一種大型敞開(kāi)式靜壓氣浮止推軸承

胡英貝，李副來(lái)，韓 濤，郝大慶

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著氣體潤(rùn)滑理論的逐步完善和氣體軸承制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，氣體軸承在高速度、高精度、低摩擦、環(huán)保性、耐用性等方面顯現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。氣浮止推軸承以其低摩擦、低功耗、運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)精度高、無(wú)發(fā)熱、不污染環(huán)境以及可工作于極高或極低溫度條件下等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域。下面介紹一種大型敞開(kāi)式氣浮止推軸承。

1 結(jié)構(gòu)介紹

工程中通常使用的兩種靜壓氣浮止推軸承的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1為單孔節(jié)流氣浮止推軸承；圖2為多孔節(jié)流氣浮止推軸承。單孔節(jié)流軸承是最簡(jiǎn)單，最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，承載能力和剛度大于多孔節(jié)流軸承；但由于其氣腔容積較大，易產(chǎn)生振動(dòng)，穩(wěn)定性較差。而環(huán)形多孔節(jié)流軸承氣腔容積較小，穩(wěn)定性較高；因此，這里采用圖2所示的軸承結(jié)構(gòu)。

圖1 單孔節(jié)流氣浮止推軸承示意圖

圖2 多孔氣浮止推軸承靜態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算模型

此氣浮止推軸承各結(jié)構(gòu)尺寸及工作參數(shù)為：c=650 mm，a=300 mm，b=300 mm，小孔個(gè)數(shù)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(pán))質(zhì)量m1=1 800 kg；氣浮軸承間隙中高壓氣流的壓力pi=0.27 MPa，進(jìn)氣壓力ps=0.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓pa=0.1 MPa。

在靜壓氣浮軸承設(shè)計(jì)中，節(jié)流器是設(shè)計(jì)的關(guān)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(huán)形孔式節(jié)流器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該節(jié)流器小孔孔徑為0.3 mm，這種節(jié)流器外徑面被加工成螺紋，安裝非常方便(安裝后節(jié)流器排氣端面比氣浮平面低0.2±0.03 mm)。同時(shí)，安裝過(guò)程中需用螺紋鎖固膠密封，確保螺紋部分沒(méi)有氣體溢出。它的優(yōu)點(diǎn)是：具有較好的穩(wěn)定性而不容易發(fā)生氣錘現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工。

圖3 環(huán)形孔式節(jié)流器示意圖

2 承載能力

2.1 承載力計(jì)算

氣浮軸承的氣浮承載力F是由內(nèi)流區(qū)、外流區(qū)氣浮承載力和大氣壓力綜合作用的結(jié)果，則F的計(jì)算式為[1]：

(1)

(2)

(3)

對(duì)于內(nèi)流區(qū)(a≤r≤b)，則，

對(duì)于外流區(qū)(b≤r≤c)，則，

式中：p1和p2分別為氣浮止推軸承內(nèi)流區(qū)、外流區(qū)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(jì)算公式為：

將有關(guān)參數(shù)代入(4)式得：F=93.334 kN，滿(mǎn)足78.4 kN的承載要求。

2.2 靜態(tài)穩(wěn)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(guān)數(shù)據(jù)得：

3 加工難點(diǎn)

此軸承的氣浮面為環(huán)形，c=650 mm，a=300 mm，如此大的氣浮面對(duì)平面度和表面粗糙度要求較高(平面度要在0.005 mm以?xún)?nèi)，表面粗糙度要在0.4 μm以?xún)?nèi))，同時(shí)，氣浮上、下盤(pán)的平行差要求在0.025 mm內(nèi)。在加工過(guò)程中，各工序的加工應(yīng)力對(duì)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(pán)面在粗車(chē)加工后在井式爐中進(jìn)行40 h 330～350 ℃的人工時(shí)效處理，在精車(chē)加工后井式爐中進(jìn)行60 h 230～250 ℃的人工時(shí)效處理；并在平面磨加工后進(jìn)行氮化處理(氮化爐內(nèi)500 ℃氮化50 h)，最后還進(jìn)行了人工研磨，確保了上、下氣浮盤(pán)面的精度。實(shí)踐證明，下盤(pán)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大厚度,可有效提高工件剛性從而減小尺寸的變形。

4 結(jié)束語(yǔ)

此大型氣浮止推軸承的研制成功，為以后設(shè)計(jì)和加工更大、承載更高的產(chǎn)品摸索出一條道路。通過(guò)前期的理論計(jì)算進(jìn)行分析評(píng)估，可使產(chǎn)品加工流程化、規(guī)范化，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造成本，減少產(chǎn)品加工周期。