氣體軸承

氣體軸承，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。

基本介紹

• 中文名：氣體軸承
• 外文名：gas bearing
• 特點：摩阻極低,適用速度範圍大
• 套用：紡織機械、電纜機械、儀表工具機

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。

氣體軸承幾種形式

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。

類型

1）氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同，故分為氣體動壓軸承和氣體靜壓軸承。

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。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：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。

2）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。

氣體軸承斯特林制冷機

斯特林制冷機性能數值模擬

研究的氣體軸承斯特林制冷機結構如圖所示，主要部件是熱端換熱器、冷端換熱器、回熱器、排出器、直線壓縮機及其支撐部件等。方波電壓載入於直線電機，直線電機驅動活塞往復運動於氣缸內部，產生壓力波，一分部高壓氣缸驅動排出器往復運動，一部分高壓氣體經熱端散熱器冷卻進入冷端膨脹製冷，產生低溫效應。

藉助Sage軟體對氣體軸承斯特林制冷機進行數值模擬和最佳化。通過對制冷機內部製冷工質的質量、動量和能量守恆方程，以及理想氣體狀態方程進行數值計算，模擬制冷機內部複雜的交變流動狀態，計算內部動態參數和製冷性能變化規律，為制冷機的設計和最佳化提供理論支撐。

氣體軸承設計與最佳化

氣體軸承作為斯特林制冷機的核心零部件之一，其設計的合理性直接影響活塞是否能夠穩定懸浮於氣缸內部，以及氣浮支撐活塞所需高壓氣體量，直接影響制冷機的整機效率因此，依託計算流體力學為基礎，建立氣體軸承流場分析的三維模型，分析氣膜支撐特性參數承載力和剛度，進而最佳化氣膜間隙內部的流動特性，滿足活塞氣浮支撐的要求，同時降低氣浮支撐產生的負面效應，提升制冷機的輸出效率。

運用有限元分析氣膜流場的壓力分布。最終設計滿足使用要求的的氣體軸承最大承載力為3.76N，最大氣膜剛度為1512N/mm；最小承載力為2.81N，最小氣膜剛度為846N/mm。通過制冷機整機多次運行結果發現，活塞運行平穩，無撞缸現象，且活塞表面無明顯的軸向劃痕，氣缸表面亦無摩擦的痕跡，證明設計的氣體軸承滿足活塞穩定懸浮於氣缸內部要求，且運行平穩，達到極好的狀態。