一种大型敞开式静压气浮止推轴承

胡英贝，李副来，韩 涛，郝大庆

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

随着气体润滑理论的逐步完善和气体轴承制造技术的不断进步，气体轴承在高速度、高精度、低摩擦、环保性、耐用性等方面显现出了显著的优势。气浮止推轴承以其低摩擦、低功耗、运行平稳、运动精度高、无发热、不污染环境以及可工作于极高或极低温度条件下等优点而被应用于航空、航天、航海等诸多领域。下面介绍一种大型敞开式气浮止推轴承。

1 结构介绍

工程中通常使用的两种静压气浮止推轴承的结构如图1和图2所示。图1为单孔节流气浮止推轴承；图2为多孔节流气浮止推轴承。单孔节流轴承是最简单，最经济的结构，承载能力和刚度大于多孔节流轴承；但由于其气腔容积较大，易产生振动，稳定性较差。而环形多孔节流轴承气腔容积较小，稳定性较高；因此，这里采用图2所示的轴承结构。

图1 单孔节流气浮止推轴承示意图

图2 多孔气浮止推轴承静态稳定性计算模型

此气浮止推轴承各结构尺寸及工作参数为：c=650 mm，a=300 mm，b=300 mm，小孔个数n=36，气室直径d=8 mm，气室深度δ=0.2 mm，小孔直径d0=0.3 mm，气浮间隙g=0.01 mm，气浮定子(气浮上盘)质量m1=1 800 kg；气浮轴承间隙中高压气流的压力pi=0.27 MPa，进气压力ps=0.5 MPa，标准大气压pa=0.1 MPa。

在静压气浮轴承设计中，节流器是设计的关键，它不仅决定轴承的主要性能，而且涉及到轴承的加工难度。这里选用环形孔式节流器，结构如图3所示。该节流器小孔孔径为0.3 mm，这种节流器外径面被加工成螺纹，安装非常方便(安装后节流器排气端面比气浮平面低0.2±0.03 mm)。同时，安装过程中需用螺纹锁固胶密封，确保螺纹部分没有气体溢出。它的优点是：具有较好的稳定性而不容易发生气锤现象，结构简单，容易加工。

图3 环形孔式节流器示意图

2 承载能力

2.1 承载力计算

气浮轴承的气浮承载力F是由内流区、外流区气浮承载力和大气压力综合作用的结果，则F的计算式为[1]：

(1)

(2)

(3)

对于内流区(a≤r≤b)，则，

对于外流区(b≤r≤c)，则，

式中：p1和p2分别为气浮止推轴承内流区、外流区的压力。

由(1)式～(3)式得：

(4)

式中：Kgo为表压比。表压比Kgo反映了气膜的承载能力大小，表压比越大承载力越大，反之承载力越小。其计算公式为：

将有关参数代入(4)式得：F=93.334 kN，满足78.4 kN的承载要求。

2.2 静态稳定性

由图2可知，气室总体积及气膜体积分别为：

Vf=π(c2-a2)g。

代入各相关数据得：

3 加工难点

此轴承的气浮面为环形，c=650 mm，a=300 mm，如此大的气浮面对平面度和表面粗糙度要求较高(平面度要在0.005 mm以内，表面粗糙度要在0.4 μm以内)，同时，气浮上、下盘的平行差要求在0.025 mm内。在加工过程中，各工序的加工应力对工件的尺寸影响较大，为保证工件的精度，此套轴承上、下气浮盘面在粗车加工后在井式炉中进行40 h 330～350 ℃的人工时效处理，在精车加工后井式炉中进行60 h 230～250 ℃的人工时效处理；并在平面磨加工后进行氮化处理(氮化炉内500 ℃氮化50 h)，最后还进行了人工研磨，确保了上、下气浮盘面的精度。实践证明，下盘在设计时应当适当加大厚度,可有效提高工件刚性从而减小尺寸的变形。

4 结束语

此大型气浮止推轴承的研制成功，为以后设计和加工更大、承载更高的产品摸索出一条道路。通过前期的理论计算进行分析评估，可使产品加工流程化、规范化，降低产品开发和制造成本，减少产品加工周期。