某精密測(cè)量?jī)x器用空氣軸承的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

郝大慶，李副來(lái)，張煒，胡英貝

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 儀器開(kāi)發(fā)部，河南 洛陽(yáng) 471039)

空氣軸承是將外部壓縮空氣導(dǎo)入空氣軸承的間隙中，借助形成的壓力氣膜支承載荷并減小摩擦實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的[1]。用于圓柱形零件精密測(cè)量?jī)x旋轉(zhuǎn)主軸的空氣軸承是軸頸軸承和止推軸承的聯(lián)合形式[2-4]，相對(duì)于傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承，能夠使精密儀器的精度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。空氣軸承是該測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵部件，其精度決定著儀器的精度。下文將敘述該種空氣軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)軸承的承載力和精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

軸承轉(zhuǎn)速范圍為1～10 r/min；圓度誤差為0.025 μm；軸向載荷不小于1 500 N；徑向載荷不小于400 N。

2 確定空氣軸承的類型

空氣軸承的類型可分為動(dòng)壓軸承、擠壓膜軸承和靜壓軸承[5]。

動(dòng)壓軸承是一種完全自成系統(tǒng)的軸承，與外壓力源及其他設(shè)備無(wú)關(guān)，在陀螺和核工程中最早獲得應(yīng)用。但因其加工精度高，成本昂貴，承載力低，尚未得到廣泛應(yīng)用。

擠壓膜軸承與外部氣源無(wú)關(guān)，壓力是在軸承表面之間由方向與軸承表面垂直的振動(dòng)產(chǎn)生。

靜壓軸承通稱為外部供壓空氣軸承，氣體由氣源經(jīng)節(jié)流器進(jìn)入軸承間隙形成氣膜，然后連續(xù)地從軸承外邊緣排到周圍大氣中。

綜合考慮加工能力、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成本等各因素，本案確定選用靜壓軸承。靜壓軸承的節(jié)流形式及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1[1]。

表1 幾種靜壓軸承節(jié)流形式對(duì)比

由表1可知，小孔節(jié)流和環(huán)面節(jié)流是應(yīng)用較多的節(jié)流形式，參照文獻(xiàn)[6]所做的試驗(yàn)與分析，確定該靜壓軸承采用小孔節(jié)流的形式。

3 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承總體結(jié)構(gòu)為徑向-止推聯(lián)合型軸承，使用時(shí)為立式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中上、下止推板和軸套組成了止推軸承，主軸和軸套組成了徑向軸承。

1—下止推板；2—進(jìn)氣口；3—上止推板；4—主軸；5，8—軸向節(jié)流孔；6—徑向節(jié)流器；7—軸套

根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，供氣孔直徑越小,軸承剛度越大，但對(duì)軸承精度要求也較高，相應(yīng)的零件加工難度和成本也會(huì)提高。根據(jù)現(xiàn)有的加工能力將供氣孔直徑定為d=0.3 mm，軸向氣膜間隙設(shè)計(jì)為h=0.02 mm。通常軸承承載力隨著供氣孔個(gè)數(shù)的增加而增大，考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的承載力不小于1 500 N，將供氣孔個(gè)數(shù)設(shè)定為n=12，即上、下止推板上各單列環(huán)形分布12個(gè)噴嘴，這樣能夠提高軸承在最大靜剛度點(diǎn)時(shí)的氣膜間隙值，從而降低軸承的加工難度，滿足軸向氣膜間隙h=0.02 mm的設(shè)計(jì)要求。

徑向軸承小孔供氣共4排，每排12個(gè)孔，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 徑向軸承結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的徑向和軸向承載力計(jì)算式估算軸承的承載力。靜壓氣體軸承徑向靜態(tài)承載力近似計(jì)算式為

W=CiLD(ps-pa)，

(1)

靜壓氣體平板止推多孔軸承靜態(tài)承載力近似計(jì)算式為

(2)

式中：Ci為承載系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]雙排孔取0.25；ps為進(jìn)氣壓力，取0.36 MPa;pa為噴嘴出口壓力，取0.1 MPa；r1為止推軸承平板中間孔半徑，取20 mm，r2為止推軸承平板半徑，取90 mm；L=2L*(圖2)，取120 mm；D為徑向軸承內(nèi)徑，取80 mm。

由(1)和(2)式可得，軸承理論徑向承載力為624 N，理論軸向承載力為1 840 N。計(jì)算結(jié)果均大于設(shè)計(jì)值，滿足要求。

4 軸承承載力驗(yàn)證

檢測(cè)空氣軸承承載力的方法是直接在軸承的徑向和軸向施加載荷，然后檢測(cè)軸承的氣膜間隙，以判斷軸承是否浮起。

4.1 軸承徑向靜態(tài)承載力驗(yàn)證

試驗(yàn)加載方式如圖3所示。

1—扭簧表;2—軸套;3—主軸

試驗(yàn)平臺(tái)由2個(gè)大理石平板組成，要求平板的平面度在0.005 mm以下。試驗(yàn)環(huán)境溫度要求為(20±1)℃。試驗(yàn)前先用水平儀把2個(gè)平板調(diào)整至同一高度，誤差不超過(guò)0.01 mm，大理石平板與支架之間裝有橡膠墊，以隔離地面?zhèn)鱽?lái)的振動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)把軸承放置到平臺(tái)上固定好，通入0.36 MPa高壓過(guò)濾空氣；在軸套上方靠近中間位置放置1個(gè)精度為0.001 mm的扭簧表，表的測(cè)頭接觸軸套表面，通氣前記錄表的讀數(shù)，通氣后加載砝碼前再記錄表讀數(shù)，2個(gè)讀數(shù)之差為軸承空載時(shí)(未加砝碼時(shí)只有軸套的質(zhì)量)的氣膜間隙(主軸與軸套上部的間隙)。

加載時(shí)用1根兩端帶有掛鉤的細(xì)鋼絲掛在軸套上順著軸套兩邊垂下，掛鉤上掛有相同質(zhì)量的2個(gè)砝碼，掛上砝碼后須保持軸套不動(dòng)，表的測(cè)頭始終測(cè)量軸套上的1個(gè)固定點(diǎn)，鋼絲置于軸套的中間位置(圖3)，加載砝碼重量為指標(biāo)要求的最大加載400 N減去軸套重量220 N，即加載力為180 N，這里取整為200 N，以便于選取砝碼，此時(shí)記錄表的讀數(shù)。如前所述重復(fù)3次，每次試驗(yàn)過(guò)程都須切斷氣源后再通氣和加載，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表可知，加載到200 N時(shí)平均間隙為1.3 μm，此時(shí)軸承還能正常旋轉(zhuǎn)。當(dāng)砝碼重量增加到250 N時(shí)軸承已經(jīng)不能浮起，可以判斷軸承徑向承載力不小于400 N，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表2 軸承徑向間隙測(cè)量值 μm

4.2 軸承軸向靜態(tài)承載力驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)[8]方法設(shè)計(jì)的軸承軸向試驗(yàn)加載裝置如圖4所示。試驗(yàn)平臺(tái)與軸承徑向試驗(yàn)所用平臺(tái)一致，試驗(yàn)環(huán)境溫度為(20±1)℃，進(jìn)氣壓力為0.36 MPa，在軸承主軸下方安裝1個(gè)精度為0.001 mm的扭簧表，表頭接觸到主軸中心點(diǎn)位置。試驗(yàn)時(shí)將載荷施加于上止推面上，當(dāng)加載到1 800 N(指標(biāo)要求為1 500 N)時(shí)，軸承仍能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。當(dāng)載荷增加到2 010 N時(shí)軸承不再浮起。

圖4 軸向試驗(yàn)加載裝置示意圖

表3 軸承軸向間隙測(cè)量值 μm

5 圓度誤差測(cè)量

儀器整機(jī)裝配完成后即可對(duì)所設(shè)計(jì)軸承的圓度誤差進(jìn)行測(cè)量。軸承測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，軸承和精密旋轉(zhuǎn)軸由1個(gè)柔性聯(lián)軸節(jié)連接，聯(lián)軸節(jié)可以消除2根軸安裝偏心引起的旋轉(zhuǎn)誤差。精密軸系由電動(dòng)機(jī)通過(guò)具有一定減速比的同步帶輪和皮帶驅(qū)動(dòng)，精密軸驅(qū)動(dòng)空氣軸承以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。電氣方面包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、1個(gè)電感傳感器以及相應(yīng)的信號(hào)處理電路和1臺(tái)電腦。用1粒標(biāo)定圓度誤差為0.03 μm的玻璃球?qū)S承進(jìn)行圓度測(cè)量，測(cè)量時(shí)將傳感器測(cè)頭接觸到玻璃球表面，并調(diào)整玻璃球和軸承的旋轉(zhuǎn)中心偏心誤差在1 μm以內(nèi)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為5 r/min，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得的整機(jī)圓度誤差為0.05 μm，由此可推算出主軸的圓度誤差為0.02 μm，表明軸承設(shè)計(jì)完全滿足指標(biāo)要求。

圖5 空氣軸承測(cè)試圖

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的空氣主軸軸承包含軸頸軸承和止推軸承，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)分別計(jì)算了軸頸軸承和止推軸承的承載力，并對(duì)成品軸承進(jìn)行了承載力加載試驗(yàn)和圓度誤差測(cè)量，結(jié)果顯示軸承各參數(shù)值均在設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)，完全可以滿足儀器的使用要求。

設(shè)計(jì)的軸承徑向和軸向承載力均比指標(biāo)要求的高，其中徑向載荷為624 N，軸向載荷為1 840 N，雖然增加了成本，但可以提高使用安全系數(shù)。對(duì)比加載試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果可以看出，止推軸承理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際承載相差11%；而徑向承載力兩者相差約31%。產(chǎn)生誤差的原因可能是零件存在加工誤差或軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理，如節(jié)流孔直徑、節(jié)流孔數(shù)目以及節(jié)流孔的布局等，這些將在以后同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中給予關(guān)注。