某精密測量儀器用空氣軸承的設計及試驗驗證

郝大慶，李副來，張煒，胡英貝

(洛陽軸研科技股份有限公司 儀器開發部，河南 洛陽 471039)

空氣軸承是將外部壓縮空氣導入空氣軸承的間隙中，借助形成的壓力氣膜支承載荷并減小摩擦實現平穩運轉的[1]。用于圓柱形零件精密測量儀旋轉主軸的空氣軸承是軸頸軸承和止推軸承的聯合形式[2-4]，相對于傳統的滾動軸承，能夠使精密儀器的精度提高2個數量級?？諝廨S承是該測量儀的關鍵部件，其精度決定著儀器的精度。下文將敘述該種空氣軸承的設計過程，并對軸承的承載力和精度進行試驗驗證。

1 主要設計指標

軸承轉速范圍為1～10 r/min；圓度誤差為0.025 μm；軸向載荷不小于1 500 N；徑向載荷不小于400 N。

2 確定空氣軸承的類型

空氣軸承的類型可分為動壓軸承、擠壓膜軸承和靜壓軸承[5]。

動壓軸承是一種完全自成系統的軸承，與外壓力源及其他設備無關，在陀螺和核工程中最早獲得應用。但因其加工精度高，成本昂貴，承載力低，尚未得到廣泛應用。

擠壓膜軸承與外部氣源無關，壓力是在軸承表面之間由方向與軸承表面垂直的振動產生。

靜壓軸承通稱為外部供壓空氣軸承，氣體由氣源經節流器進入軸承間隙形成氣膜，然后連續地從軸承外邊緣排到周圍大氣中。

綜合考慮加工能力、設計經驗和成本等各因素，本案確定選用靜壓軸承。靜壓軸承的節流形式及其優缺點見表1[1]。

表1 幾種靜壓軸承節流形式對比

由表1可知，小孔節流和環面節流是應用較多的節流形式，參照文獻[6]所做的試驗與分析，確定該靜壓軸承采用小孔節流的形式。

3 軸承結構設計

軸承總體結構為徑向-止推聯合型軸承，使用時為立式，結構如圖1所示。圖中上、下止推板和軸套組成了止推軸承，主軸和軸套組成了徑向軸承。

1—下止推板；2—進氣口；3—上止推板；4—主軸；5，8—軸向節流孔；6—徑向節流器；7—軸套

根據文獻[7]可知，供氣孔直徑越小,軸承剛度越大，但對軸承精度要求也較高，相應的零件加工難度和成本也會提高。根據現有的加工能力將供氣孔直徑定為d=0.3 mm，軸向氣膜間隙設計為h=0.02 mm。通常軸承承載力隨著供氣孔個數的增加而增大，考慮設計指標要求的承載力不小于1 500 N，將供氣孔個數設定為n=12，即上、下止推板上各單列環形分布12個噴嘴，這樣能夠提高軸承在最大靜剛度點時的氣膜間隙值，從而降低軸承的加工難度，滿足軸向氣膜間隙h=0.02 mm的設計要求。

徑向軸承小孔供氣共4排，每排12個孔，結構如圖2所示。

圖2 徑向軸承結構示意圖

根據文獻[1]中的徑向和軸向承載力計算式估算軸承的承載力。靜壓氣體軸承徑向靜態承載力近似計算式為

W=CiLD(ps-pa)，

(1)

靜壓氣體平板止推多孔軸承靜態承載力近似計算式為

(2)

式中：Ci為承載系數，根據文獻[1]雙排孔取0.25；ps為進氣壓力，取0.36 MPa;pa為噴嘴出口壓力，取0.1 MPa；r1為止推軸承平板中間孔半徑，取20 mm，r2為止推軸承平板半徑，取90 mm；L=2L*(圖2)，取120 mm；D為徑向軸承內徑，取80 mm。

由(1)和(2)式可得，軸承理論徑向承載力為624 N，理論軸向承載力為1 840 N。計算結果均大于設計值，滿足要求。

4 軸承承載力驗證

檢測空氣軸承承載力的方法是直接在軸承的徑向和軸向施加載荷，然后檢測軸承的氣膜間隙，以判斷軸承是否浮起。

4.1 軸承徑向靜態承載力驗證

試驗加載方式如圖3所示。

1—扭簧表;2—軸套;3—主軸

試驗平臺由2個大理石平板組成，要求平板的平面度在0.005 mm以下。試驗環境溫度要求為(20±1)℃。試驗前先用水平儀把2個平板調整至同一高度，誤差不超過0.01 mm，大理石平板與支架之間裝有橡膠墊，以隔離地面傳來的振動。試驗時把軸承放置到平臺上固定好，通入0.36 MPa高壓過濾空氣；在軸套上方靠近中間位置放置1個精度為0.001 mm的扭簧表，表的測頭接觸軸套表面，通氣前記錄表的讀數，通氣后加載砝碼前再記錄表讀數，2個讀數之差為軸承空載時(未加砝碼時只有軸套的質量)的氣膜間隙(主軸與軸套上部的間隙)。

加載時用1根兩端帶有掛鉤的細鋼絲掛在軸套上順著軸套兩邊垂下，掛鉤上掛有相同質量的2個砝碼，掛上砝碼后須保持軸套不動，表的測頭始終測量軸套上的1個固定點，鋼絲置于軸套的中間位置(圖3)，加載砝碼重量為指標要求的最大加載400 N減去軸套重量220 N，即加載力為180 N，這里取整為200 N，以便于選取砝碼，此時記錄表的讀數。如前所述重復3次，每次試驗過程都須切斷氣源后再通氣和加載，測量數據見表2。由表可知，加載到200 N時平均間隙為1.3 μm，此時軸承還能正常旋轉。當砝碼重量增加到250 N時軸承已經不能浮起，可以判斷軸承徑向承載力不小于400 N，達到設計指標要求。

表2 軸承徑向間隙測量值 μm

4.2 軸承軸向靜態承載力驗證

參考文獻[8]方法設計的軸承軸向試驗加載裝置如圖4所示。試驗平臺與軸承徑向試驗所用平臺一致，試驗環境溫度為(20±1)℃，進氣壓力為0.36 MPa，在軸承主軸下方安裝1個精度為0.001 mm的扭簧表，表頭接觸到主軸中心點位置。試驗時將載荷施加于上止推面上，當加載到1 800 N(指標要求為1 500 N)時，軸承仍能夠正常運轉，試驗重復3次，試驗數據見表3。當載荷增加到2 010 N時軸承不再浮起。

圖4 軸向試驗加載裝置示意圖

表3 軸承軸向間隙測量值 μm

5 圓度誤差測量

儀器整機裝配完成后即可對所設計軸承的圓度誤差進行測量。軸承測試系統如圖5所示，軸承和精密旋轉軸由1個柔性聯軸節連接，聯軸節可以消除2根軸安裝偏心引起的旋轉誤差。精密軸系由電動機通過具有一定減速比的同步帶輪和皮帶驅動，精密軸驅動空氣軸承以穩定的轉速運轉。電氣方面包括電動機驅動電路、1個電感傳感器以及相應的信號處理電路和1臺電腦。用1粒標定圓度誤差為0.03 μm的玻璃球對軸承進行圓度測量，測量時將傳感器測頭接觸到玻璃球表面，并調整玻璃球和軸承的旋轉中心偏心誤差在1 μm以內，設定轉速為5 r/min，啟動電動機進行測量。測得的整機圓度誤差為0.05 μm，由此可推算出主軸的圓度誤差為0.02 μm，表明軸承設計完全滿足指標要求。

圖5 空氣軸承測試圖

6 結束語

設計的空氣主軸軸承包含軸頸軸承和止推軸承，根據設計參數分別計算了軸頸軸承和止推軸承的承載力，并對成品軸承進行了承載力加載試驗和圓度誤差測量，結果顯示軸承各參數值均在設計指標內，完全可以滿足儀器的使用要求。

設計的軸承徑向和軸向承載力均比指標要求的高，其中徑向載荷為624 N，軸向載荷為1 840 N，雖然增加了成本，但可以提高使用安全系數。對比加載試驗與理論計算結果可以看出，止推軸承理論計算結果與實際承載相差11%；而徑向承載力兩者相差約31%。產生誤差的原因可能是零件存在加工誤差或軸承結構設計不太合理，如節流孔直徑、節流孔數目以及節流孔的布局等，這些將在以后同類產品的設計中給予關注。