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什么是气体润滑轴承?优缺点是什么?

[ 发布日期:2019-02-15 10:16:13 点击:534 来源:普瑞森(PRS)精密轴承 【打印此文】 【关闭窗口】]
  气体润滑轴承是用气体作为润滑剂的滑动轴承。它利用气体的传输性(扩散性、粘性和热传导性)、吸附性和可压缩性,使之在摩擦副之间,在流体动压应、静压应和挤压应的作用下,形成层完整气膜,具有支承载荷、减少摩擦的功能。

  用气体作润滑剂的滑动轴承,常用的气体润滑剂为空气,根据需要也可用氮、氩、氢、氦或二氧化碳等,在气体压缩机、膨胀机和循环器中,常以工作介质作为润滑剂。气体轴承可用于纺织机械、电缆机械、仪表机床、陀螺仪、高速离心分离机、牙钻、低温运转的制冷机、氢膨胀机和高温运转的气体循环器等。

  制造气体轴承的材料有工具钢、青铜、钨钴钼合金、粉末冶金多孔材料、陶瓷和工程塑料等。

  

  、气体润滑轴承的类别

  气体润滑轴承般分为气体动压轴承、气体静压轴承和气体挤压轴承3种类型。实际轴承的润滑状态常常以动、静压,动、挤压,静、挤压及动、静、挤压混合润滑状态形式存在。

  (1)气体动压轴承

  气体动压轴承也称为自作用轴承,般常就地取材,采用几乎无处不有的空气作为润滑剂。它的气膜压力是靠粘性剪切机理产生的,与液体动压轴承油膜产生的机理类似。当其中个表面相对于另表面运动时,由于粘性作用,气体在两表面间形成气楔,从而产生压力。空气动压轴承是种简单而巧妙的轴承,完自成系统,不需要外压力源或其它附设,适用于高速运转场合。由于在陀螺和核工程中应用而早获得进展的就是这类轴承。

  由于低速下动压膜根本建立不起来,因此,在起动和停车时需格外注意,避免擦伤现象。另外,气体动压轴承还有自激涡动现象,尽量使涡动起始速度处于工作速度上限之外。

  (2)气体静压型

  气体静压轴承也称为外部供压轴承,是目前应用为广泛的种,它的气膜压力由外部气源供给,般常用空气压缩机提供。气体经过节流器进入轴承间隙,然后连续地从轴承外缘排入大气。与气体动压轴承相比,它具有较大的承载力和刚度,稳定性也更容易控制些,而且压力的建立与工作表面之间的任何相对运动无关,可在各种速度下使用,别是利于起动和停车。

  轴承工作表面的精度要求也可适当降低,但工作时必须保证足够的节流器出口压力。静压轴承有时会出现静不稳定现象,俗称“气锤”现象或“啸叫”。由于供气要连续消耗功率,当流量过大时,选用这种轴承就很不经济。

  般气体静压轴承的供气压力不超过0.6兆帕。气体通过供气孔进入气室,然后分数路流经节流器进入轴承和轴颈的间隙,再从两流出轴承,在间隙内形成支承载荷的静压气膜。气体静压轴承的内孔表面般不开气腔,以增大气膜刚度,提高稳定性。


  (3)挤压膜型

  与气体动压轴承类似,挤压膜轴承也与外部气源无关,靠两个工作表面在法线方向上相对振动而在表面间产生压力。至今挤压膜轴承还很少得到实际应用。这在很大程度上是由于产生动压膜压力的运动不是依靠轴承本身的功能,而只由另外的机构,如机电的,磁致伸缩的或压电晶体的振动发生器等产生的,这就给轴承的实际应用带来很大的不便,自然也就很少有人问津了。

  (4)混合轴承

  是动、静压轴承的混合,即有外部气源提供外压,又有两工作表面间的动压应,从而提高了承载能力和刚度。但这时要求轴承的间隙要适当小些,在动压轴承的间隙范围以内。

  事实上,同轴承-般能以三种模式工作,那就是:纯静压式、纯动压式和混合式。如果静压轴承内表面不开气腔,那么当主轴转速达到定程度时,就会产生动压应,形成自然的混合轴承,仅当主轴不转或转速低的场合才能算是纯静压轴承。

  按承受载荷的方向不同,又可分为气体径向轴承、气体推力轴承和气体径向推力组合轴承;

  按支承形式可分为两种类型:刚性支承型和弹性支承型;

  对于气体静压轴示,按共节流形式可分为四类:小孔节流型、狭缝节流型、表面节流型、多孔质材料节流型。

  

  二、气体润滑轴承的应用

  气体润滑轴承在机床中的应用实例:气体润滑轴承在机床中主要用于主轴支承,包括工件轴、刀具轴、砂轮轴等。机床主轴轴承般采用气静压轴承和动静压混合轴承两种。小型高速主轴也可采用波箔轴承。

  气体静压轴承在机床中应用多,其中以小孔节流和环面节流轴承为普遍。多孔质气体静压轴承近年来越来越多地被用于机床主动静压混合润滑轴承。浮环动静压气体轴承是近年来新开发的高速气体润滑轴承,用于高速主轴支承很有前景。超高速空气轴承内圆磨头目前的磨削速度已可实现小孔和微小孔的精密磨削。

  (1)应用于高精度测量仪器。随着超精密加的发展,同时测量仪器也不断发展从而满足精密件的测量要求。测量仪器的工作精度很大部分取决于运动部件的运动精度。气体轴承在惯性导航仪中的应用,正式开启了气体润滑轴承在精密测量仪器中的应用。三坐标主轴及导轨,圆度仪摩擦力矩仪主轴及导轨,从60年代末就采用气体润滑轴承支撑,其精度提高1-2个数量。

  (2)应用于超精密加工中。高的加工精度依赖于工作精度高机床。台机床加工精度取决于高旋转精度及高转速的主轴,还有直线度高无爬行的导轨以及微进给机构。采用了石墨空气轴承起气体润滑轴承在超精机械中得到广泛应用。

  (3)其他行业中的应用。在电子计算机行业中制造大规模集成电路的工作台中采用了空气轴承;在医疗器械中应用于高速牙钻中,同时在纺织机械及食品机械甚至核工业都有应用,足见气体润滑轴承应用之广泛。

  

  三、气体润滑轴承的优缺点

  优点

  ①摩阻低:由于气体粘度比液体低得多,在室温下空气粘度仅为10号机械油的五千分之,而轴承的摩阻与粘度成正比,所以气体轴承的摩阻比液体润滑轴承低。

  ②适用速度范围大:气体轴承的摩阻低,温升低,在转速高达5万转/分时,其温升不超过20~30℃,转速甚至有高达130万转/分的。气体静压轴承还能用于低的速度,甚至零速。小型氦涡轮膨胀机转速已达650 000r/min,线速度为238m/s,按dn值计算已达到455x106mm·r/min。

  ③适用温度范围广:气体能在大的温度范围内保持气态,其粘度受温度影响很小(温度升高时粘度还稍有增加,如温度从20℃升至100℃,空气粘度增加23%),因此,气体轴承的适用温度范围可达-265℃到1650℃。

  ④承载能力低:动压轴承的承载能力与粘度成正比,气体动压轴承的承载能力只有相同尺寸液体动压轴承的千分之几。由于气体的可压缩性,气体动压轴承的承载能力有限值,般单位投影面积上的载荷只能加到0。36兆帕。

  ⑤加工精度要求高:为提高气体轴承的承载能力和气膜刚度,通常采用比液体润滑轴承小的轴承间隙(小于0。015毫米),需要相应地提高零件精度。气膜具有误差匀化作用,其精度比滚动轴承高两个数量,而且振动小,噪声低。

  ⑥无污染:润滑气体般为空气或惰性气体,排放到大气不产生污染。轴承的振动小、噪声低,对环境也不构成污染。

  ⑦寿命长:气体静压轴承无金属直接接触,理论寿命为无限长。考虑其他条件限制,般应在104h以上。动压气体轴承启停瞬间存在金属间摩擦,寿命受定影响,但也在3000h以上。

  

  缺点

  ①承载能力低:气体润滑轴承与同类油润滑轴承比,承载能力约低1~2个数量。按单位面积承载能力,油润滑轴承般为(0.5~2)MPa,而气体润滑轴承则只有(0.02~0.04)MPa。

  ②可靠性差:方面是气体润滑轴承容易失稳,出现常见的气锤振动及涡动不稳定现象。另方面是气体润滑轴承卡滞、抱轴或咬死现象也时有发生。

  ③需要的制造精度高,造价昂贵:因气膜很薄,般在几微米到几十微米之间,所以对零件制造精度要求较高,提高了造价。另外,有加工螺旋槽、节流小孔和多孔质材料等殊工艺要求,增加了制造难度和费用。

  ④要求工作条件苛刻:气体润滑轴承需要高清洁度的工作环境及严格遵守操作规程,以确保轴承正常工作,不发生意外。为此,定程度地限制了它的广泛应用和商品化。
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