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 |
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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 |
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比较项目 |
孔 式 供 气 |
缝 式 供 气 |
多孔质轴衬供气 |
反馈供气 |
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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 |
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示 意 图 |
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轴 承 性 能 |
承载能力 |
高 |
较低 |
较高 |
最低 |
高 |
最高 |
刚度 |
最大 |
较小 |
大 |
小 |
大 |
极大 |
|
流量 |
最小 |
较小 |
大 |
最大 |
大 |
小 |
|
稳定性 |
差 |
较好 |
好 |
最好 |
好 |
较差 |
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涡流力矩 |
大 |
大 |
小 |
最大 |
最小 |
大 |
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宽 径 比 |
0.5~2 |
0.5~2 |
≤1 |
≥2 |
任意 |
任意 |
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影 响 因 素 |
非轴向流 |
大 |
大 |
小 |
最小 |
最小 |
大 |
散流 |
大 |
大 |
小 |
大 |
小 |
大 |
|
供气压力 |
大 |
大 |
小 |
小 |
大 |
最大 |
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气体种类 和温度 |
有 |
有 |
无 |
无 |
有 |
有 |
气体静压径向轴承
气体静压径向轴承 |
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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(缝),每一列沿圆周方向均匀布置若干小孔(狭缝),以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 |
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(1)确定压力比 |
式中 p0为设计状态(ε=0)下节流器的出口压力 按最大承载设计取 使用空气作润滑剂时,压缩指数k=1.401。则 若取 pa/ps>0.213或pa/ps<4.7 若取 |
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(2)确定节流器参数与间隙h0的关系 |
1)孔式节流 根据(式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Aj=πdjh0; α—— 流量系数,对小孔节流 当Yp、Yη和轴承尺寸D、b已知时(通常α=0.80),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h0=h 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>(3~5)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) |
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2)缝式节流 可按(式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λ=1~2。在 |
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(3)静态性能计算
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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 |
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孔 式 节 流 |
①承载能力 式中 |
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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: |
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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(式9)估算: 式中 f为流量系数,可取f=0.3~0.48(亚音速流)或f=0.484(超音速流);T为绝对温度 |
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缝 式 节 流 |
①承载能力 可按(式6)计算,其中 |
|
②刚度 可按(式7)计算 |
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③流量 |
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(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)按(式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值,大值称为 当ω< 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 |
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②气容比 为使轴承不会产生气锤振动,气容比 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 |
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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 |
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载荷系数的修正系数
载荷系数的修正系数 |
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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 |
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(ps=50N/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 |
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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 |
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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 |
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设计参数 |
供 气 参 数 |
结 构 参 数 |
运 转 参 数 |
节流器参数 |
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ps/pa |
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B/D |
b/B |
ε |
Z、dj、λ |
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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
|
Z=6~12 dj=(1~5)×10-2 |
缝式节流 |
≤1(周) ≥2(轴) |
|
λ=1~2 |
气体静压推力轴承
气体静压推力轴承 |
|
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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(图单孔圆形推力轴承) 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(图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,有 系数ξ通常是给定的,因此,上式给出 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 |
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多孔环面节流环形推力轴承
多孔环面节流环形推力轴承 |
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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 |
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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 |
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气体静压球面轴承
气体静压球面轴承 |
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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eH、ez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θ2≤90°的部分球面轴承, 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20~100N/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3~5μm;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 |
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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:n=70000r/min;d≤4cm;R2≤6cm。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G≥3.5×105N/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 |
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计 算 项 目 |
单 位 |
计算公式及说明 |
结 果 |
|
径
向
轴
承 |
轴 径 d |
cm |
根据要求选取 |
4 |
转 速 n |
r/min |
已 知 |
70000 |
|
角速度ω |
1/s |
|
7.33×103 |
|
宽径比 B/D |
|
选 取 |
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 |
已 知 |
1.8×10-9 |
|
气体常数 R |
cm2/(s2·K) |
已 知 |
2.87×106 |
|
供气压力 ps |
N/cm2 |
选 取 |
70 |
|
环境压力 pa |
N/cm2 |
已 知 |
10 |
|
压力比 |
|
按最大刚度选取 |
0.69 |
|
系 数 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 |
选 取 |
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 |
|
取0.35 |
|
最大偏心率 εmax |
|
根据不同工作机械的要求选定 |
0.5 |
|
|
|
0.42 |
||
修正系数 kx |
|
0.7 |
||
载荷系数 |
|
|
0.3 |
|
承载能力 F |
N |
|
576 |
|
刚 度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 |
推力轴承外半径 R2 |
cm |
选 取 |
6 |
节流孔所在半径 Rc |
cm |
|
3.46 |
|
外内径比 |
|
|
3 |
|
节流孔数 Z |
|
选 取 |
8 |
|
尺寸系数 Yd |
1/cm |
|
|
|
孔径dj与间隙h0之间的关系 |
|
|
|
|
间隙 h0 |
cm |
选 取 |
1.5×10-3 |
|
节流孔直径 dj |
cm |
|
取0.14 |
|
载荷系数 |
|
|
0.314 |
|
承载能力 F |
N |
|
1890 |
|
刚度系数 |
|
|
0.446 |
|
刚 度 G |
N/cm |
|
17.9×105 |
|
流量 Qt |
cm3/s |
|
454 |
|
总流量 Q |
cm3/h |
|
6.87 |
|
稳
定
性
校
核 |
两径向轴承中线跨距2L |
cm |
选 取(L1=L2) |
16 |
除轴以外旋转部件的等效质量盘的厚度 t |
cm |
选 取 |
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 |
m=m1+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6210<ω=7330<8500 |