气体静压轴承

气体静压轴承常用的各种节流器性能比较

各种节流器的气体静压轴承的性能比较

气体静压轴承的作用原理与液体动压轴承相同。常用的节流器有小孔、狭缝和多孔质轴衬(毛细孔节流)高承载时也使用可变节流器。各种节流器的气体静压轴承的性能比较见下表。供气压力、节流器参数和轴承间隙三者若匹配得当可得到承载高、刚度大、流量小和工作稳定的轴承。对于低速精密轴承还要考虑涡流力矩问题

比较项目

     

     

多孔质轴衬供气

反馈供气

小孔节流

环面节流

周向缝节流

轴向缝节流

毛细孔节流

可变节流

     

承载能力

较低

较高

最低

最高

刚度

最大

较小

极大

流量

最小

较小

最大

稳定性

较好

最好

较差

涡流力矩

最大

最小

0.5~2

0.5~2

1

2

任意

任意

非轴向流

最小

最小

散流

供气压力

最大

气体种类

和温度

气体静压径向轴承

气体静压径向轴承

典型的静压径向轴承如图气体静压轴承所示。通常在轴线方向设一列或两列进气孔()每一列沿圆周方向均匀布置若干小孔(狭缝)Z代表每列孔数(缝数)。气体静压径向轴承的设计参数见表气体静压径向轴承的设计参数。设计步骤如下

(1)确定压力比

式中   p0为设计状态(ε0)下节流器的出口压力

按最大承载设计取按最大刚度设计取。为使节流器不出现阻塞必须满足条件

使用空气作润滑剂时压缩指数k1.401。则必须满足

若取则必须使

pa/ps0.213pa/ps4.7

若取ps/pa为任何值时节流器都不出现阻塞现象

(2)确定节流器参数与间隙h0的关系

1)孔式节流     根据(3)近似估算

式中   Yp—— 压力系数;

Yη—— 气体介质系数;

Yd—— 尺寸系数;

Aj—— 节流面积,对于环面节流Ajπdjh0

α—— 流量系数,对小孔节流

YpYη和轴承尺寸Db已知时(通常α0.80),即可确定孔数Z、节流孔径dj和间隙h0之间的关系。对于推力轴承h0h

当用钻头钻孔时,dj值应符合标准钻头直径;当用电火花穿孔时,dj值应符合标准铜丝直径。h0的选取一般有下列限制

h0(35)δ(δ为零件误差,即轴承与轴颈表面的加工误差及轴承的变形之和)

2)缝式节流    可按(5)估算

式中  

yj为隙缝长度

理论上λ可取到8考虑到加工条件通常取λ12。在已确定psyjb为已知时即可确定缝宽bj与间隙h0之间的关系

(3)静态性能计算

 

主要是承载能力、刚度和流量的计算,在某些场合也要进行摩擦力矩和涡流力矩计算

①承载能力

式中  为载荷系数,可由图孔式节流窄轴承的载荷系数查出,再乘以修正系数kx,即为具有较多节流孔的窄轴承(只考虑轴向流)的理论值,kx是考虑周向流影响的修正数,可由图载荷系数的修正系数查出

②刚度   对大多数气体静压轴承来说,偏心率在0.5以内时,刚度近似为常量,可按下式计算:

③流量

式中   

对于常态空气润滑的小孔节流轴承其流量可按(9)估算

式中   f为流量系数可取f0.30.48(亚音速流)f0.484(超音速流)T为绝对温度

①承载能力   可按(6)计算,其中由图缝式节流径向轴承的载荷系数给出。这种轴承散流影响很小,可忽略不计,周向流影响反映在参数B/D

②刚度    可按(7)计算

③流量

(4)稳定性计算

为保证轴承稳定工作对高速气体轴承在计算静态性能后应再校核稳定性包括计算同步涡动的临界速度ωcr和气锤振动的气容比

①同步涡动的临界速度    支承在气体静压轴承上的转子,其同步涡动的临界转速(自然频率)(11)计算

式中   m—— 转子质量;

It—— 转子横向转动惯量;

Ip—— 转子极转动惯量;

G1—— 轴承1的刚度;

G2—— 轴承2的刚度;

其他符号的意义见图支承在弹性气膜上的转子

由上式可计算出两个ωcr大值称为小值称作

ω该轴承不属高速范围不会出现涡动不稳定。当ωω转子在同步涡动频率下工作应注意避免出现同步共振。同时一般认为当ω2转子又会出现大振幅的半速涡动2是涡动危险转速。所以为使转子避免出现涡动不稳定,其工作速度ω应满足(见图高速气体静压轴承的稳定区)

上述避免涡动的极限速度的判据是保守的判据实用中也可适当放宽。若出现的现象说明结构不合理应设法改进

②气容比   为使轴承不会产生气锤振动,气容比必须满足下列要求:

式中   Vc—— 供、排气腔或稳压气腔容积;

Z—— 气腔数目

气体静压轴承

气体静压轴承

pa—环境压力;p0—节流器出口压力;

ps—供气压力;dj—节流孔径

孔式节流窄轴承的载荷系数

孔式节流窄轴承的载荷系数

载荷系数的修正系数

载荷系数的修正系数

缝式节流径向轴承的载荷系数

缝式节流径向轴承的载荷系数

(ps50N/cm2双排缝)

支承在弹性气膜上的转子

支承在弹性气膜上的转子

m—转子质量;L1—转子质量中心到轴承1中线的距离;

L2—转子质量中心到轴承2中线的距离

高速气体静压轴承的稳定区

高速气体静压轴承的稳定区

A—转子振幅;ω—转子角速度

气体静压径向轴承的设计参数

气体静压径向轴承的设计参数

设计参数

     

     

节流器参数

ps/pa

B/D

b/B

ε

Zdjλ

节流

类型

孔式节流

2~10

 

0.35~0.8

 

0.5~2

1/2(单列)

1/4~1/8 (双列)

0.1~0.5

 

Z6~12

dj(1~5)×10-2

缝式节流

1()

2()

 

λ1~2

气体静压推力轴承

气体静压推力轴承

气体静压推力轴承有圆形、环形和矩形等供气方式有单孔、多孔、狭缝等见表气体静压润滑轴承。单孔供气的圆形推力轴承承载能力高流量小结构简单但角刚度低。多孔和狭缝供气的环形推力轴承角刚度高常和径向轴承联合使用应用广泛

(1)孔式节流型

推力轴承的节流孔数、孔径与间隙之间的关系仍可由表气体静压径向轴承中式(3)和式(4)确定其中和径向轴承不同的只是尺寸系数推力轴承尺寸系数为

其承载能力、刚度和流量计算如下

1)单孔圆形推力轴承(单孔圆形推力轴承)

无量纲承载力

无量纲刚度

流量

2)多孔环面节流环形推力轴承(多孔环面节流环形推力轴承)

无量纲承载力

无量纲刚度

当按最大刚度设计时

流量

环形轴承一列孔的位置Rc按下式计算

小孔节流型环形轴承可提高承载能力30%左右。为获得更高承载能力和大的角刚度可设计成双列供气孔形式

计算推力轴承的稳定性主要是计算气锤振动其判据和径向轴承相同即气容比

(2)缝式节流型

对于单列周向缝式节流推力轴承

系数ξ通常是给定的因此上式给出λ的关系。一般设计建议按表缝式节流静压推力轴承的λ荐用值选取λ等值

轴承的静态性能如下

无量纲承载力

无量纲刚度

流量

(3)靠径向排气支承的推力轴承

这种推力轴承无供气孔或缝仅靠径向轴承的排气作为供气源如图靠径向轴承排气支承的推力轴承所示。其结构简单耗气量小小载荷的支承广泛采用。设径向轴承的排气压力为

推力轴承的无量纲承载力

单孔圆形推力轴承

单孔圆形推力轴承

多孔环面节流环形推力轴承

多孔环面节流环形推力轴承

缝式节流静压推力轴承的p0和λ荐用值

缝式节流静压推力轴承的λ荐用值

供气压力  ps/pa

2

3

5

λ

0.65

0.72

0.77

0.68

0.69

0.70

0.64

0.61

0.58

靠径向轴承排气支承的推力轴承

靠径向轴承排气支承的推力轴承

气体静压球面轴承

气体静压球面轴承

球面轴承常用的结构型式有中心小孔节流型、周向多孔(单列或双列)环面节流型和周向狭缝(单列和双列)节流型三种见表气体动压、润滑轴承和表气体静压润滑轴承

(1)中心小孔节流型

这种轴承结构简单制造容易轴向承载能力高涡流力矩小但其水平承载能力低易发生锤振动。一般主要用作轴向承载其承载能力

(2)多孔环面节流型

周向多孔环面节流轴承与中心小孔节流轴承相比其水平承载能力高但涡流力矩大制造困难

若以eHez分别代表水平和轴向偏心量在小偏心下具有下列近似关系

轴承的水平和轴向承载能力可按下式估算

式中

对于θ290°的部分球面轴承设计要求其值尽量接近于1的选取要从不阻塞条件及要求的值考虑通常在0.40.6之间取值

球面轴承的涡流力矩主要决定于轴承表面质量(光洁度、不圆度等)和节流孔加工精度(等分度、垂直度)。轴承精度愈高涡流力矩愈小

(3)狭缝节流型

缝式节流球面轴承的涡流力矩小水平承载能力界于上述两种结构之间

气源

气源

常用气体压缩机或气瓶作为轴承气源,个别也可用主机废气(航空发动机)、化工流程尾气作气源

供气压力ps通常在20100N/cm2之间,压力稳定度应为供气压力的±5%左右。气体清洁度要求:灰尘粒度一般小于35μm;湿度不大于65%,必须有较精密的稳压器和过滤器

孔式节流静压组合轴承计算步骤

孔式节流静压组合轴承计算步骤

例:设计一用空气润滑的径向轴承和推力轴承组合的孔式节流静压轴承。已知:n70000r/mind4cmR26cm。对轴承的要求是:径向承载能力大于500N;轴向承载能力大于1000N;轴承刚度G3.5×105N/cm;流量小于8m3/h。两径向支承轴承之间的跨距为16cm。计算步骤及结果见下表

计算公式及说明

  

 

 

 

 

 

 

d

cm

根据要求选取

4

n

r/min

 

70000

角速度ω

1/s

7.33×103

宽径比 B/D

 

 

1

轴承宽度 B

cm

B[B/D]D

4

供气孔位置 b/B

 

选取(参见表气体静压径向轴承的设计参数

1/4

供气孔数 Z

 

选取(参见表气体静压径向轴承的设计参数

8

气体粘度 η

N·s/cm2

 

1.8×10-9

气体常数 R

cm2/(s2·K)

 

2.87×106

供气压力 ps

N/cm2

 

70

环境压力 pa

N/cm2

 

10

压力比

 

按最大刚度选取

0.69

Y

 

1.24

压力系数 Yp

 

0.135

气体介质系数 Yη

cm

1.76×10-4

尺寸系数 Yd

1/cm

孔径dj与间隙h0之间的关系

 

间隙 h0

cm

 

1.5×10-3

节流孔直径 dj

cm

2×10-2

凹穴深度 hg

cm

4×10-3

凹穴直径 dg

cm

0.35

最大偏心率 εmax

 

根据不同工作机械的要求选定

0.5

 

查图孔式节流窄轴承的载荷系数

0.42

修正系数 kx

 

查图载荷系数的修正系数

0.7

载荷系数

 

0.3

承载能力 F

N

576

G

N/cm

3.84×105

节流孔出口压力 p0

cm3/s

5.14

流量 Qj

cm3/s

500

 

 

 

 

 

 

推力轴承外半径 R2

cm

 

6

节流孔所在半径 Rc

cm

3.46

外内径比

 

3

节流孔数 Z

 

 

8

尺寸系数 Yd

1/cm

孔径dj与间隙h0之间的关系

 

间隙 h0

cm

 

1.5×10-3

节流孔直径 dj

cm

0.14

载荷系数

 

0.314

承载能力 F

N

1890

刚度系数

 

0.446

G

N/cm

17.9×105

流量 Qt

cm3/s

454

总流量 Q

cm3/h

6.87

 

 

 

 

 

 

 

 

两径向轴承中线跨距2L

cm

  (L1L2)

16

除轴以外旋转部件的等效质量盘的厚度 t

cm

 

0.6

轴质量 m1

kg

0.205

除轴以外旋转部件的等效质量盘的质量 m2

kg

0.111

转子质量 m

kg

mm1+m2

0.316

极转动惯量 Ip

kg·m2

2.41

横向转动惯量 It

kg·m2

198

Ω1

1/s2

2.5×107

Ω2

1/s2

2.91×107

Ω32

1/s4

0

临界角速度

1/s

5000

临界角速度

1/s

5400

1/s

 

6210

1/s

 

8500

校核稳定性

 

稳定6210ω73308500