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氣體軸承的工作原理、特點及典型應用

氣體軸承是以氣體作為潤滑介質(zhì)的一種滑動軸承，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，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合，表現(xiàn)出了優(yōu)越的應用前景。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、特點及典型應用。

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)流器進入軸承間隙形成壓力氣膜，從而實現(xiàn)承載效應。

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，當承載間隙改變時，軸承的氣膜壓力分布與承載力也會隨之改變?？紤]到微塵顆粒尺寸與承載間隙尺寸相近，氣體源要經(jīng)過嚴格過濾才能進入軸承間隙。氣體靜壓軸承設計中節(jié)流器設計是其重要的設計部分，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構。它通過設計不同氣腔來改善節(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的散射效應，但對于較小尺寸狹縫，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、結構簡單及穩(wěn)定性好的特點，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，目前氣體靜壓軸承在紡織、搬運與包裝、半導體、度量儀器、精密機械主軸、渦輪機械、食品加工及醫(yī)療器械方面得到廣泛應用。

2、氣體動壓軸承

氣體動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)，而是利用動壓效應原理工作，如圖3所示。

圖3 動壓潤滑原理

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

圖4 典型氣體動壓軸承結構

刻槽氣體動壓軸承指在軸承或轉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壓軸承氣膜壓力分布及剛度阻尼發(fā)生變化，進而獲得較好的軸承特性；然而，此類軸承特性的改善對槽型依賴性較強，且提升效果有限。

可傾瓦氣體動壓軸承由多塊可以繞其樞軸轉動的軸瓦與軸承體組成，軸瓦可以自適應氣膜力作用改變偏轉狀態(tài)，進而適應轉子的運轉狀態(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較為困難。

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(wěn)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，目前氣體動壓軸承在空氣循環(huán)機、高速渦輪機械、高速透平機械及超低溫冷卻系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)越的應用前景。

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。振子驅動下板高頻振動擠壓間隙內(nèi)的氣體，由于振動速度較快且氣體存在黏滯性，導致間隙內(nèi)一個周期內(nèi)的平均氣壓大于環(huán)境氣壓，進而產(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，軸承結構振動幅值較大，擠壓效應較強，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動振子。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。

當前，對于擠壓膜氣體軸承的研究主要集中在潤滑機理分析和軸承結構改進上。對于潤滑機理的研究主要從兩種理論進行分析，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速對擠壓膜氣體軸承特性的影響，因此，被大多數(shù)研究者采用。對于擠壓膜氣體軸承結構的改進上，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。