一種大型敞開式靜壓氣浮止推軸承

胡英貝，李副來，韓 濤，郝大慶

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著氣體潤滑理論的逐步完善和氣體軸承制造技術的不斷進步，氣體軸承在高速度、高精度、低摩擦、環保性、耐用性等方面顯現出了顯著的優勢。氣浮止推軸承以其低摩擦、低功耗、運行平穩、運動精度高、無發熱、不污染環境以及可工作于極高或極低溫度條件下等優點而被應用于航空、航天、航海等諸多領域。下面介紹一種大型敞開式氣浮止推軸承。

1 結構介紹

工程中通常使用的兩種靜壓氣浮止推軸承的結構如圖1和圖2所示。圖1為單孔節流氣浮止推軸承；圖2為多孔節流氣浮止推軸承。單孔節流軸承是最簡單，最經濟的結構，承載能力和剛度大于多孔節流軸承；但由于其氣腔容積較大，易產生振動，穩定性較差。而環形多孔節流軸承氣腔容積較小，穩定性較高；因此，這里采用圖2所示的軸承結構。

圖1 單孔節流氣浮止推軸承示意圖

圖2 多孔氣浮止推軸承靜態穩定性計算模型

此氣浮止推軸承各結構尺寸及工作參數為：c=650 mm，a=300 mm，b=300 mm，小孔個數n=36，氣室直徑d=8 mm，氣室深度δ=0.2 mm，小孔直徑d0=0.3 mm，氣浮間隙g=0.01 mm，氣浮定子(氣浮上盤)質量m1=1 800 kg；氣浮軸承間隙中高壓氣流的壓力pi=0.27 MPa，進氣壓力ps=0.5 MPa，標準大氣壓pa=0.1 MPa。

在靜壓氣浮軸承設計中，節流器是設計的關鍵，它不僅決定軸承的主要性能，而且涉及到軸承的加工難度。這里選用環形孔式節流器，結構如圖3所示。該節流器小孔孔徑為0.3 mm，這種節流器外徑面被加工成螺紋，安裝非常方便(安裝后節流器排氣端面比氣浮平面低0.2±0.03 mm)。同時，安裝過程中需用螺紋鎖固膠密封，確保螺紋部分沒有氣體溢出。它的優點是：具有較好的穩定性而不容易發生氣錘現象，結構簡單，容易加工。

圖3 環形孔式節流器示意圖

2 承載能力

2.1 承載力計算

氣浮軸承的氣浮承載力F是由內流區、外流區氣浮承載力和大氣壓力綜合作用的結果，則F的計算式為[1]：

(1)

(2)

(3)

對于內流區(a≤r≤b)，則，

對于外流區(b≤r≤c)，則，

式中：p1和p2分別為氣浮止推軸承內流區、外流區的壓力。

由(1)式～(3)式得：

(4)

式中：Kgo為表壓比。表壓比Kgo反映了氣膜的承載能力大小，表壓比越大承載力越大，反之承載力越小。其計算公式為：

將有關參數代入(4)式得：F=93.334 kN，滿足78.4 kN的承載要求。

2.2 靜態穩定性

由圖2可知，氣室總體積及氣膜體積分別為：

Vf=π(c2-a2)g。

代入各相關數據得：

3 加工難點

此軸承的氣浮面為環形，c=650 mm，a=300 mm，如此大的氣浮面對平面度和表面粗糙度要求較高(平面度要在0.005 mm以內，表面粗糙度要在0.4 μm以內)，同時，氣浮上、下盤的平行差要求在0.025 mm內。在加工過程中，各工序的加工應力對工件的尺寸影響較大，為保證工件的精度，此套軸承上、下氣浮盤面在粗車加工后在井式爐中進行40 h 330～350 ℃的人工時效處理，在精車加工后井式爐中進行60 h 230～250 ℃的人工時效處理；并在平面磨加工后進行氮化處理(氮化爐內500 ℃氮化50 h)，最后還進行了人工研磨，確保了上、下氣浮盤面的精度。實踐證明，下盤在設計時應當適當加大厚度,可有效提高工件剛性從而減小尺寸的變形。

4 結束語

此大型氣浮止推軸承的研制成功，為以后設計和加工更大、承載更高的產品摸索出一條道路。通過前期的理論計算進行分析評估，可使產品加工流程化、規范化，降低產品開發和制造成本，減少產品加工周期。