氣體軸承的工作原理、特點(diǎn)及典型應(yīng)用

氣體軸承是以氣體作為潤滑介質(zhì)的一種滑動(dòng)軸承，其潤滑膜厚度通常在亞微米到幾十微米之間，其承載表面具有多樣性，如剛性或柔性、光滑或刻槽、平面或其他形狀表面等。由于氣體具有黏度低、黏溫特性好且耐輻射的特點(diǎn)，使得氣體軸承在高速、高精密、低摩擦、低功耗、高低溫以及有輻射等特殊場(chǎng)合，表現(xiàn)出了優(yōu)越的應(yīng)用前景。按其工作原理可以將氣體軸承分為氣體靜壓軸承、氣體動(dòng)壓軸承和擠壓膜氣體軸承。下面將分別介紹這三種軸承的工作原理、特點(diǎn)及典型應(yīng)用。

1、氣體靜壓軸承

氣體靜壓軸承也被稱為外部供壓氣體軸承，其工作原理如圖1所示。外部供氣系統(tǒng)為軸承提供高壓氣體，壓縮氣體通過節(jié)流器進(jìn)入軸承間隙形成壓力氣膜，從而實(shí)現(xiàn)承載效應(yīng)。

圖1 靜壓潤滑原理

為了確保氣體靜壓軸承獲得較好的特性，要求承載間隙較小，通常間隙值為5～20 μm，當(dāng)承載間隙改變時(shí)，軸承的氣膜壓力分布與承載力也會(huì)隨之改變?？紤]到微塵顆粒尺寸與承載間隙尺寸相近，氣體源要經(jīng)過嚴(yán)格過濾才能進(jìn)入軸承間隙。氣體靜壓軸承設(shè)計(jì)中節(jié)流器設(shè)計(jì)是其重要的設(shè)計(jì)部分，直接影響軸承的性能。根據(jù)氣體靜壓軸承的節(jié)流形式（如圖2）可將其分為小孔節(jié)流氣體靜壓軸承、表面節(jié)流氣體靜壓軸承、狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承和多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓軸承等。

圖2 軸承節(jié)流形式

小孔節(jié)流氣體靜壓軸承是最早提出的氣體靜壓軸承結(jié)構(gòu)。它通過設(shè)計(jì)不同氣腔來改善節(jié)流作用，通常氣膜壓力不受承載間隙變化的影響，具有較好的靜態(tài)剛度，但其穩(wěn)定性較差，且節(jié)流器加工難度大，易出現(xiàn)堵塞。

表面節(jié)流氣體靜壓軸承通過表面微溝槽產(chǎn)生節(jié)流作用，其克服了小孔加工的困難，使軸承間隙更小。

狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承指氣體通過軸承套上狹縫進(jìn)入軸承間隙起節(jié)流作用的一種軸承，該軸承降低了氣體流動(dòng)的散射效應(yīng)，但對(duì)于較小尺寸狹縫，其加工難度大，精度難易保證。

多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓軸承采用多孔材料作為軸承表面，外部氣體通過多孔材料內(nèi)部大量微小氣孔進(jìn)入軸承表面，形成承載壓力氣膜。該軸承具有承載力大、剛度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但節(jié)流性能受多孔材料滲透系數(shù)影響較大，難以保證。

基于以上特點(diǎn)，目前氣體靜壓軸承在紡織、搬運(yùn)與包裝、半導(dǎo)體、度量儀器、精密機(jī)械主軸、渦輪機(jī)械、食品加工及醫(yī)療器械方面得到廣泛應(yīng)用。

2、氣體動(dòng)壓軸承

氣體動(dòng)壓軸承又稱自作用軸承，相比于氣體靜壓軸承，它不再需要外部氣源供氣系統(tǒng)，而是利用動(dòng)壓效應(yīng)原理工作，如圖3所示。

圖3 動(dòng)壓潤滑原理

兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面形成一定收斂間隙，運(yùn)動(dòng)表面的高速移動(dòng)將具有黏滯性的氣體帶入楔形間隙產(chǎn)生壓力升，進(jìn)而產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子的承載力，承載力的大小隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。楔形間隙、潤滑氣膜厚度及氣體的黏滯性是形成動(dòng)壓效應(yīng)的關(guān)鍵條件。由于擺脫了對(duì)氣源供氣系統(tǒng)的依賴，使得氣體動(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本降低。但是，在啟停階段轉(zhuǎn)速較低、動(dòng)壓效應(yīng)較弱時(shí)，不足以產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子的支撐力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與軸承內(nèi)壁接觸，產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦磨損，直接影響軸承的壽命。此外，氣體動(dòng)壓軸承還存在阻尼特性差，轉(zhuǎn)子過臨界難的問題。針對(duì)以上問題，研究者通過開發(fā)耐磨涂層或設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)形式的軸承來解決此問題。其中比較有代表性的氣體動(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)形式有刻槽氣體動(dòng)壓軸承、可傾瓦氣體動(dòng)壓軸承、箔片氣體動(dòng)壓軸承，如圖4所示。

圖4 典型氣體動(dòng)壓軸承結(jié)構(gòu)

刻槽氣體動(dòng)壓軸承指在軸承或轉(zhuǎn)子表面刻有不同槽型以改善承載特性與穩(wěn)定性的一類氣體軸承，刻槽的引入使得氣體動(dòng)壓軸承氣膜壓力分布及剛度阻尼發(fā)生變化，進(jìn)而獲得較好的軸承特性；然而，此類軸承特性的改善對(duì)槽型依賴性較強(qiáng)，且提升效果有限。

可傾瓦氣體動(dòng)壓軸承由多塊可以繞其樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸瓦與軸承體組成，軸瓦可以自適應(yīng)氣膜力作用改變偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)而適應(yīng)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，此類軸承具有較高的穩(wěn)定性，但其加工和理論分析相對(duì)較為困難。

箔片氣體動(dòng)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(yīng)氣體動(dòng)壓軸承，利用柔性支承結(jié)構(gòu)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(wěn)定性及缺乏可靠的軸承性能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方法是此類軸承目前所面臨的主要問題。

基于以上特點(diǎn)，目前氣體動(dòng)壓軸承在空氣循環(huán)機(jī)、高速渦輪機(jī)械、高速透平機(jī)械及超低溫冷卻系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)越的應(yīng)用前景。

3、擠壓膜氣體軸承

擠壓膜氣體軸承的工作原理如圖5所示。振子驅(qū)動(dòng)下板高頻振動(dòng)擠壓間隙內(nèi)的氣體，由于振動(dòng)速度較快且氣體存在黏滯性，導(dǎo)致間隙內(nèi)一個(gè)周期內(nèi)的平均氣壓大于環(huán)境氣壓，進(jìn)而產(chǎn)生作用于上板的懸浮力。

圖5 擠壓潤滑原理

擠壓膜氣體軸承通常工作在軸承體諧振頻率下，在此頻率下，軸承結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值較大，擠壓效應(yīng)較強(qiáng)，能夠獲得較好的懸浮承載特性。目前多采用壓電陶瓷片、壓電疊堆、換能器振子作為擠壓氣體軸承的驅(qū)動(dòng)振子。提升承載力與可靠性是擠壓膜氣體軸承需要解決的主要問題。

當(dāng)前，對(duì)于擠壓膜氣體軸承的研究主要集中在潤滑機(jī)理分析和軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)上。對(duì)于潤滑機(jī)理的研究主要從兩種理論進(jìn)行分析，分別是聲輻射理論和流體潤滑理論。由于流體潤滑理論便于分析轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓膜氣體軸承特性的影響，因此，被大多數(shù)研究者采用。對(duì)于擠壓膜氣體軸承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上，研究者分別提出了擠壓膜氣體線性軸承、擠壓膜氣體推力軸承、擠壓膜氣體球軸承、擠壓膜氣體徑向軸承，如圖6所示。

圖6 擠壓膜氣體軸承結(jié)構(gòu)

由于擠壓氣體軸承發(fā)展相對(duì)較為緩慢，當(dāng)前在工程實(shí)際中的應(yīng)用較少，主要有非接觸懸浮導(dǎo)軌、非接觸傳輸系統(tǒng)、陀螺儀及懸浮離合器等。

4、結(jié)束語

除以上氣體軸承類型外，不同工作原理的混合型軸承也被研究者相繼提出，如動(dòng)靜壓混合氣體軸承、磁氣混合軸承等。氣體軸承不僅具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而且軸承形式多樣，隨著氣體軸承理論與應(yīng)用技術(shù)的研究逐步完善、日趨成熟，其在工業(yè)生產(chǎn)中也將發(fā)揮越來越大的作用。

（來源：軸承雜志社）