静压空气轴承的动刚度和阻尼分析

气体轴承的动态特性分析及实验研究任佟; 陈东菊; 李彦生; 范晋伟【期刊名称】《《西安交通大学学报》》【年(卷),期】2019(053)008【总页数】8页(P68-75)【关键词】气体轴承; 气膜阻尼系数; 轴承转子系统; 动态特性【作者】任佟; 陈东菊; 李彦生; 范晋伟【作者单位】北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室 100024 北京【正文语种】中文【中图分类】TH133.35气体轴承作为主轴系统中支撑主轴回转运动的重要元素,其性能将直接影响主轴在工作中的运动精度,并对加工零件的表面质量、形状精度及粗糙度造成重要影响[1]。

气体轴承的动态特性在很大程度上决定系统的动态特性。

轴承的动态特性是通过轴承的阻尼系数和动态刚度来衡量的。

气体轴承工作时,微小气膜间隙产生气膜波动,气膜阻尼会抑制气膜波动,因此气膜阻尼成为影响气体轴承动态特性的重要因素。

然而,空气黏度仅为液压油的1/1 000,这样导致气体的阻尼特性很差,为了更准确地分析气体轴承的动态特性,有必要对主轴的气膜阻尼进行研究。

一些学者在微机电系统下建立了气膜阻尼模型。

Pandey等和Altu等通过格林公式研究了不同条件下弹性平板间的阻尼分布情况[2-3];李锡广等针对MEMS陀螺中带孔结构建立了空气阻尼计算模型[4];Xia等提出了圆形和椭圆形微扭镜的挤压薄膜空气阻尼系数[5];周浩等仿真计算了微陀螺仪表芯结构的空气阻尼系数[6];Li 等、Homentcovschi等和高春晖等针对不同形状的穿孔微孔板挤提出了压膜阻尼的计算分析模型[7-9];Moeenfard等采用EKM分析了微镜中挤压薄膜阻尼问题[10];Ghanbari等提出了一种用于研究面内振荡微束谐振腔中流体薄膜阻尼的数学模型[11];陈奥运建立了敏感模态压膜阻尼简化分析模型[12];Wang等分析了平行板驱动器中的挤压膜阻尼系数对环境的影响[13]。

然而,这些模型对于气浮轴承并不完全适用。

气体轴承刚度阻尼系数1. 引言1.1 研究背景气体轴承的刚度系数是衡量其在承受外力时的变形能力，影响着轴承的稳定性和工作效率。

而阻尼系数则是衡量轴承在受到冲击力或振动作用时所具有的减震能力，影响着轴承的工作平稳度和减少振动噪音。

研究气体轴承的刚度和阻尼系数，能够为提高轴承的性能和使用效果提供科学依据。

在当前工业智能化和高效化的发展背景下，进一步深入研究气体轴承的刚度和阻尼系数，对于推动轴承技术的创新和发展具有重要意义。

本文将对气体轴承的刚度阻尼系数进行系统性的探讨，并寻求优化这些参数的途径，为未来气体轴承技术的研究提供新思路和方法。

1.2 研究意义气体轴承是一种利用气体作为介质支撑旋转机械的轴承，具有低摩擦、高精度、低磨损等优点，在航空航天、精密制造等领域有着广泛的应用。

而气体轴承的刚度和阻尼系数则是评价其性能的重要参数。

研究气体轴承的刚度和阻尼系数对于优化气体轴承的设计和改进具有重要的意义。

通过深入了解气体轴承的刚度和阻尼特性，可以帮助工程师在设计过程中选择合适的材料和参数，提高轴承的性能和可靠性，降低设备的维护成本和能耗。

通过研究气体轴承的刚度和阻尼系数，可以提高气体轴承在高速、高温、高负荷等恶劣工况下的稳定性和可靠性，拓展气体轴承的应用范围，在航天航空、精密制造、半导体制造等领域发挥更大的作用。

探究气体轴承的刚度和阻尼系数具有重要的理论和实际意义，对于推动气体轴承技术的发展和应用具有积极的促进作用。

【内容结束】2. 正文2.1 气体轴承气体轴承是一种通过气体的压力来支撑和减少摩擦的轴承。

与传统的机械轴承相比，气体轴承具有更低的摩擦系数和更高的承载能力，同时也能减少磨损和噪音。

气体轴承通常由气体供应系统、轴承壳体和轴承孔组成。

气体轴承的工作原理是利用气体在轴承间形成的气膜来支撑和减少摩擦。

当轴承旋转时，气体在轴承孔中形成气膜，以抵抗轴承受到的载荷，同时减少摩擦力。

通过调整气体的压力和流动速度，可以控制气体轴承的刚度和阻尼特性。

第3"卷第5期有色金属材料与工程NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERING Vol.38 No.5 2017文章编号：2096-2983 (2017) 0*-0280-06D01：10.13258/ki.nm m e.2017.05.006空气静压轴承动态性能仿真研究王昊(上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093)摘要：空气静压轴承具有较小摩擦、运转平稳、使用寿命长、回转精度高且无环境污染等优点.以孔式节流空气静压轴承作为研究对象，利用建模软件，建立孔式节流空气静压轴承三维实体计算模型.通过计算流体动力学（CFD)原理，对该模型网格划分后模拟仿真轴承在一定偏心率下的旋转状态，计算并得出气膜压力分布图，分析其在不同供气压强和不同旋转速度对轴承承载力的影响，并得出影响轴承承载力因素的变化曲线.研究结果对孔式节流空气静压轴承结构设计优化具有可靠性的指导意义.关键词：空气静压轴承％孔式节流％供气压强％旋转速度％承载力中图分类号：TH133 文献标志码：ADynamic Performance Simulation of Air Static Pressure BearingWANG Hao(School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology^ Shanghai 200093, China)A bstract：Air bearing has less friction than the other bearings. Moreover,it has a smooth opeservice life,high precision rotary and no environmental pollution, etc. In this paper, a three-dimens model is established to simulate the holes throttle air bearing. The model is meshed into the unstructuredgrid and the simulation results are obtained. Simulation results of bearing in rotating state is analyzed andstudied under the influence of gas pressure and rotating speed. The air film pressure dist aerostatic bearing is obtained based on the results of the CFD. Finally, the paper summarizes the influenceof the corresponding factors on the bearing capacity.Keywords：air static b earing；hole type throttle；inlet pressure；rotating speed；bearing capacity空气静压轴承利用空气作为润滑剂，从外界提 供压缩空气，经过压缩的气体经节流孔进入轴承间 隙，在主轴与轴承表面形成可压缩的气膜层，并起负 载作用.由于空气黏度很低，摩擦力几乎不存在，因此空气轴承几乎消除了由摩擦力产生的阻力和磨 损，所以更适用于高速和高精度设备.较之其他轴承 具有较小摩擦、运转平稳、使用寿命长、回转精度高且无环境污染等优点.:2/，在航空、航天以及精密测 量和超精密加工设备中得到广泛应用3.提供足够 的承载力和稳定性的最关键的问题在于这些轴承的 设计[4:7]，因此气体轴承已成为精密轴承的一个重 要发展方向.近年来国内外对其进行了很多研究，段明德 等[8]通过建立空气静压轴承三维模型，仿真分析旋收稿日期：2017-03 - 08作者简介：王昊（1990—），男，硕士研究生.研究方向：静压轴承.E-mail: 740320796@qq. com第5期王昊:空气静压轴承动态性能仿真研究281转工作状态的轴承，得出进气压力、轴承转速与气模 厚度对空气轴承承载能力及需气量带来的影响' Zhu M等对超精密空气静压轴承的瞬态流动特性进 行了研究.为了捕捉湍流结构和波动，利用L E S方 法数值计算轴承间隙的瞬态流场，对轴承间隙涡结 构和压力波动进行了分析.R enn等[17]研究空气静 压轴承孔型节流器对质量流量特性的影响，并进行 了一系列的模拟和试验.结果表明，通过孔口的质量 流量特性与通过喷嘴的质量流量特性不同.空气静压轴承处于低转速工作时，表现为静压 效应;但当轴承高速旋转工作时，由于摩擦有相对运 动，故亦会产生动压效应.当动压效应达到一定程度 时，轴承成为动静压混合轴承，由原本静压空气转变 为动压静压混合空气轴承，变为动静压混合润滑工 作.考虑到动静压混合状态空气流动情况，本研究使 用计算流体动力学(CFD)的方法17:12，在数值模拟 计算基础上分析动静压效应.通过数值模拟的方法 求得比较精确的近似解，在实际工作时，空气在气体 轴承间隙流动是较为复杂的三维流场，因此使用三 维模型更容易得到精确的结果.其他研究一般地都 没有考虑到节流孔进口处的压力分析.本文通过模 拟得出了节流孔进口处压力分布图，并对其进行了 分析，为空气轴承的性能设计优化提供有效指导.1孔式静压径向轴承的结构参数和理 论分析节流管在空气静压轴承中是一个重要组成部 分，有一定的阻抗，具有压力调节的作用.气体静压 节流方式主要有小孔节流、多孔质节流、表面节流、毛细管节流和狭缝节流等[13]，其中小孔节流方式又 分为简单孔式节流器和环形孔式节流器.本文采用 环形双排孔节流孔布置.在轴承静止无工作状态时，因轴承自重和载荷 (总称为F)存在，转轴与轴承内表面紧密接触，无气 膜存在.当工作时，这时压缩空气经节流孔逐渐进入 轴承间隙，直到内部压力大于F时，转轴被气体浮 起，气膜形成，形成气浮垫[14].当工作稳定时，转轴 在气膜压力的支承下达到平衡.但因负载存在，使得 其产生了一定的偏心量6,导致上下气膜表面压力 不一样.负载变大时，下气膜厚度减小，气膜压力变 大;而上气膜厚度增大时，气膜压力变小，此时上下 气膜表面会形成压力差就是气膜承载力，用来平衡外部负载，使之内外压力平衡.提高静压气体轴承的刚度和承载能力是优化气 体轴承性能的重要方法，多数由压缩的供气压力、轴 承结构参数及气体的不同等因素确定.气体静压轴 承结构主要参数见表1.表1空气静压轴承结构的主要参数Tab. 1 Main parameters o f aerostatic bearing structure几何特征参数值轴承直径/m m56轴承长度/m m80节流孔直径/mm2进口直径/mm4节流孔径向位置/mm15平均气模厚度/mm2节流孔数量/个12文献[8]对偏心率为0.1时的空气静压轴承做 了一些相关研究.在文献[15]中偏心率为0.1〜0.6,研究并得出偏心率对承载力的影响结果:在一 定范围内，承载力和偏心率构成线性关系，并且在偏 心率为0.5时，研究分析并得出了详细的结论.本文 取偏心率为0.3进行一系列的研究分析.通过计算轴承静态性能的近似公式[15]，对承载力性能进行近似的估算(在e e0. 3,且^e3的情况下）.()单个径向轴承的承载力根据公式：W+C j L D(p s - <@) (1)式中：：e0. 2,单排孔供气；：e 0. 25,双排孔供 气L= 80mm;D= 60 mm;为环境压力，即标准 大气压力；<〇为供气压力，<〇= 5.0 d105p a;：为 载荷系数，它是轴承处于不同情况下，各参数确定 后，可以承受的载荷与所能达的理论承载力之比.本文采用的是径向双排孔供气轴承，所以： e 0.25.由式(1)代入数据得W= 478 N.由于空气可被压缩，做出假设，空气在轴承中的 状态为等温过程，空气静压轴承处于高速工作时，表 现为动静压混合过程，轴承内气膜的压力P符合 Reynolds方程[16]:e1 - ecos_e_>282有色金属材料与工程2017年第38卷式中^为气体动力黏度；P为气膜压力；尺为轴承的半径为气体密度；、为轴承的平均气膜厚度;e为轴承的偏心率；U为轴承两相对表面的运动速度.Reynolds方程等式左侧为气膜压力变化参数，而等式右侧各项展开，会得到各种压力的各种效应.物理意义为：吵g，动压效应;M g，伸缩效应;隱|^，密度效应.除上述效应外，其中还存在其他效应:挤压效应，加热效应等都会在气膜上产生压 力[17].所以，静压气体轴承为动静压混合轴承.2动压效应图1为空气静压轴承动压效应.当轴承工作时，因承载力W存在，旋转中心为〇2,偏心量为&当轴 承绕轴高速旋转时，由于与空气摩擦力存在，气膜与 轴接触的附面层空气将会随转轴一起旋转，在图1中X轴下，气模的流动状态是由气膜较薄的一侧流进，从气膜厚的一侧流出，该范围的气膜受力较小;X轴 上，气膜层的流动状态是由气膜较厚一侧流进，从气 膜薄的一侧流出.形成了由小变大的扩大楔形间隙和 由大变小的收敛楔形间隙，满足动压效应形成的几何 条件.故而轴承工作会有动压效应存在.图1空气静压轴承动压效应示意图Fig. 1Hydrodynamic effect of static pressure bearing 3静压轴承的模拟仿真3.1模型本文采用双排小孔节流空气径向轴承，节流管 与轴承外壳为45°.本文主要研究气体经节流管进 入轴承的空气状态.因此气体为主要对象，以气体建 立气膜模型，采用SolidW orks建模软件，如图2 所示.图2气膜模型Fig. 2 M odel of air film3.2网格划分轴承工作时，高压气体通过45°倾角的供气管 进入到节流管时，横截面发生了突变，因此高压气体 在流经节流突变口时，使得速度与压力变化幅度较 大.因此在此处进行了网格加密，相对其他区域较密 集，如图3所示.图3气膜网格Fig. 3 Mesh of air film3.3数值模拟网格划分完，导入到FLUENT计算，求解器设 置为基于压力的求解器(Pressure Based)，采用可实 现性Realizable fc ：'模型•此模型与标准fc ：'模 型、重整化群RNG fc:'模型相比，优点是可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致，可以更准确地模 拟平面和圆形射流的扩散速度;在旋转计算、带方向 压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计 算更符合实际情况;针对分离流计算和带二次流的 复杂流动计算也较为准确.本研究进出口为压力边 界条件，轴承内表面设置为旋转面，选用非平衡壁面 函数，采用SIMPLEC算法收敛计算.第5期王昊:空气静压轴承动态性能仿真研究2833.4仿真结果轴承工作时，压缩气体经节流孔进入轴承间隙， 一部分沿着轴向流向两端和中间，在中间会形成相 对稳定的压力区;轴承气膜内膜面，由于气体存在黏 性，气膜层会随着壁面的旋转而转动，旋转方向与轴 承旋转方向一致.空气静压轴承的供气压力、偏心率、轴承旋转速 度、轴承的结构参数和气体性质等因素均会影响气体 在轴承内的流动状态特性，进而影响到轴承工作状态特性.本文主要针对偏心率为7 3时，研究分析供气 压力和轴承旋转速度对轴承承载力的影响规律.进口压力0.5M Pa 压缩空气，均以45°进气，出 口压力均为大气压力•由图4(@)〜(d )可以看出，压 缩气体经45°节流管节流，压力下降.由节流孔进入 轴承时，在节流管进口右侧形成了一个低压区，并随 着顺时针方向压力逐渐升高，而不同轴承转速对压 力分布具有一定的一致性，即旋转速度对压力影响 很小，见图4.(a )进气压强0.5 M P a ，转速5 000 r/m in (b )进气压强0.5 M P a ，转速30 000 r/m in(c )进气压强0.5 M P a ，转速60 000r/m in (d )进气压强0.5 M P a ，转速 100 000 r/m in图4供气压力和轴承旋转速度对轴承承载力影响Fig. 4 Influence of gas supply pressure and bearing rotation speed on the bearing capacity of the bearing is studied轴承工作时，供气孔、节流孔和轴承气膜外圆柱 表面与轴承固定接触，轴承固定.轴承气膜内圆柱表 面与轴颈接触，轴颈以一定的速度旋转.在偏心率为0.3,旋转速度为5 000 r /m in 的条件 下，分析不同进气压力下的轴承气膜内表面压力分 布.由图5可知，一定转速情况下，轴承气膜压强随着 进气压强的增加承载力增加，且压力分布更加均勻.通过气膜压力分布可对气膜压强积分计算得出 气膜压力合力，即轴承承载力W •在不同工况下积 分所得承载力不同，以此得出了不同进气压强和转 速与承载力的关系.由图6(a )可知，在偏心率为0. 3,进气压强为 0.5 M Pa 时，轴承的承载力在该气膜厚度下，在转速 的逐渐提高下，承载力静压成平稳状态，由静压与总IE 1lizippii iP K19187654321G -1-2284有色金属材料与工程2017年第38卷压图可知轴承动压效应随转速的增大逐渐减小.由图6(b )可知，在偏心率为0. 3,旋转速度为5 000 r /min 时，在不同供气压力下，轴承的承载力随 着供气压强的增加而增加，动压效应越明显，见图6.(a )进气压力为0.2 M Pa ，旋转速度5 000 r/m in (b )进气压力为0.3 M Pa ，旋转速度5 000 r/m in(e )进气压力为0.6 M Pa ，旋转速度5 000 /m in (f )进气压力为0.7 M Pa ，旋转速度5 000 r/m in图*不同进气压力条件轴承气膜内表面压力分布Fig. * Pressure distribution of the bearing gas film4结论本文利用有限元数值模拟，研究分析在一定偏心率下，对空气静压轴承旋转工作时进行模拟计算，得出结论:压缩气体经节流孔进入轴承时，在节流孔右侧形成了一个低压区，顺时针方向压力逐渐升高， 轴承转速对压力分布影响很小.轴承的承载力在一定气膜厚度和进气压强下，随转速逐渐提高，承载力 逐渐下降，成下降趋势.轴承承载力随着进气压强的第5期王昊:空气静压轴承动态性能仿真研究2850 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000循环速度/ 〇m in _^(a )不同转速对承载力的影响曲线0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7冲击压力/M P a(b )不同供气压强对承载力的影响曲线图$不同因素对承载力的影响曲线Fig. 6 Graph is different factors impacton the bearing capacity增大成非线性增大，动压也随着压强增大而增大，动 压变得更明显.一定旋转速度下，随着进气压强的增 大，压力分布越均勻，越适合轴承高效稳定的工作.研 究结果为孔式节流空气静压轴承结构设计优化和在 相关工程中的应用提供可靠性的指导及技术支撑.参考文献：[1 /王元勋，陈尔昌，师汉民，等.气体润滑轴承的研究与 发展[J ].湖北工业大学学报，1994(3) : 155 : 159.[2 /孙立佳，孙淑凤，张华涛，等.静压轴径轴承静态特性的 数值模拟分析[J ].低温与超导，2010,38⑴:56 ： 7[3] LIN W J,KHAIAIT J P , LIN W , et al . 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空气静压气浮轴承工作原理气体静压轴承是滑动轴承形式当中的一种，其结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体(多为空气)作为润滑介质。

当外部压缩气体通过节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承中。

对于气体静压轴承，采用外压供气是其基本工作方式，节流器是其结构的关键，而主轴工作时因自重和载荷出现的偏心则建立起轴承相应的承载和刚度加工中心机制。

以径向供气的静压气浮轴承为例，径向孔式静压气体轴的气流通道主要由节流孔和轴承径向间隙两部分组成，节流孔是使外部加压气体进入轴承间隙前，产生节流效果、并使之形成具有一定承载能力及刚度的稳定润滑气膜的一种装置。

而轴承径向间隙则是通过改变径向间隙，调整对气流的阻抗以达到改变空气流量，进而影响上游来流条件，改变节流孔出口压力Pr，在轴承腔内建立起新的平衡。

两者的宏观表现均是对流体产生阻抗，使来流压力不断降低，因此，有类似电学欧姆定律的规律。

将图4-1的气浮轴承模型类比图4-2的电阻模型。

压缩空气以供气压力只:由供气通道经节流小孔进入气腔，通过气膜流出，当通道横截面积减小时，气流速度加快，剪切速率会增加，由于气体的粘性，气体的内摩擦会消耗其动能，经过节流小孔后气体压力值减小，即气腔中压力Pr，小于供气压力凡。

同理由于气膜厚度很小，空气在气膜中流动时的剪切速率很大，所以气体由气腔流经气膜时，压力会有再次损失，即环境压力Po低于气腔压力Pr。

我们将节流小孔和气膜这些小截面通道对气流的阻碍作用称为阻抗，将节流小孔的阻抗记为Rg，记气膜的阻抗为Rh。

那么，空气流动的过程与电流流经两个串联的电阻非常相似，其中，气流对应于电流，阻抗对应于电阻，气体压力对应于电压。

未通压缩空气前，由于滑动件的自重与载荷的作用:支承件与滑动件相互贴合:气膜厚度h为零。

此时气膜的阻抗Rh趋于无穷大，气腔压力只，趋近于供气压力Ps;当供气压力与气腔面积之乘积值超过载荷F时，滑动件浮起，气膜形成，气腔压力只，低于供气压力凡滑动件在气膜压力的支承下达到平衡。

高速空气静压主轴承性能分析Cheng-Ying Lo ,Cheng-Chi W ang ,Yu-Han Lee摘要：气动轴承设计的问题的解决方法是先压力分布和轴承轮转方向的精确度。

目前，本文研究出了一个详细的理论分析轴承性能的方法，其中气动轴承最初是由无量纲简化的纳维——斯托克斯方程的形式来表达。

利用轴承之间的间隙和孔口中的质量连续流动的假设，可以推导出非线性无量纲雷诺方程，然后利用牛顿方法进行离散。

最后，修改后的雷诺方程可以利用循环迭代的方法来解决。

目前的数值模型可以有效的油膜压力分布，摩擦力影响，承载能力，刚度，润滑气体流量，和静止状态偏心率和动态气动轴承压力包括高偏心率部分，高速非圆形线部分，推力轴承，滑块轴承等内容的分析。

这个被使用的分析模型提供了宝贵的分析方式来研究高精度的静态和动态旋转的气体轴承的性能，并使其成为可以得到的最优化设计。

1．简介气体轴承的特点是旋转时低噪音和低摩擦损失。

因此，它们经常被应用于各种精密仪器中，在空负荷高速电动马达驱动的情况下，它们产生摩擦量为零。

相比于传统的油轴承，气体轴承具有产生的热量低，少污染，和较高的精度的优点。

然而，它们的主要缺点是，它们的运行往往相当不稳定，这往往限制其允许使用的范围。

1961年，格罗斯和扎克[1]首先开发，并应用了微扰的方法来解决：稳定，自行形成，可认为无限长的平面楔形油膜问题。

使用的这种微扰的方法可以有效的分析所有的几何参数范围，并得到高度精确的结果。

1975年，马宗达[2]提出一种理论方法，考虑到三维流多孔材料对轴承的影响，推导出稳态固定和旋转性能特点。

我们知道气动轴承的主要承载能力受气膜的空气动力学影响，其中气膜的刚度，阻尼系数，和稳定的范围值是主要的影响参数。

多数的轴承设计都是为了运转稳定，因此需要掌握最基本的有关稳定性的知识。

所以，马宗达[3]构建了一个多孔矩形的推力轴承，在外部施压，利用可压缩润滑液的条件下的理论模型。

空气轴承提高气浮系统稳定性的阻尼技术徐登峰;朱煜;尤政;张鸣;赵冶【摘要】静压空气轴承拥有清洁、近零摩擦等优点,是一种优秀的运动导向承栽部件,但是它在承栽方向上阻尼较小,对外界引起振动和空气轴承本身固有微振动的衰减较慢,影响了系统的稳定性和测量准确性.为了解决这个问题,本文以小孔节流空气轴承作为研究对象,在其结构中部增设了类似空气弹簧的上下腔室和节流孔,当空气轴承振动时,压力空气在上下腔室之间流动,通过节流孔处的节流效应将振动能量衰减掉.根据这一构想,首先对新结构通过空气弹簧理论进行了初步优化设计,接着对新结构空气轴承和普通空气轴承进行了冲击响应实验,证实了新结构能够很好地起到快速衰减振动的作用,同时对微振动有良好的抑制效果,然后通过模态分析软件MEscope得到了空气轴承的阻尼比系数,发现新结构空气轴承阻尼比系数较普通结构空气轴承阻尼比系数有近一个数量级的提高.另外,还通过实验得到新结构空气轴承可以略微增加轴承的承栽能力和刚度.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2010(008)001【总页数】6页(P84-89)【关键词】空气静压轴承;气浮轴承;阻尼;微振动【作者】徐登峰;朱煜;尤政;张鸣;赵冶【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TH7静压空气轴承以其固有的无摩擦、低功耗、清洁等优异的性能被广泛应用于精密、超精密加工、计量领域中，主要作为其中的运动导向部件使用.近10年来, 作为超精密制造行业代表之一的集成电路(IC) 制造业突飞猛进, 为空气轴承的应用开辟了一片更为广阔的天地[1].空气轴承也有弱点，即其承载方向的阻尼较弱，文献[2]指出空气轴承的等效阻尼系数在0.04～0.06之间.阻尼较弱就会造成两个方面的问题.第一，对振动或冲击的衰减时间过长，使包含空气轴承的系统不易稳定.这种振动和冲击来源主要是外界的振动、运动部件运动过程造成的振动(俯仰、偏摆和横滚)等[1].第二，空气轴承存在固有的微振动，这种微振动是由流体诱发的[3-4]，会对测量系统和控制系统造成一定的影响.文献[5-6]中增大空气轴承阻尼的方法主要是采用多孔质节流方式，其阻尼系数可以达到0.1以上，但是多孔质节流气体支撑的难点主要在制造上，其应用不广.文献[1]通过结构优化设计来消除微振动，但是这种方法普适性不好.为得到方便设计和制造的“高阻尼”空气轴承，本文中提出一种新的空气轴承结构形式，其基本原理就是借鉴空气弹簧阻尼结构，并将其引入到空气轴承中去.为此，将首先回顾空气弹簧的基本原理和相关理论，然后将其吸振原理引入到空气轴承结构中，并通过简化模型进行结构优化研究，最后使用实验方法分析该结构的动态性能，证明了新型结构空气轴承确实达到了提高阻尼和消除微振动的目的.本文中选用应用最为广泛的小孔节流空气轴承作为研究对象.1 新型空气轴承结构的提出1.1 空气弹簧结构的工作原理空气轴承是一种结构简单、性价比高的弹簧阻尼部件，能够将振动能量转化为热能.双腔室空气弹簧结构基本构成如图1所示.其主体是圆形或者方形的缸体，中部通过隔板分为上下腔室，上下腔室内部充满了压力空气，隔板上设计节流孔，活塞通过柔性的橡胶密封圈与缸体上部连接.其减振原理是活塞或缸体受到外界扰动发生上下振动时，上下腔室内部空气产生压力差，压力差使空气往复通过腔室间阻尼孔产生节流效应，将振动能量转化为热能，从而达到衰减振动的目的.空气弹簧能够实现低频大阻尼值、高频小阻尼值的阻尼能力，理论上能够提供0～∞的阻尼值[7].如果将这种结构形式引入到空气轴承的结构中，理论上就可以增大空气轴承的阻尼能力.图1中空气弹簧隔振器所支撑的负载位移相对于地面位移的传递函数[8]为(1)式中： xp为负载位移；xbase为地面位移；mp为负载和活塞总质量；P0为上下腔室初始压强；Ap为活塞有效面积；Vb为下腔室体积；Vt0为上腔室初始体积；n为多变指数，n=1.4；Cr为流阻常数，Cr=πd4/(128μl)；d为节流孔直径；l为节流孔长度；μ为空气黏度系数，μ=1.824×10-5 Pa·s.从传递函数可以看出，空气弹簧的节流孔和上下腔室对其性能起决定性的作用.图1 空气弹簧原理示意1.2 新型空气轴承结构的提出供给的压力空气经过节流结构后，在空气轴承小孔附近形成高压，而小孔中部区域压力虽然有些降低，但是还能维持0.12～0.2 MPa的水平[1]，这个中部区域流体相对稳定，甚至可以看成近似“静止”，图2为空气轴承的压力分布图.如果在普通空气轴承中部高压压力区域内设计一个类似空气弹簧双腔室的结构，当空气轴承发生上下振动时，中部近似“静止”的压力空气经过节流孔在两个腔室中往复运动，产生与空气弹簧一样的能量耗散机制.图2 3种节流方式下空气轴承的压力分布图3 新型空气轴承设计图为进一步描述这种新型结构，如图3给出了一种新型小孔节流圆形空气轴承结构原理图.新结构在圆形空气轴承中部设置了“虚拟上腔室”、阻尼孔和“虚拟下腔室结构”，h为气浮间隙.其中“虚拟上腔室”和“虚拟下腔室结构”是为了对应空气弹簧结构而提出的名称，而中部小孔为了和空气轴承本身节流孔相区别，定名为阻尼孔，本文中将使用这个名称.上下腔室使用简单机械加工就能完成，阻尼孔的制作完全可以借用空气轴承其他节流孔的制作工艺，就结构加工而言非常容易，几乎不增加加工难度和时间.2 理论分析空气轴承的经典分析方法是通过雷诺方程进行分析，较难进行空气轴承的动力学特性和阻尼特性的分析.本文中将采用近似分析与实验分析相结合的方法验证空气轴承在阻尼性能上的设想.2.1 新型空气轴承的结构初步优化针对图3描述的小孔节流空气轴承，可以看作是空气轴承和“空气弹簧”的组合结构，其刚度和阻尼是由空气轴承和“空气弹簧”共同提供的.在分析和实验验证图3所示空气轴承结构性能之前，需进行初步的结构优化，为此本文作如下假设. (1)忽略“空气弹簧”的刚度.文献[1]中指出，空气轴承刚度大概在108 N/m量级，而空气弹簧刚度大概在103 N/m量级，两者相差较大，所以初步设计时忽略“空气弹簧”的刚度[8].(2)忽略空气轴承的阻尼，阻尼由“空气弹簧”完全提供.因为空气轴承的相对阻尼系数通常在0.01～0.04之间，而空气弹簧可以提供0.1以上的阻尼比.基于上述假设，可以将图3所示空气轴承的结构分割为两部分，小孔节流空气轴承结构和空气弹簧结构.通过各自的优化设计得到较为满意的的结果，即一个高刚度、高阻尼的空气轴承.由于空气轴承刚度和承载能力的研究文献较多，根据这些文献可以得到一个令人满意刚度的空气轴承设计.而本文主要着眼于得到一个较高阻尼系数的空气轴承.所以接下来进行优化时，将只讨论其阻尼系数的优化.2.2 “空气弹簧”的初步优化设计空气弹簧的分析理论较为成熟，其对地面的传递函数近似于一个单自由度系统，影响其共振峰值(阻尼系数)的主要参数为节流孔直径和上下腔室的体积比.图4 阻尼孔直径对传递率的影响给定主要参数为负载质量mp=118 kg，上下腔室初始压强P0=303 975 Pa，活塞有效面积Ap=0.002 826 m2，上腔室初始体积Vt0=0.000 508 68 m3，下腔室体积Vb=4×0.000 508 68 m3，节流孔长度l=10d.使用空气弹簧的传递率式(1)分析阻尼孔直径对传递率的影响如图4所示.可以看出，总体上阻尼孔越小阻尼越大，但是并非越小越好，本例中阻尼孔小于0.4 mm后空气弹簧的阻尼减小，共振峰值增大.下腔室和上腔室的体积比Vb/Vt0也会影响空气弹簧传递率.图5表示下腔室和上腔室体积比对传递率的影响.可以看出，增大下腔室与上腔室的体积比，可以有效地提升新结构空气轴承的阻尼性能，但是这可能会受到空气轴承具体结构尺寸的限制.图5 上下腔室体积比对传递率的影响2.3 新型空气轴承的结构通过上面两项分析，新型空气轴承选定阻尼孔直径为φ=0.4 mm，其中部设置了阻尼腔室结构(“空气弹簧”).图6为制作的小孔节流空气轴承与“高阻尼”小孔节流空气轴承实物图.图6 普通与“高阻尼”空气轴承实物3 空气轴承的实验分析图7为测试空气轴承承载能力的实验装置原理示意.在不同的加载力(通常是逐渐增大)情况下，通过实验装置测量空气轴承的气浮间隙，从而得到空气轴承的承载能力曲线，对空气轴承的承载能力曲线进行微分，就得到了空气轴承的刚度曲线.此实验主要用于分析“高阻尼”空气轴承的承载能力相对于普通空气轴承产生的变化情况.接下来将对空气轴承进行冲击响应实验，通过分析得到空气轴承阻尼特性，实验将采用丹麦B&K公司的7700plus模态分析仪进行.图8为实验装置原理简图，空气轴承上贴了用于测量输出信号的加速度传感器，激振锤产生冲击输入信号，通过BK分析得到空气轴承垂直方向的动力学特性.图9和图10为承载能力实验曲线和刚度分析结果曲线.从图9可以看出，“高阻尼”空气轴承(见图6(b))相对于普通空气轴承(见图6(a))的承载能力有20%提高.从图10中可以看出，新结构空气轴承相对于普通空气轴承的刚度也有10%左右的提高，但是当气膜间隙较小(本例中小于7 μm)时，其刚度却比普通空气轴承刚度低.图11为“高阻尼”空气轴承与普通空气轴承的冲击响应对比图.通过图11可以看出新型结构空气轴承比普通空气轴承动态性能更好，衰减更快.普通空气轴承的衰减时间在25 ms左右，而“高阻尼”空气轴承的衰减时间在10 ms，说明新结构空气轴承确实如开始设想的那样，能够对外界振动起到快速衰减的作用，即空气轴承的阻尼能力得到了加强.图7 承载能力实验装置原理示意图8 冲击响应实验装置原理示意将图11结果导入B&K公司模态分析软件ME scope进行模态分析，结果见图12(普通空气轴承分析截图)和图13(“高阻尼”空气轴承分析截图).表1列出了图12和图13中右侧的分析结果，给出了实验中空气轴承的各阶模态和阻尼.通过表1的对比可以看出新型空气轴承的模态和阻尼特性，新结构空气轴承的阻尼比也有了量级上的提升，基本达到了0.1以上.图9 承载能力实验曲线图10 刚度分析曲线图11 空气轴承冲击响应实验曲线对比图12 普通空气轴承分析结果截图图13 “高阻尼”空气轴承分析结果截图表1 模态分析结果阶数普通轴承实验“高阻尼”空气轴承实验模态/Hz阻尼比模态/Hz阻尼比11080.01051070.040522270.00293290.097432790.08035080.158046830.04 268120.172058790.10509960.1720612900.016813000.0991719600.000583 0100.0661为了测试“高阻尼”空气轴承对微振动的抑制效果，特地对图6中两种空气轴承进行了静止情况下微振动测量.测量装置为图8所示装置，只是不需要进行锤击，结果见图14.图上部为普通空气轴承稳定状态下的振动情况，下部为新型空气轴承稳定状况下的振动情况.可以看出新型高阻尼空气轴承成功地抑制了空气轴承本身固有的微振动，增加了系统的稳定性.图14 两种轴承微振动实测曲线对比4 结语本文中借鉴空气弹簧结构，提出了一种新型结构空气轴承.以小孔节流空气轴承作为研究对象，在其结构中部增设了类似空气弹簧的上下腔室和节流孔.当空气轴承振动时，压力空气在上下腔室之间流动，在节流孔处的节流效应将振动能量衰减掉.本文中通过空气弹簧理论对新结构进行了初步分析设计，然后通过实验分析证明了新结构空气轴承增加了承载能力和刚度，使空气轴承阻尼系数有了量级上的提升，同时对普通空气轴承固有微振动的抑制非常好，从而达到了提高空气轴承阻尼能力、增加稳定性的目的.【相关文献】[1] 张鸣. 超精密气浮运动台流固耦合模态分析及优化设计[D]. 北京: 清华大学精密仪器与机械学系, 2005.Zhang Ming. Modal Analysis and Optimization Design for an Ultra Precision Linear Motion Gas Bearing Stage Using a Fluent-Structure Coupled Method [D]. Beijing: Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, 2005(in Chinese).[2] Huang Chihua. Characteristics Analysis of the Virtual Hollow Rectangular Aerostatic Guide Way in Precision Linear Motion Stage [D].Yunlin: National University of Science and Technology, 2001.[3] 白莱文斯R D. 流体诱发振动[M]. 北京: 机械工业出版社, 1983.Blevins R D. Flow-Induced Vibration[M]. Beijing: China Machine Press, 1987(in Chinese). [4] 周云，刘季. 管道振动及其减振技术[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1994, 27(5):55-61.Zhou Yun, Liu Ji. Vibration and damping of piping systems[J]. Journal of Harbin Universityof Architecture and Engineering, 1994, 27(5) :55-61(in Chinese).[5] 王贵林, 李圣怡. 基于超精密应用的高刚度高阻尼空气静压导轨研究[J]. 航空精密制造技术, 2001, 37(6):1-4.Wang Guilin, Li Shengyi. A study on aerostatic slider with high stiffness and high damping for ultraprecision applications[J]. Aviation Precision Manufacturing Technology, 2001, 37 (6):1-4(in Chinese).[6] Marussich W . Hydrostatic Air Bearing with a Porous Metal Ring: United States, US 7429132B1[P]. 2008-09-30.[7] Subrahmanyan P K . A Modal Approach to Precision Motion Control [D]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 1999.[8] Erin C, Wilson B. An improved model of a pneumatic vibration isolator theory and experiment[J]. Journal of Sound and Vibration, 1998, 218(1):81-101.。

103中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.03 （上）1 概述轴承包括动压效应和静压效应，一种新型的轴承可以将两者结合应用于同一个轴承，其有不同的结合方式，根据结合方式，可以分为静压起动动压工作型、动静压联合型、动静压混合型。

（1）静压起动动压工作型。

结构特点：静压油腔设置在轴瓦的承载中心部位，需要动压和静压两套供油系统共同作用。

在转子转动前，静压供油系统先开启，利用静压系统的顶起压力将静止的转子顶起后，转子开始转动，转子的转速达到一定的数值后，动压供油系统起动，利用动压效应支撑转子及其载荷，关闭静压供油系统，简称静压升举轴承。

起动过程转子无磨损，起动力矩小。

（2）动静压联合型。

结构特点：油腔开设在轴瓦承载面上、润滑油出口一侧，滑油由于有压力，可以从动压油楔中流入油腔，在腔内形成静压力，可以支撑一定的载荷。

动压油楔内的动压力和油腔内的静压力共同作用，支撑了转子及其载荷。

承载能力高、温升低、功耗少，起动转矩大，启动时有磨损。

（3）动静压混合型。

结构特点：这种类型的轴承只需要设置一套静压供油系统，即可让轴瓦的承载面产生动压效应和静压效应。

启动时，供油系统先产生静压效应，利用静压油腔的承载能力将静止的转子顶起，然后，转子开始转动，动压效应随着转子转速的增加而增大，转子转速达到预定数值后，开始施加工作载荷，该供油系统产生的动压效应和静压效应均能单独承担转子上的全部载荷。

轴承刚度较大、启动力矩较低、承载能力高、油膜阻尼大。

2 静压升举轴承轴承的承载能力与承载面积直接相关，为了不过分减弱动压承载面积，静压升举轴承的静压油腔一般宜取小些、浅些，而油腔压力与油腔面积相关，所以供油压力一般都比较大。

2.1 基本型式及其性能的计算静压升举轴承基本形式主要有：轴向油腔（宽轴承）、轴向油腔（窄轴承）和中间油腔（适贴式）。

（1）轴向油腔（宽轴承）（如图1）性能计算公式：周向油腔（窄轴承）（如图2）性能计算公式：动静压混合轴承性能计算分析王敏 （株洲航发动科南方燃气轮机有限公司，湖南 株洲 412000）摘要：本文对不同类型的动静压轴承进行概述分析，概括了不同型式轴承的特点，总结了静压升举轴承的基本型式和动静压性能计算，并对某型发电机轴承的动静压性能进行计算和校核。

局部多孔质气体静压轴向轴承静态特性的数值求解本文旨在研究局部多孔质气体静压轴向轴承静态特性的数值求解问题，首先介绍了多孔介质的基本理论和流体力学的相关知识。

然后分析了轴向轴承的结构和特点，阐述了轴向轴承的静态特性、动态特性及其影响因素。

接下来，本文详细阐述了局部多孔质气体静压轴向轴承的建模方法和解析求解过程。

采用有限元方法对轴向轴承进行建模，并利用COMSOL软件进行数值求解。

在求解过程中，通过改变不同参数的取值，分析了轴向力、径向力、流量、温度等因素对轴向轴承静态特性的影响。

求解结果表明，随着轴向力和径向力的增大，轴向轴承的承载能力逐渐增强；随着流量的增大，轴向轴承的稳定性逐渐降低；随着温度的升高，轴向轴承的承载能力逐渐降低。

最后，本文对轴向轴承的局限性进行了总结和改进方向的探讨。

表明了轴向轴承在实际应用中的局限性，并提出了一些改进方向，如优化轴向轴承的结构、提高局部孔隙度、增加轴向轴承的阻尼等，以期进一步提高轴向轴承的使用性能和工作效率。

综上所述，本文通过对局部多孔质气体静压轴向轴承静态特性的数值求解，为轴向轴承的设计与优化提供了一定的理论和实践指导。

此外，本文还进一步深入分析了多孔介质的流体力学特性和轴向轴承的工作原理，旨在更好地理解局部多孔质气体静压轴向轴承的静态特性数值求解。

在建模与求解过程中，采用COMSOL软件进行数值模拟，利用有限元方法对轴向轴承进行建模。

研究发现，局部孔隙度、流量、温度等因素都对轴向轴承的承载能力和稳定性产生了很大的影响。

本文的研究成果可为轴向轴承的结构设计与优化提供实用性的参考。

在实际应用中，通过优化轴向轴承的结构和参数设计，可以有效提高轴向轴承的工作效率和使用寿命，为工业生产及其相关领域带来更多的应用和发展机遇。

同时，本文的研究成果也为多孔介质的流体力学特性和轴向轴承的静态特性分析提供了一定的理论基础，具有一定的学术研究意义。

总之，本文的研究成果对于深入了解局部多孔质气体静压轴向轴承的静态特性有着重要的阐扬和指导作用，对于工业生产及其相关领域的发展有着积极的推动作用。

高精度高刚度静压轴承的设计毕业设计（论文）摘要静压轴承是滑动轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。

静压轴承和滚动轴承相比，它的振动小，加工工作表面精度要求高而且它回转轻巧，空气粘度低，摩擦小，发热和变形也小，适用于高速、高精度的场合。

而且它耐寒耐热，具有独特的干净和方便特性，对环境无污染，其无需考虑密封问题。

本文为了使主轴部件适合超精密切削加工的要求，研究了多种高精度高刚度流体静压轴承。

首先，分析了超精密机床对主轴系统的要求，并根据超精密加工切削力的大小进行主轴刚度分析。

同时研究了驱动电机类型和驱动方式的选择原则。

其次，给出了小孔节流型液体静压和气体静压轴承的工程计算方法，并分别计算液体静压径向和止推轴承以及气体静压径向和止推轴承的承载能力和刚度。

同时简要介绍了新型多孔质气体静压轴承。

最后，根据上述研究成果，给出了三种流体静压轴承的优缺点，为超精密机床主轴箱的选择提供了重要依据。

关键词：静压轴承；高精度；高刚度；主轴高精度高刚度静压轴承的设计AbstractHydrostatic bearing is a sliding bearing, is the use of a pressure pump pumps the pressure lubricant into the bearing and the shaft to force a small gap between the sliding bearing. Hydrostatic bearing and the rolling bearing compare, its vibration small, the processing active face precision requests moreover it to rotate high dexterously, air viscosity low, rubs slightly, gives off heat and distorts also slightly, is suitable to is high speed, the high accuracy situation. Moreover it cold resistant heat-resisting, has unique is clean and the convenient characteristic, does not have the pollution to the environment, it does not need to consider the seal question.This article in order to cause the main axle part to suit the ultra precise machining the request, has studied the many kinds of high accuracy high rigidity hydrostatic pressure bearing.First, has analyzed the ultra precision machine tool to the main axle system request, and carries on the main axle rigidity analysis according to the ultra precise processing size. Simultaneously has studied the actuation electrical machinery type and the drive type selection principle. Next, has produced the eyelet reducing expenses liquid static pressure and the gas static pressure bearing engineering calculation method, and separately calculates the liquid static pressure radial direction and the thrust bearing as well as the gas static pressure radial direction and the thrust bearing capacity and the rigidity. Simultaneously, the new porous nature gas static pressure bearing is introduced briefly. Finally, according to the above research results, has produced three kind of hydrostatic pressures bearing good and bad points, has provided the important basis for the ultra precision machine tool headstock choice.Keywords:static pressure bearing，high accuracy，high rigidity，main axle毕业设计（论文）目录1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.1.1 概述 (1)1.1.2 国外超精密机床的发展情况 (1)1.1.3 国内超精密机床的发展情况 (2)1.2 超精密加工机床的主轴部件技术 (3)1.3 论文选题的技术指标 (4)2 超精密复合加工机床主轴设计 (5)2.1 主轴系统的基本要求 (5)2.2 超精密机床主轴的研究 (6)2.2.1 主轴刚度分析 (6)2.2.2 主轴结构及其驱动系统 (7)3 液体静压轴承的性能分析 (11)3.1 引言 (11)3.2 液体静压轴承简介 (12)3.2.1 液体静压轴承的工作原理 (12)3.2.2 液体静压轴承的优缺点 (16)3.2.3 液体静压轴承的分类 (17)3.2.4 液体静压轴承的应用 (18)3.3 小孔节流液体静压轴承的工程计算 (19)3.3.1 径向轴承的计算 (19)3.3.2 止推轴承的计算 (23)3.4 液体静压轴承技术的展望 (26)4 气体静压轴承的性能分析 (28)4.1 气体轴承的发展概况 (28)4.1.1 国外气体润滑轴承的发展概况 (28)4.1.2 国内气体润滑轴承的发展概况 (29)4.2 气体轴承简介 (29)高精度高刚度静压轴承的设计4.2.1 气体轴承的现状 (29)4.2.2 气体轴承的特征 (30)4.2.3 气体静压轴承的分类 (31)4.3 小孔节流气体静压轴承的工程计算 (34)4.3.1 径向轴承的计算 (34)4.3.2 止推轴承的计算 (41)4.4 多孔质材料轴承简介 (44)4.4.1 多孔质材料及其主要性能 (44)4.4.2 多孔质材料加工方法 (45)4.5 气体轴承目前存在的问题 (47)结论 (48)经济性分析 (49)参考文献 (50)致谢 (52)毕业设计（论文）1 绪论1.1课题背景1.1.1概述精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。

万方数据·１０·《轴承）２０ｌｏ．№．９厚度，取ｈ。

＝０．０３ｍｍ；８为偏心率，取８＝０．３；啦为节流孔的位置角，％＝（ｉ—１）警。

由于空气静压轴承的平均气膜厚度非常小，与气膜的长度Ｌ、宽度Ｄ相差百倍甚至更大，这使ＡＮＳＹＳ的使用受到了限制。

为此作如下假设，以简化模型¨Ｊ：（１）两个节流孔之间无气体流动；在宽度方向上每等份内两节流孑Ｌ间压力相等，其值为该等份节流孔压力Ｐ。

；气体无环向流动，仅沿轴向流向端面，其压力由出孔后的Ｐ。

降至端面的环境压力Ｐ．。

（２）气体为等温层流流动。

因此，在求解压力分布时，只需研究每个等份中从节流孔到轴端一段即可。

１．２边界条件拉１１．２．１速度边界条件气体的分子运动论中，气体分子被看成随机碰撞的颗粒，两次碰撞之间所飞行的平均路程称为平均自由行程Ａ。

Ａ：半（ｃｍ），Ｐ为气体真空度（ｔｏｒｔ），一个大气压的真空度为７６０ｔｏｒｔ。

若以平均自由行程和气膜厚度之比表示Ｋｎｕｄｓｅｎ数，即Ｋｎ＝Ａ／ｈ。

当Ｋｎ＜Ｏ．０１时可以把气体视为连续介质。

本模型进气压力为０．４ＭＰａ，气膜厚度ｈ为０．０３ｍｍ，则Ａ＝１．６４５×１０。

（ｍｍ），Ｋｎ＝Ｌ铲＝０．０００５４。

因此，可视轴承气膜内的气体为连续介质。

根据连续介质气体动力学可得，轴承内壁表面边界的地方，气体分子和壁面之间相对速度为零。

即，在壁面处气体分子的速度和轴承表面的速度相等。

这样在静态设计中，壁面的速度边界条件（包括戈，Ｙ分量）为０。

１．２．２压力边界条件气体润滑问题中，和大气相通的边界处有压力相容条件：Ｐ。

＝ｐｏ（１）式中：ｐ。

为出口边界压力。

１．２．３对称边界条件对称边界系指压力场沿该边界的两侧是对称的。

在对称的边界上，有：赛＝ｏ（２）式中：ｎ为边界的法线。

轴承的几何对称线是对称边界，压力沿这个对称线方向的梯度为零。

１．２．４ＡＮＳＹＳ模型边界条件加载根据假设理论可以建立简化的有限元模型以分析气膜压力分布。

空气轴承和设计配置概述介绍空气轴承是一种利用压缩空气在两个表面之间形成气隙的轴承。

因此，轴承表面不接触，从而消除了与传统轴承相关的许多问题。

空气轴承可以提供有效的零摩擦，不需要润滑剂，而且不磨损。

它们提供高刚度和更高的阻尼，同时允许更高的速度与平稳和几乎无声的操作。

由于这些原因，空气轴承通常用于高精度制造和测试应用。

本指南将概述空气轴承的类型、产品配置、空气轴承的典型规格及其应用和使用。

轴承类型空气轴承分为两类，空气动力轴承或空气静压轴承。

空气动力轴承需要运动在轴承表面之间产生空气膜。

因此，当没有运动时，支承面将接触。

空气动力轴承也可称为箔片轴承或自动轴承。

另一类空气轴承是空气静压轴承。

这些轴承需要一个加压空气源，通过非常精确的特征进入轴承表面。

因为有恒定的空气源，所以即使没有运动，气隙也会保持不变。

本指南仅讨论空气静压轴承及其应用。

空气轴承也分为“孔板”或“多孔介质”轴承。

孔板轴承使用许多精确尺寸和放置的孔或槽，将压缩空气分配到轴承表面。

多孔轴承使用特殊材料，如多孔碳，将空气输送到轴承表面。

多孔材料允许空气流过整个表面。

由于整个表面允许空气通过，多孔轴承不太可能因划痕或其他损坏而失效。

如果空气供应不足，它们也更能抵抗损坏。

主要优点摩擦静摩擦系数和动摩擦系数极低且相等。

这消除了任何使用其他类型轴承时遇到的“粘滑”问题。

因此，当必须达到高分辨率定位要求时，选择空气轴承。

摩擦力的减少也与热量的减少有关，热量的减少反过来又限制了位置上的热效应。

磨损当使用空气轴承时，磨损大大减少。

因为轴承表面不接触，它们只会因腐蚀而磨损。

因此，当提供干净的空气源、无碎屑和水分时，磨损几乎消除。

刚度和承载能力在60磅/平方英寸压力下运行的直径为6英寸的空气轴承，其刚度为2000000磅/英寸，负载为1000磅。

这相当于每磅力的挠度小于0.5百万分之一英寸。

当空气轴承偏转时，气隙减小，而刚度增加。

这种高刚度和抗偏转能力是选择使用空气轴承时的一个重要因素。

2008年8月第33卷第8期润滑与密封LUBR I C A TI ON EN GI N EER I N GA ug .2008V ol 133No 183基金项目:广东省自然科学基金项目(05001811):国家自然科学基金项目(50775043)1收稿日期3作者简介梁霭明(—),男,硕士研究生,研究方向先进制造及其自动化12f @6311两种典型气腔空气静压轴承的分析比较3梁霭明　马　平(广东工业大学机电工程学院　广东广州510006)摘要:对圆孔气腔式和圆环气腔式2种典型气腔静压轴承结构进行有限元分析,研究了2种典型结构轴承在不同偏心量下的压力分布、承载力和刚度等的分布规律。

结果表明:圆环气腔式轴承压力分布较均匀,主轴抗振动能力较好;圆环气腔式轴承承载能力和刚度约是圆孔气腔式的2倍。

但当圆环气腔式轴承承载力超过一定量时会引起刚度波动,应该尽量避免。

关键词:静压轴承;圆孔;圆环中图分类号:T H13313　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)8-047-4The Ana lysis and C o mpar ison of Two Typ i ca l A i r 2cavity Aerosta t i c Bear i n gsLia ng A im i ng Ma P ing(Faculty ofM achi nery and Electronic Enginee ring,Guang dong University of Technol ogy,G uangzhou Guangdong 510006,China)A bstr ac t:The str ucture of t wo ty p ical air 2cavity aer o static bearing such as hole air 2cavity and ring air 2cavity was ana 2lyzed w ith finite ele men t method,the p r essure distribu ti on,load cap acity and stiffness of t w o typ ical air 2cavity aer o static bearings under diff eren t eccen tricities wer e stud ied.The result show s that the p ressure distribu ti on of ring air 2cavity aer o 2static bearing is mo r e even than that of ho le air 2cavity aer ostatic bearing,and the an ti 2vibrati on capability of sp indle is bet 2ter .The load capacity and stiffness of ring air 2cavity aer ostatic bearing are abou t t wice of hole air 2cavity .But the stif fness wou ld fluctuate when load ca p acity exceeds a certain a moun t .Keyword s :aer ostatic bearing;hole;ring　空气静压轴承可视为被空气膜隔开的2个精加工表面,且2个表面之间间隙的任何变化趋势将受到气膜压力变化的阻碍。