胡英貝,李副來,韓 濤,郝大慶
(洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039)
隨著氣體潤滑理論的逐步完善和氣體軸承制造技術(shù)的不斷進步,氣體軸承在高速度、高精度、低摩擦、環(huán)保性、耐用性等方面顯現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。氣浮止推軸承以其低摩擦、低功耗、運行平穩(wěn)、運動精度高、無發(fā)熱、不污染環(huán)境以及可工作于極高或極低溫度條件下等優(yōu)點而被應用于航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域。下面介紹一種大型敞開式氣浮止推軸承。
工程中通常使用的兩種靜壓氣浮止推軸承的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1為單孔節(jié)流氣浮止推軸承;圖2為多孔節(jié)流氣浮止推軸承。單孔節(jié)流軸承是最簡單,最經(jīng)濟的結(jié)構(gòu),承載能力和剛度大于多孔節(jié)流軸承;但由于其氣腔容積較大,易產(chǎn)生振動,穩(wěn)定性較差。而環(huán)形多孔節(jié)流軸承氣腔容積較小,穩(wěn)定性較高;因此,這里采用圖2所示的軸承結(jié)構(gòu)。
圖1 單孔節(jié)流氣浮止推軸承示意圖
圖2 多孔氣浮止推軸承靜態(tài)穩(wěn)定性計算模型
此氣浮止推軸承各結(jié)構(gòu)尺寸及工作參數(shù)為:c=650 mm,a=300 mm,b=300 mm,小孔個數(shù)n=36,氣室直徑d=8 mm,氣室深度δ=0.2 mm,小孔直徑d0=0.3 mm,氣浮間隙g=0.01 mm,氣浮定子(氣浮上盤)質(zhì)量m1=1 800 kg;氣浮軸承間隙中高壓氣流的壓力pi=0.27 MPa,進氣壓力ps=0.5 MPa,標準大氣壓pa=0.1 MPa。
在靜壓氣浮軸承設(shè)計中,節(jié)流器是設(shè)計的關(guān)鍵,它不僅決定軸承的主要性能,而且涉及到軸承的加工難度。這里選用環(huán)形孔式節(jié)流器,結(jié)構(gòu)如圖3所示。該節(jié)流器小孔孔徑為0.3 mm,這種節(jié)流器外徑面被加工成螺紋,安裝非常方便(安裝后節(jié)流器排氣端面比氣浮平面低0.2±0.03 mm)。同時,安裝過程中需用螺紋鎖固膠密封,確保螺紋部分沒有氣體溢出。它的優(yōu)點是:具有較好的穩(wěn)定性而不容易發(fā)生氣錘現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)簡單,容易加工。
圖3 環(huán)形孔式節(jié)流器示意圖
氣浮軸承的氣浮承載力F是由內(nèi)流區(qū)、外流區(qū)氣浮承載力和大氣壓力綜合作用的結(jié)果,則F的計算式為[1]:
(1)
(2)
(3)
對于內(nèi)流區(qū)(a≤r≤b),則,
對于外流區(qū)(b≤r≤c),則,
式中:p1和p2分別為氣浮止推軸承內(nèi)流區(qū)、外流區(qū)的壓力。
由(1)式~(3)式得:
(4)
式中:Kgo為表壓比。表壓比Kgo反映了氣膜的承載能力大小,表壓比越大承載力越大,反之承載力越小。其計算公式為:
將有關(guān)參數(shù)代入(4)式得:F=93.334 kN,滿足78.4 kN的承載要求。
由圖2可知,氣室總體積及氣膜體積分別為:
Vf=π(c2-a2)g。
代入各相關(guān)數(shù)據(jù)得:
此軸承的氣浮面為環(huán)形,c=650 mm,a=300 mm,如此大的氣浮面對平面度和表面粗糙度要求較高(平面度要在0.005 mm以內(nèi),表面粗糙度要在0.4 μm以內(nèi)),同時,氣浮上、下盤的平行差要求在0.025 mm內(nèi)。在加工過程中,各工序的加工應力對工件的尺寸影響較大,為保證工件的精度,此套軸承上、下氣浮盤面在粗車加工后在井式爐中進行40 h 330~350 ℃的人工時效處理,在精車加工后井式爐中進行60 h 230~250 ℃的人工時效處理;并在平面磨加工后進行氮化處理(氮化爐內(nèi)500 ℃氮化50 h),最后還進行了人工研磨,確保了上、下氣浮盤面的精度。實踐證明,下盤在設(shè)計時應當適當加大厚度,可有效提高工件剛性從而減小尺寸的變形。
此大型氣浮止推軸承的研制成功,為以后設(shè)計和加工更大、承載更高的產(chǎn)品摸索出一條道路。通過前期的理論計算進行分析評估,可使產(chǎn)品加工流程化、規(guī)范化,降低產(chǎn)品開發(fā)和制造成本,減少產(chǎn)品加工周期。