭 力 l ● ● _ _ ’ ’ 。 — 一 空气轴承是 利用空气弹性垫来起支承作 计外，它 的清洁，化学上 的惰性和稳 定性 以及 用 的一种新型轴承 。基于空气 的固有属性 (粘 在地球上取之不尽 的优 点，使它成为十分诱人 度低且 随温度变化小 、耐辐射等)，空气轴承 的澜滑 剂。 在高速 、低摩擦 、高温 、低温及有辐射性 的场 (2)与滚 动轴承相 比，字气静压轴承振动 合，显示 了独 具 的优 越 性 。如在 高速 磨头 、高 小 ，如用于砂轮主轴，砂轮形状保持性好，砂轮 速离心分离器 、陀螺仪表 、原子反应堆冷却用 的修正次数和磨损可减少l／3～1／4：加工工 压缩机 、电子计算机记忆 装置等技术上，由于 件的表面粗糙度也低 采用 了空气轴承，突破 了使用滚动轴承或油膜 (3)其缺 点主要是承载能力低，刚性差 。 轴承 所不能解决 的 困难 。空气轴承分 为三太 二 、空气静压轴承的典型结构 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 ll／ ／ ／l1V ／ 泛 。 _， 6 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 1 1r I 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 l 4 般 比空气 的太2～3个数量级)，两 者 的设计理 ／ r／ ／，llI／ 论 、结构 、应 用场台 自然 各不相 同。 f Q ， 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 (bJ 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 图L 空气静压轴承的典型结构 机来说 特别有价值 。 图l为空气静压轴 承 的两种典型结构 。在 空气静压轴 承在超精密和超高速主轴 中 该 图中，(a)为双列 空气静压 径 向静承．(b) 的应用太有前途 。除空气的祜度几乎可忽略不 为单列空气静压 径 向轴承 。轴承 的结构较苘 2000年 第 2期 ·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Ps。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 国2 孔式进气方式结构图 达到环境压力为止 。 隙小于节流孔径 的l／4时 (即h。d ／4) 即 空载时．轴和轴承 同心 (忽略主轴 自重)。 发生环 面节流 ，其 节 流面积 为一 圆柱表 面积 这 时，轴承周 向压力没有变化，节 流后 的压力 A= d。h，国2(a)所 示 。在 图2(b)中有气 处处为P0 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 腔 ，当气腔深度6d。／4．即发生小孔节流，无 生微小位移 ，轴承上 半部 的间隙增 大，而轴 论 h为 何 值 ，节 流 面 积 均 为 A= d。／4。 同 承 下半 部 的间 隙减小 。轴承上 半部对 空气排 样．当 (h+6)d。／4，孔 口与轴面表面间的环 八大气 的阻力减 小，压力Po降至P3；轴承 下半 面 积 A= d。(h+6)也 发 生 环 面 节 流 。 当 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 然，有时环面节流还可能发生在气腔 口与轴表 荷 。 面间构成 的柱形或矩 形表面积上，甚至出现 多 显然，对 双列孔轴承，轴 向孔 问压力基本 次节流 。环面节流承载 能力较低，节流效果随 持平，在轴承几何尺寸、问隙及供给压力相 同 轴承的间隙变化而变化，其承载能力一般只有 的条件下、承载能力 、刚性及流量都 比单 列 小孔节 流 的2／3。矩 形气腔 的小孔节 流 比一 轴承大；而高速稳 定性 单列轴承 则比双 列的 般 圆形气腔 的承 载 能力还大25％，但加工 困 好 。 难 。不过 目前 已有加工方孔 的刀具 。 为避 免空气 的可压 缩性 引起 的气锤 振 2．沟槽节流 动，空气 静压轴承的节流器都设置在轴承体紧 淘槽节流器结构形成与液体 动静压 中淘 接润滑气膜处 因此．轴承 结构与其节流形式 槽节流器 的形式完全一致 (具体 见 《液体动 有直接 的关系 。 静压轴承原理与应用 》一文) 沟槽节流器 是 三 、气体静压轴承的节流形式 孔 式节流器 的逻辑发展 。其优 点是轴承性能 圆形进气孔是 空气静压轴承常见的节流 与润滑剂物理特性无关 。值得注意 的是 ，沟槽 器，因为它最容 易加工 。此外．还有沟槽，毛细 节流 空气静压轴承的供气压力受到限制 。当 管，烧结轴承 的多孔质 以及表 面节流等节流形 供气压力高于某值时．沟槽节流和孔式节流一 式 。 样会 出现所谓 “阻塞 ”现象，再提高供气压力 同理 ，节 流作 用发 生在 通道 的最小 截面 不但浪费能源，而且对轴承性能不利。 上．当气流通过二个或数个面积大小相近 的节 3．表面节流 流 面 时，各 节 流 面都 起 程 度 相 近 的节 流 作 表面节流，更确切地说是表 面微沟节流， 用．故称之为二 次节流和多次节流 。 是阶 梯节 流 的一 种形式 。如 图3所示结构，其 1．孔式节流 原理是 ，浅 的微沟 对称 均布 于轴承 的支承 面 根据孔式最小截面积 的形式 ．可分为环面 上 ．当气流流过微沟 时．在其 台阶处发生节流 节流和小孔节流 两种，见 图2。当轴承半径 间 作 用 类 似于 浅油腔 液体动 静压 轴承节 流机 · 68 · 磨《床与磨削》 维普资讯 沟 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 图3 表 面节 流 的结构 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 理 。 (见 作者 《液体动静压轴 承原 理与应 性能的一般 比较 。 用 》～文) 表 面节流 的主要优 点是克服 了 从表 L中可看 出滚动轴承 的耐磨性在各类 加工小孔 的困难，使轴承间隙可做得更小，从 轴 承 中最差 。事实上 ，滚动轴承最突 出的 问题 而 获 得 承 载 能力 和 刚性 更 高 的轴 承 目 是精度和寿命的闽题 。 前，表面节流研究工作在 国内外蓬勃开展 。 日 轴承 的刚性 、磨 削性能等 以电磁轴承为 本在八十年代至九 年代一直发展表面节流空 最佳，液体静压，动静压轴承次之 。 气静压轴承工作，取得 了不少成果 。国内 目前 加工费用 以电磁轴承为最高，所 以选择轴 也开展表 面节流空气静压轴承研究，据报道 目 承时要周全考虑 。 前 已开发一种 由压 电传感器作为控制元件 的主 表l磨床砂轮主轴用各种轴承性能 比较 动控制表 面节流器 的空气静压轴承，其承载能 液体静压液体动压 空气静压 滚动轴承 电磁 轴 力和 罔ll度 比没有控制 的高出三倍 以上 。表 面节 轴承 轴承 轴承 承 流 已成为空气轴承发展方 向。 径向刚性 良 由 劣 由 良 值得指 出的是，空气静压轴承在 高速 、大 振动衰_威率 由 良 劣 由 良 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 耐磨性 良 稍 劣 良 劣 良 承分析方法 参见文献 [1]。 使用速度范围 由 稍 劣 良 中 良 四、空气静压轴承的应用 加工费用 高 由 高 便 宜 很 高 空 气 静 压主 轴 形 式 有 电主 轴 、 涡轮 主 使用成本 局 稍 高 中 由 很 高 轴、及皮带和联轴节传动 的机床主轴 。 瞎削性能 良 中 中 由 良 如一种空气静压 电主轴 、转速为每分钟 空转动力 中 劣 良 中 良 9万转，主要用 于磨加工高压油泵 的精密偶件 。 一 种 每 分钟 l3万转 的空 气 静 压 涡 轮 主 在对材料 的要求上，静压轴承 比动压轴承 轴，主要用于喷油嘴偶件 的磨加工 。 要求低 。动压轴承 的间隙一般均 比静压轴承 的 一 般而言，空气静 压涡轮主轴多用于磨削 小，在工作全过程又不可避免地会发生主轴与 柴油机油嘴零件或高速钻床 。而空气静压 电主 轴承表面 间的接触，除制造精度要求高外米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台，还要 轴多用于磨 削批 量大 ，精度高 的场合 。磨 削加 考虑材料 的耐磨性 以及配对材料 的相容性，包 工