氣體靜壓軸承專利技術綜述

吳瓊

摘 要：氣體潤滑軸承具有摩擦損耗極小、運動精度高、振動小、無污染等一系列優(yōu)點，因而在精密工程、空間技術、電子精密儀器、醫(yī)療器械及核子工程等領域中，有十分廣闊的應用前景。本文通過國內外專利申請的客觀數(shù)據(jù)，對氣體靜壓軸承的發(fā)展脈絡進行了梳理，并對國內外專利申請的趨勢、地域分布及重要申請人進行了分析。

關鍵詞：氣體靜壓軸承；小孔節(jié)流；狹縫；多孔質；專利申請

1. 氣體靜壓軸承的原理與特點

氣體靜壓軸承的結構和工作原理與液體滑動軸承類似，不同的是采用氣體作為潤滑介質。當外部壓縮氣體通過節(jié)流器進入軸承間隙，就會在間隙中形成一層具有一定承載能力和剛度的潤滑氣膜，依靠該氣膜的潤滑支承作用將軸浮起在軸承中。工作時，由于潤滑間隙自始至終充滿著壓力氣體，在支承件的起動或停止工作時無固體接觸。

與傳統(tǒng)滾動軸承或油膜潤滑軸承相比，氣體靜壓軸承具有以下優(yōu)點：

（1）幾乎無摩擦、磨損小、壽命長；

（2）運轉平滑、精度高；

（3）耐高、低溫性能好，抗輻射能力強，可應用于極端工況例如低溫、制冷或核工業(yè)領域；

（4）清潔度高，無污染。

2. 氣體靜壓軸承的技術分支

采用外壓供氣是氣體靜壓軸承的基本工作方式，節(jié)流器是其關鍵結構，按節(jié)流機制的不同主要可分為以下三個分支：

2.1 小孔節(jié)流式

氣體流經(jīng)小孔而形成壓力降的節(jié)流裝置稱為小孔式節(jié)流器，是氣體靜壓軸承使用最廣泛的一種節(jié)流形式。

2.2 狹縫節(jié)流式

氣體流經(jīng)狹縫而形成壓力降的節(jié)流裝置稱為狹縫式節(jié)流器。狹縫式節(jié)流器中起節(jié)流作用的部分為狹縫，產(chǎn)生承載能力的部分稱為承載氣膜。具有這種結構的軸承具有很小的長徑比，結構尺寸?。煌】坠?jié)流比較具有很小的擴散損失；動態(tài)穩(wěn)定性較好；但是狹縫易被污染物堵塞。

2.3 多孔質節(jié)流式

多孔質材料通常由金屬或者非金屬小顆粒燒結而成。氣體由氣源經(jīng)顆粒間孔隙流至軸承工作面而造成壓力降的節(jié)流裝置為多孔質式節(jié)流器。具有該結構的氣體軸承承載能力較高、且剛度、穩(wěn)定性能好、結構簡單；但是該類軸承間隙較大，在確定滲透率時很有難度，壓力的確定涉及非常復雜的函數(shù)，加工時孔隙易堵塞。

除了上述類型的氣體靜壓軸承，還有毛細管節(jié)流、彈性節(jié)流靜壓軸承。

3. 氣體靜壓軸承的發(fā)展歷程

從專利申請情況來看，全球氣體靜壓軸承的發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了四個階段，如圖1所示。

3.1萌芽期（1930～1959）

從1897年到大約1950年，由于技術水平的限制、應用需求不旺盛等原因，對氣體軸承僅有少量理論與試驗研究，主要研究成就是使“氣體作為一種潤滑劑”這種設想變成了現(xiàn)實。在專利申請方面，1930年美國人PENICK EDWARD第一個申請了氣體靜壓軸承的專利，隨后BAYER、IBM等公司陸續(xù)發(fā)明多種新型的氣體靜壓軸承結構，如小孔節(jié)流式、狹縫節(jié)流式、多孔質節(jié)流式軸承等。

3.2 緩慢發(fā)展階段（1960～1964）

1950年到20世紀70年代末，由于計算機的出現(xiàn)及數(shù)字計算技術的進步，且出于航空航天等高新技術發(fā)展的需要，氣體軸承的理論和實驗研究獲得了飛速發(fā)展。氣體軸承的專利申請量也隨之增加，而多數(shù)是對早期申請的改進。

3.3 停滯階段（1965～1998）

這一時期，理論和試驗研究的氣氛非常活躍，氣體軸承的應用領域也從航空航天領域拓展到民品領域；氣體軸承的靜態(tài)特性被成功掌握，而動態(tài)特性方面的研究也取得一定進展。

該時期的專利申請量趨于穩(wěn)定，其中小孔節(jié)流式靜壓軸承的申請量居多，而狹縫節(jié)流、多孔質節(jié)流式氣體軸承由于自身的優(yōu)點也越來受到重視，申請量僅次于小孔式節(jié)流氣體軸承，這標志著氣體靜壓軸承技術已趨于成熟。

3.4 快速發(fā)展期（1999至今）

伴隨計算機及計算技術的快速發(fā)展，優(yōu)化設計、計算機輔助設計等現(xiàn)代化設計方法在氣體軸承設計中獲得應用，以前的經(jīng)驗設計被理論設計逐步取代。

隨著應用范圍的不斷擴大，對氣體靜壓軸承的性能提出了更高要求，因而對氣體潤滑中提高剛度、穩(wěn)定性的研究、對慣性力影響的研究、對超音速現(xiàn)象的軸承空氣動力學研究、對帶彈性元件的氣體軸承研究、對過渡狀態(tài)的分析等成為氣體軸承研究的重要課題，從而衍生出了更加新型的氣體靜壓軸承結構。例如，著重對氣體靜壓軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行改進的專利申請代表有：2002年韓國人PARK.J.G提出的“一種沿軸承圓周方向具有不同寬度狹縫的靜壓氣體軸承”，利用軸承剛度非對稱性來提高軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2006年韓國人RHO B H提出的“一種小孔供氣靜壓氣體軸承”，該軸承的供氣孔在軸承圓周方向不對稱分布，能提高轉子-軸承系統(tǒng)的最大轉速，改善轉子的振動特性； 2007年英國GSI公司提出“一種空氣靜力軸承”，通過節(jié)流噴嘴繞軸承的圓周方向不對稱布置，使得在使用中繞軸承產(chǎn)生不均勻的壓力分布以產(chǎn)生減振作用。

4.國內外專利申請分析

通過對全球專利申請進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，氣體靜壓軸承領域專利申請量最多的國家是美國（約370件），其次是日本、德國、歐洲等國，反映了這些國家在該領域研究較早、較成熟的真實情況。

進一步地，通過外文專利庫的檢索和統(tǒng)計，得到該領域全球重要申請人的專利申請排名情況，前15名申請人中有7位是日本申請人，其中日本OILES工業(yè)株式會社的申請量遙遙領先（約84件）。該公司在此領域的專利申請多集中于小孔節(jié)流式和多孔質節(jié)流靜壓氣體軸承，其研究的重點在于對氣流的引導和對自激振動的抑制。例如該公司將已經(jīng)較為成熟的復合材料自潤滑軸承技術用于氣體靜壓軸承上，具有良好的自激振動衰減性能。

我國對氣體潤滑技術的研究始于20世紀60年代初，起步較晚，研究初期的專利成果較少。通過在中文專利庫檢索發(fā)現(xiàn)， 2003年以前的申請大部分為國外來華申請人提出，而此后國內申請人的申請量開始迅猛增長，這種變化與我國在氣體潤滑技術方面的研究全面展開并進展迅速有緊密的聯(lián)系。國內重要申請人以各大高校為主，其中，哈爾濱工業(yè)大學在國內的研究水平處于領先地位，其出版了多部關于氣體軸承的著作，例如航天學院劉暾教授等編著的《靜壓氣體潤滑》，并且在氣體軸承的承載能力、剛度、數(shù)值計算方法上進行了深入的研究，該校在此方面的專利成果數(shù)量在國內申請中位列榜首（約70多件），其申請涉及混合式螺旋槽動靜壓氣體軸承、人字槽動靜壓氣體軸承、氣體彈性箔片軸承、零剛度隔振器與隔振系統(tǒng)等。

5. 小結

通過對國內外氣體靜壓軸承的專利申請情況進行多角度的分析和梳理，使本領域技術人員更加明晰該技術領域的發(fā)展現(xiàn)狀，有助于了解該領域的發(fā)展趨勢，進而促進技術改革與創(chuàng)新。