气体轴承的工作原理、特点及典型应用

气体轴承是以气体作为润滑介质的一种滑动轴承，其润滑膜厚度通常在亚微米到几十微米之间，其承载表面具有多样性，如刚性或柔性、光滑或刻槽、平面或其他形状表面等。由于气体具有黏度低、黏温特性好且耐辐射的特点，使得气体轴承在高速、高精密、低摩擦、低功耗、高低温以及有辐射等特殊场合，表现出了优越的应用前景。按其工作原理可以将气体轴承分为气体静压轴承、气体动压轴承和挤压膜气体轴承。下面将分别介绍这三种轴承的工作原理、特点及典型应用。 1 气体静压轴承 气体静压轴承也被称为外部供压气体轴承，其工作原理如图1所示。外部供气系统为轴承提供高压气体，压缩气体通过节流器进入轴承间隙形成压力气膜，从而实现承载效应。 图1 静压润滑原理 为了确保气体静压轴承获得较好的特性，要求承载间隙较小，通常间隙值为5～20 μm，当承载间隙改变时，轴承的气膜压力分布与承载力也会随之改变。考虑到微尘颗粒尺寸与承载间隙尺寸相近，气体源要经过严格过滤才能进入轴承间隙。气体静压轴承设计中节流器设计是其重要的设计部分，直接影响轴承的性能。根据气体静压轴承的节流形式（如图2）可将其分为小孔节流气体静压轴承、表面节流气体静压轴承、狭缝节流气体静压轴承和多孔质节流气体静压轴承等。 图2 轴承节流形式 小孔节流气体静压轴承是最早提出的气体静压轴承结构。它通过设计不同气腔来改善节流作用，通常气膜压力不受承载间隙变化的影响，具有较好的静态刚度，但其稳定性较差，且节流器加工难度大，易出现堵塞。 表面节流气体静压轴承通过表面微沟槽产生节流作用，其克服了小孔加工的困难，使轴承间隙更小。 狭缝节流气体静压轴承指气体通过轴承套上狭缝进入轴承间隙起节流作用的一种轴承，该轴承降低了气体流动的散射效应，但对于较小尺寸狭缝，其加工难度大，精度难易保证。 多孔质节流气体静压轴承采用多孔材料作为轴承表面，外部气体通过多孔材料内部大量微小气孔进入轴承表面，形成承载压力气膜。该轴承具有承载力大、刚度高、结构简单及稳定性好的特点，但节流性能受多孔材料渗透系数影响较大，难以保证。 基于以上特点，目前气体静压轴承在纺织、搬运与包装、半导体、度量仪器、精密机械主轴、涡轮机械、食品加工及医疗器械方面得到广泛应用。 2 气体动压轴承 气体动压轴承又称自作用轴承，相比于气体静压轴承，它不再需要外部气源供气系统，而是利用动压效应原理工作，如图3所示。 图3 动压润滑原理 两相对运动表面形成一定收敛间隙，运动表面的高速移动将具有黏滞性的气体带入楔形间隙产生压力升，进而产生作用于转子的承载力，承载力的大小随转速的增加而增加。楔形间隙、润滑气膜厚度及气体的黏滞性是形成动压效应的关键条件。由于摆脱了对气源供气系统的依赖，使得气体动压轴承结构简单、成本降低。但是，在启停阶段转速较低、动压效应较弱时，不足以产生作用于转子的支撑力，导致转子与轴承内壁接触，产生严重的摩擦磨损，直接影响轴承的寿命。此外，气体动压轴承还存在阻尼特性差，转子过临界难的问题。针对以上问题，研究者通过开发耐磨涂层或设计不同结构形式的轴承来解决此问题。其中比较有代表性的气体动压轴承结构形式有刻槽气体动压轴承、可倾瓦气体动压轴承、箔片气体动压轴承，如图4所示。 图4 典型气体动压轴承结构 刻槽气体动压轴承指在轴承或转子表面刻有不同槽型以改善承载特性与稳定性的一类气体轴承，刻槽的引入使得气体动压轴承气膜压力分布及刚度阻尼发生变化，进而获得较好的轴承特性；然而，此类轴承特性的改善对槽型依赖性较强，且提升效果有限。 可倾瓦气体动压轴承由多块可以绕其枢轴转动的轴瓦与轴承体组成，轴瓦可以自适应气膜力作用改变偏转状态，进而适应转子的运转状态，因此，此类轴承具有较高的稳定性，但其加工和理论分析相对较为困难。 箔片气体动压轴承是一种以单层或多层弹性金属箔片为柔性支承表面的自适应气体动压轴承，利用柔性支承结构弹性变形和库伦摩擦为轴承提供刚度和阻尼，具有较高的dmn值；但承载力低、启停阶段摩擦磨损、高速稳定性及缺乏可靠的轴承性能预测和设计方法是此类轴承目前所面临的主要问题。 基于以上特点，目前气体动压轴承在空气循环机、高速涡轮机械、高速透平机械及超低温冷却系统中表现出优越的应用前景。 3 挤压膜气体轴承 挤压膜气体轴承的工作原理如图5所示。振子驱动下板高频振动挤压间隙内的气体，由于振动速度较快且气体存在黏滞性，导致间隙内一个周期内的平均气压大于环境气压，进而产生作用于上板的悬浮力。 图5 挤压润滑原理 挤压膜气体轴承通常工作在轴承体谐振频率下，在此频率下，轴承结构振动幅值较大，挤压效应较强，能够获得较好的悬浮承载特性。目前多采用压电陶瓷片、压电叠堆、换能器振子作为挤压气体轴承的驱动振子。提升承载力与可靠性是挤压膜气体轴承需要解决的主要问题。 当前，对于挤压膜气体轴承的研究主要集中在润滑机理分析和轴承结构改进上。对于润滑机理的研究主要从两种理论进行分析，分别是声辐射理论和流体润滑理论。由于流体润滑理论便于分析转速对挤压膜气体轴承特性的影响，因此，被大多数研究者采用。对于挤压膜气体轴承结构的改进上，研究者分别提出了挤压膜气体线性轴承、挤压膜气体推力轴承、挤压膜气体球轴承、挤压膜气体径向轴承，如图6所示。 图6 挤压膜气体轴承结构 由于挤压气体轴承发展相对较为缓慢，当前在工程实际中的应用较少，主要有非接触悬浮导轨、非接触传输系统、陀螺仪及悬浮离合器等。 4 结束语 除以上气体轴承类型外，不同工作原理的混合型轴承也被研究者相继提出，如动静压混合气体轴承、磁气混合轴承等。气体轴承不仅具有许多独特的优点，而且轴承形式多样，随着气体轴承理论与应用技术的研究逐步完善、日趋成熟，其在工业生产中也将发挥越来越大的作用。