氣體潤滑軸承

氣體潤滑軸承用氣體作潤滑劑的滑動軸承。最常用的氣體潤滑劑為空氣，根據需要也可用氮、氬、氫、氦或二氧化碳等。氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同。

基本介紹

• 中文名稱：氣體潤滑軸承
• 外文名稱：Gas lubricating bearing
• 摩擦係數：0.03~0.20
• 導熱係數：42W(m.K)-1
• 線膨脹係數：11x11-6K
• 使用溫度：-195℃~+280℃
• 間斷性運作：3.6N/mm2.m/s

概述

氣體潤滑軸承是用氣體作為潤滑劑的滑動軸承。它利用氣體的傳輸性(擴散性、粘性和熱傳導性)、吸附性和可壓縮性，使之在摩擦副之間，在流體動壓效應、靜壓效應和擠壓效應的作用下，形成一層完整氣膜，具有支承載荷、減少摩擦的功能。

氣體潤滑軸承

用氣體作潤滑劑的滑動軸承。最常用的氣體潤滑劑為空氣，根據需要也可用氮、氬、氫、氦或二氧化碳等。在氣體壓縮機、膨脹機和循環器中，常以工作介質作為潤滑劑。氣體軸承可用於紡織機械、電纜機械、儀表工具機、陀螺儀、高速離心分離機、牙鑽、低溫運轉的制冷機、氫膨脹機和高溫運轉的氣體循環器等。

氣體軸承特點

①摩阻極低：由於氣體粘度比液體低得多，在室溫下空氣粘度僅為10號機械油的五千分之一,而軸承的摩阻與粘度成正比,所以氣體軸承的摩阻比液體潤滑軸承低。 ②適用速度範圍大：氣體軸承的摩阻低，溫升低，在轉速高達5萬轉/分時,其溫升不超過20～30℃，轉速甚至有高達130萬轉/分的。氣體靜壓軸承還能用於極低的速度，甚至零速。

③適用溫度範圍廣：氣體能在極大的溫度範圍內保持氣態，其粘度受溫度影響很小(溫度升高時粘度還稍有增加，如溫度從20℃升至100℃,空氣粘度增加23%),因此,氣體軸承的適用溫度範圍可達-265℃到1650℃。

④承載能力低：動壓軸承的承載能力與粘度成正比，氣體動壓軸承的承載能力只有相同尺寸液體動壓軸承的千分之幾。由於氣體的可壓縮性，氣體動壓軸承的承載能力有極限值，一般單位投影面積上的載荷只能加到0.36兆帕。

⑤加工精度要求高:為提高氣體軸承的承載能力和氣膜剛度,通常採用比液體潤滑軸承小的軸承間隙(小於0.015毫米)，需要相應地提高零件精度。

氣體潤滑軸承的類型

氣體潤滑軸承一般分為氣體動壓軸承、氣體靜壓軸承和氣體擠壓軸承3種類型。實際軸承的潤滑狀態常常以動、靜壓，動、擠壓，靜、擠壓及動、靜、擠壓混合潤滑狀態形式存在。氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同，故也分為氣體動壓軸承和氣體靜壓軸承。按承受載荷的方向不同，又可分為氣體徑向軸承、氣體推力軸承和氣體徑向推力組合軸承。氣體動壓軸承是利用氣體在楔形空間產生的流體動壓力來支承載荷的。常在軸頸或軸瓦的表面做出淺螺紋槽，利用槽的泵唧作用提高承載能力。圖1 [氣體動壓螺旋槽推力軸承]為氣體動壓螺旋槽推力軸承。氣體靜壓軸承(圖2 [氣體靜壓軸承])的供氣壓力一般不超過0.6兆帕。氣體通過供氣孔進入氣室，然後分數路流經節流器進入軸承和軸頸的間隙，再從兩端流出軸承，在間隙內形成支承載荷的靜壓氣膜。氣體靜壓軸承的內孔表面一般不開氣腔，以增大氣膜剛度，提高穩定性。

氣體潤滑軸承的特性

優點

(1)速度高　

小型氦渦輪膨脹機轉速已達650 000r/min，線速度為238m/s，按dn值計算已達到455x106mm·r/min。

(2)精密度高　

氣膜具有誤差勻化作用，其精度比滾動軸承高兩個數量級，而且振動小，噪聲低。

(3)摩擦損耗小　

氣體粘度僅為潤滑油粘度的千分之一，所以氣膜內摩擦引起的摩擦轉矩比油膜的低三個數量級。

(4)適用溫度範圍寬，能抗原子輻射　

耐高溫可達300—500℃，溫度低到10K氣體軸承仍能工作。

(5)無污染　

潤滑氣體一般為空氣或惰性氣體，排放到大氣不產生污染。軸承的振動小、噪聲低，對環境也不構成污染。

(6)壽命長

氣體靜壓軸承無金屬直接接觸，理論壽命為無限長。考慮其他條件限制，一般應在104h以上。動壓氣體軸承啟停瞬間存在金屬間摩擦，壽命受一定影響，但也在3000h以上。

缺點

(1)承載能力低

氣體潤滑軸承與同類油潤滑軸承比，承載能力約低1～2個數量級。按單位面積承載能力，油潤滑軸承一般為(0．5～2)MPa，而氣體潤滑軸承則只有(0．02～0．04)MPa。

(2)可靠性差

一方面是氣體潤滑軸承容易失穩，出現常見的氣錘振動及渦動不穩定現象。另一方面是氣體潤滑軸承卡滯、抱軸或咬死現象也時有發生。

(3)需要的製造精度高，造價昂貴

因氣膜很薄，一般在幾微米到幾十微米之間，所以對零件製造精度要求較高，提高了造價。另外，有加工螺旋槽、節流小孔和多孔質材料等特殊工藝要求，增加了製造難度和費用。

(4)要求工作條件苛刻

氣體潤滑軸承需要高清潔度的工作環境及嚴格遵守操作規程，以確保軸承正常工作，不發生意外。為此，一定程度地限制了它的廣泛套用和商品化。

氣體潤滑軸承的套用

氣體潤滑軸承在工具機中的套用實例：氣體潤滑軸承在工具機中主要用於主軸支承，包括工件軸、刀具軸、砂輪軸等。工具機主軸軸承一般採用氣靜壓軸承和動靜壓混合軸承兩種。小型高速主軸也可採用波箔軸承。氣體靜壓軸承在工具機中套用最多，其中以小孔節流和環面節流軸承最為普遍。多孔質氣體靜壓軸承近年來越來越多地被用於工具機主動靜壓混合潤滑軸承。浮環動靜壓氣體軸承是近年來新開發的高速氣體潤滑軸承，用於高速主軸支承很有前景。超高速空氣軸承內圓磨頭目前的磨削速度已可實現小孔和微小孔的精密磨削。採用空氣軸承使工具機的加工精度提高了2—3個數量級，可實現精密鏡面加工。

工藝與原理

特殊生產工藝

由於特殊生產工藝的要求，工礦企業的某些關鍵設備在極為惡劣的工況下運行。由於設備重、環境溫度高，粉塵大或空氣中含酸性腐蝕氣體CO，SO2等，對設備的潤滑帶來很多問題，摩擦磨損嚴重，截止目前為止，國內上述企業大部分仍沿用傳統的油、脂潤滑，而事實上這些工礦條件已超出了油、脂潤滑的範圍，極易發生軸承及其他摩擦副的咬傷或咬死，引起嚴重的零件磨損和損壞，經常性地導致設備停運。為了生產連續運行，除在原始設計上要求安裝多台設備輪修外，還須投入大量維修人員。嚴重地限制著生產率的提高，備品備件和能源消耗極大，已成為發展生產的重要障礙。汽車製造、水泥生產、石油化工等企業都提出了提供複雜工況條件下特種潤滑材料要求。為此，對鑲嵌式自潤滑複合材料研究，在材料配方和製備工藝上突出自身特色，材料性能已達到了國際先進水平，為企業解決了特殊工況下的潤滑問題，並帶來了明顯的經濟和社會效益。但由於多種原因國內更多的企業尚未採用，上述狀況依然存在。

氣體潤滑軸承

關鍵技術原理

鑲嵌式自潤滑軸承採用的複合材料是一種新型的抗極壓固體潤滑材料，由金屬底材與嵌入底材的孔或槽中的固體潤滑劑膏體構成。在摩擦過程中金屬底材承擔了絕大部分負荷。經摩擦，孔或槽中的固體潤滑劑向摩擦面轉移或反轉移，在摩擦面上形成潤滑良好、牢固附著並均勻覆蓋的固體轉移膜，大幅度降低了摩擦磨損。隨摩擦的進行，嵌入的固體潤滑劑不斷提供於摩擦面，保證了長期運行時對摩擦副的良好潤滑。

水潤滑軸承詳細參數

一，P117系列止推軸承成本低廉，強度耐磨性一般，適合做各種潛水電泵的上止推軸承。

氣體潤滑軸承

二，COP系列止推軸成本價較低，適合做小功率低揚程潛水電泵的下止推軸承（止推軸承外徑85mm以上，功率11km揚程65m以下）

三，聚四氟乙烯系列止推軸承成本適中，是目前潛水電泵使用的主流產品，適合做中高揚潛水電泵的下止推軸承。

四，S299高強度止推軸承成本較高，適合做大功率高揚程潛水電泵的下止推軸承。

五，S299B高強止推軸承

六，S299G高耐磨高耐壓目前高科技產品

七，M120H系列石墨燒結軸承（石墨燒結浸漬環氧樹脂）成本較低，適合做18.5KW以下各種潛水電泵的導向軸承。

八，M120B系列石墨燒結軸承（石墨燒結浸漬巴氏合金）成本較高，18.5KW以上各種潛水電泵的導向軸承及各種大功率，高揚程潛水電泵的下止推軸承。

九，M102B（石棉鐵）成本較高，適合做18.5KW以上潛水電泵的導向軸承。

總結

氣體潤滑軸承可用於紡織機械、電纜機械、儀表工具機、陀螺儀、高速離心分離機、牙鑽、低溫運轉的制冷機、氫膨脹機和高溫運轉的氣體循環器等。

早在1854年，法國人G.A.伊恩就提出過用氣體作潤滑劑的構想。1896年第一個空氣軸承問世。1913年英國人W.J.哈里森發表氣體潤滑軸承流體動力學分析的論文。50年代以來，氣體軸承的套用逐步擴大，並受到廣泛和深入的研究。

氣體軸承有以下特點。①摩阻極低：由於氣體粘度比液體低得多，在室溫下空氣粘度僅為10號機械油的五千分之一,而軸承的摩阻與粘度成正比,所以氣體軸承的摩阻比液體潤滑軸承低。②適用速度範圍大：氣體軸承的摩阻低，溫升低，在轉速高達5萬轉/分時,其溫升不超過20～30℃，轉速甚至有高達 130萬轉/分的。氣體靜壓軸承還能用於極低的速度，甚至零速。③適用溫度範圍廣：氣體能在極大的溫度範圍內保持氣態，其粘度受溫度影響很小（溫度升高時粘度還稍有增加，如溫度從20℃升至100℃,空氣粘度增加23%）,因此,氣體軸承的適用溫度範圍可達-265℃到1650℃。④承載能力低：動壓軸承的承載能力與粘度成正比，氣體動壓軸承的承載能力只有相同尺寸液體動壓軸承的千分之幾。由於氣體的可壓縮性，氣體動壓軸承的承載能力有極限值，一般單位投影面積上的載荷只能加到0.36兆帕。⑤加工精度要求高:為提高氣體軸承的承載能力和氣膜剛度,通常採用比液體潤滑軸承小的軸承間隙(小於 0.015毫米)，需要相應地提高零件精度。

氣體潤滑軸承

氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同，故也分為氣體動壓軸承和氣體靜壓軸承。按承受載荷的方向不同，又可分為氣體徑向軸承、氣體推力軸承和氣體徑向推力組合軸承。氣體動壓軸承是利用氣體在楔形空間產生的流體動壓力來支承載荷的。常在軸頸或軸瓦的表面做出淺螺紋槽，利用槽的泵唧作用提高承載能力。圖1為氣體動壓螺旋槽推力軸承。氣體靜壓軸承（圖2）的供氣壓力一般不超過 0.6兆帕。氣體通過供氣孔進入氣室，然後分數路流經節流器進入軸承和軸頸的間隙，再從兩端流出軸承，在間隙內形成支承載荷的靜壓氣膜。氣體靜壓軸承的內孔表面一般不開氣腔，以增大氣膜剛度，提高穩定性。

製造氣體軸承的材料有工具鋼、青銅、鎢鈷鉬合金、粉末冶金多孔材料、陶瓷和工程塑膠等。