某精密测量仪器用空气轴承的设计及试验验证

郝大庆，李副来，张炜，胡英贝

(洛阳轴研科技股份有限公司 仪器开发部，河南 洛阳 471039)

空气轴承是将外部压缩空气导入空气轴承的间隙中，借助形成的压力气膜支承载荷并减小摩擦实现平稳运转的[1]。用于圆柱形零件精密测量仪旋转主轴的空气轴承是轴颈轴承和止推轴承的联合形式[2-4]，相对于传统的滚动轴承，能够使精密仪器的精度提高2个数量级。空气轴承是该测量仪的关键部件，其精度决定着仪器的精度。下文将叙述该种空气轴承的设计过程，并对轴承的承载力和精度进行试验验证。

1 主要设计指标

轴承转速范围为1～10 r/min；圆度误差为0.025 μm；轴向载荷不小于1 500 N；径向载荷不小于400 N。

2 确定空气轴承的类型

空气轴承的类型可分为动压轴承、挤压膜轴承和静压轴承[5]。

动压轴承是一种完全自成系统的轴承，与外压力源及其他设备无关，在陀螺和核工程中最早获得应用。但因其加工精度高，成本昂贵，承载力低，尚未得到广泛应用。

挤压膜轴承与外部气源无关，压力是在轴承表面之间由方向与轴承表面垂直的振动产生。

静压轴承通称为外部供压空气轴承，气体由气源经节流器进入轴承间隙形成气膜，然后连续地从轴承外边缘排到周围大气中。

综合考虑加工能力、设计经验和成本等各因素，本案确定选用静压轴承。静压轴承的节流形式及其优缺点见表1[1]。

表1 几种静压轴承节流形式对比

由表1可知，小孔节流和环面节流是应用较多的节流形式，参照文献[6]所做的试验与分析，确定该静压轴承采用小孔节流的形式。

3 轴承结构设计

轴承总体结构为径向-止推联合型轴承，使用时为立式，结构如图1所示。图中上、下止推板和轴套组成了止推轴承，主轴和轴套组成了径向轴承。

1—下止推板；2—进气口；3—上止推板；4—主轴；5，8—轴向节流孔；6—径向节流器；7—轴套

根据文献[7]可知，供气孔直径越小,轴承刚度越大，但对轴承精度要求也较高，相应的零件加工难度和成本也会提高。根据现有的加工能力将供气孔直径定为d=0.3 mm，轴向气膜间隙设计为h=0.02 mm。通常轴承承载力随着供气孔个数的增加而增大，考虑设计指标要求的承载力不小于1 500 N，将供气孔个数设定为n=12，即上、下止推板上各单列环形分布12个喷嘴，这样能够提高轴承在最大静刚度点时的气膜间隙值，从而降低轴承的加工难度，满足轴向气膜间隙h=0.02 mm的设计要求。

径向轴承小孔供气共4排，每排12个孔，结构如图2所示。

图2 径向轴承结构示意图

根据文献[1]中的径向和轴向承载力计算式估算轴承的承载力。静压气体轴承径向静态承载力近似计算式为

W=CiLD(ps-pa)，

(1)

静压气体平板止推多孔轴承静态承载力近似计算式为

(2)

式中：Ci为承载系数，根据文献[1]双排孔取0.25；ps为进气压力，取0.36 MPa;pa为喷嘴出口压力，取0.1 MPa；r1为止推轴承平板中间孔半径，取20 mm，r2为止推轴承平板半径，取90 mm；L=2L*(图2)，取120 mm；D为径向轴承内径，取80 mm。

由(1)和(2)式可得，轴承理论径向承载力为624 N，理论轴向承载力为1 840 N。计算结果均大于设计值，满足要求。

4 轴承承载力验证

检测空气轴承承载力的方法是直接在轴承的径向和轴向施加载荷，然后检测轴承的气膜间隙，以判断轴承是否浮起。

4.1 轴承径向静态承载力验证

试验加载方式如图3所示。

1—扭簧表;2—轴套;3—主轴

试验平台由2个大理石平板组成，要求平板的平面度在0.005 mm以下。试验环境温度要求为(20±1)℃。试验前先用水平仪把2个平板调整至同一高度，误差不超过0.01 mm，大理石平板与支架之间装有橡胶垫，以隔离地面传来的振动。试验时把轴承放置到平台上固定好，通入0.36 MPa高压过滤空气；在轴套上方靠近中间位置放置1个精度为0.001 mm的扭簧表，表的测头接触轴套表面，通气前记录表的读数，通气后加载砝码前再记录表读数，2个读数之差为轴承空载时(未加砝码时只有轴套的质量)的气膜间隙(主轴与轴套上部的间隙)。

加载时用1根两端带有挂钩的细钢丝挂在轴套上顺着轴套两边垂下，挂钩上挂有相同质量的2个砝码，挂上砝码后须保持轴套不动，表的测头始终测量轴套上的1个固定点，钢丝置于轴套的中间位置(图3)，加载砝码重量为指标要求的最大加载400 N减去轴套重量220 N，即加载力为180 N，这里取整为200 N，以便于选取砝码，此时记录表的读数。如前所述重复3次，每次试验过程都须切断气源后再通气和加载，测量数据见表2。由表可知，加载到200 N时平均间隙为1.3 μm，此时轴承还能正常旋转。当砝码重量增加到250 N时轴承已经不能浮起，可以判断轴承径向承载力不小于400 N，达到设计指标要求。

表2 轴承径向间隙测量值 μm

4.2 轴承轴向静态承载力验证

参考文献[8]方法设计的轴承轴向试验加载装置如图4所示。试验平台与轴承径向试验所用平台一致，试验环境温度为(20±1)℃，进气压力为0.36 MPa，在轴承主轴下方安装1个精度为0.001 mm的扭簧表，表头接触到主轴中心点位置。试验时将载荷施加于上止推面上，当加载到1 800 N(指标要求为1 500 N)时，轴承仍能够正常运转，试验重复3次，试验数据见表3。当载荷增加到2 010 N时轴承不再浮起。

图4 轴向试验加载装置示意图

表3 轴承轴向间隙测量值 μm

5 圆度误差测量

仪器整机装配完成后即可对所设计轴承的圆度误差进行测量。轴承测试系统如图5所示，轴承和精密旋转轴由1个柔性联轴节连接，联轴节可以消除2根轴安装偏心引起的旋转误差。精密轴系由电动机通过具有一定减速比的同步带轮和皮带驱动，精密轴驱动空气轴承以稳定的转速运转。电气方面包括电动机驱动电路、1个电感传感器以及相应的信号处理电路和1台电脑。用1粒标定圆度误差为0.03 μm的玻璃球对轴承进行圆度测量，测量时将传感器测头接触到玻璃球表面，并调整玻璃球和轴承的旋转中心偏心误差在1 μm以内，设定转速为5 r/min，启动电动机进行测量。测得的整机圆度误差为0.05 μm，由此可推算出主轴的圆度误差为0.02 μm，表明轴承设计完全满足指标要求。

图5 空气轴承测试图

6 结束语

设计的空气主轴轴承包含轴颈轴承和止推轴承，根据设计参数分别计算了轴颈轴承和止推轴承的承载力，并对成品轴承进行了承载力加载试验和圆度误差测量，结果显示轴承各参数值均在设计指标内，完全可以满足仪器的使用要求。

设计的轴承径向和轴向承载力均比指标要求的高，其中径向载荷为624 N，轴向载荷为1 840 N，虽然增加了成本，但可以提高使用安全系数。对比加载试验与理论计算结果可以看出，止推轴承理论计算结果与实际承载相差11%；而径向承载力两者相差约31%。产生误差的原因可能是零件存在加工误差或轴承结构设计不太合理，如节流孔直径、节流孔数目以及节流孔的布局等，这些将在以后同类产品的设计中给予关注。