主動靜壓氣體潤滑支承的研究進展*

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及控制教育部重點實驗室 湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室 湖北武漢 430081；3.華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室 湖北武漢 430074)

靜壓氣體潤滑支承作為精密超精密運動載體的主要支承形式，廣泛應(yīng)用于精密超精密制造裝備，如超精密機床、光刻機、高速主軸、微渦輪發(fā)動機、零重力模擬系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備等。如圖1所示為傳統(tǒng)靜壓氣體潤滑支承結(jié)構(gòu)示意圖，外部供給的高壓氣體沿氣體管路流經(jīng)節(jié)流孔后進入兩支承面間的間隙，然后向四周擴散，最后從氣浮軸承出口流入外部環(huán)境，氣體向四周擴散的同時會在間隙內(nèi)形成一層微尺度厚度的具有承載能力的氣膜。當(dāng)靜壓氣體潤滑支承外部負荷發(fā)生變化時，氣膜間隙也發(fā)生變化，因而影響氣膜內(nèi)部氣體壓力，從而再次平衡外部負荷。高壓氣體薄膜可實現(xiàn)兩支承面之間無接觸支承，由于氣體黏度遠遠小于油液黏度，其摩擦幾乎可以忽略不計，因此摩擦損耗近乎為0，接近理想支承所追求的目標(biāo)，具有近零摩擦、無磨損、運動平穩(wěn)等優(yōu)點。

圖1 靜壓氣體潤滑支承潤滑示意圖Fig 1 The diagram of aerostatic lubrication bearing

節(jié)流方式是影響靜壓氣體潤滑支承性能的主要因素，KASSAB等[1-2]通過實驗研究了小孔節(jié)流孔尺寸和供氣壓力對靜壓止推軸承承載力、靜剛度、質(zhì)量流量的影響，發(fā)現(xiàn)節(jié)流孔直徑對靜態(tài)性能影響顯著。由于小孔固有節(jié)流的靜壓氣體潤滑支承承載力和剛度較小，為了提高支承剛度，可在節(jié)流孔出口周圍加工淺腔或淺槽結(jié)構(gòu)，形成二次節(jié)流[3-6]。CHEN和HE[7]研究了矩形腔、菱形腔、球形腔、無腔等不同腔型對壓力分布、承載力特性的影響，發(fā)現(xiàn)有腔結(jié)構(gòu)的承載力、剛度顯著大于無腔結(jié)構(gòu)。不少學(xué)者在靜壓氣體潤滑支承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面開展了大量研究工作，從而提高了靜壓氣體潤滑支承的承載能力、剛度和質(zhì)量流量等，而與此同時發(fā)現(xiàn)，隨著氣膜間隙的減小、均壓腔深度的增大和供氣壓力的增加，微振動均會隨之加劇。研究者模擬計算發(fā)現(xiàn)，氣體潤滑支承在節(jié)流孔出口附近存在氣體壓強陡降和氣旋現(xiàn)象[8-12]。ZHU等[13]采用大渦模擬分析了均壓腔內(nèi)氣體微觀流動狀態(tài)，揭示了湍流渦與氣體壓力波動的因果關(guān)系，揭示了氣體潤滑支承微幅振動發(fā)生根源。

因此，設(shè)計靜壓氣體潤滑支承不僅要考慮靜壓氣體潤滑支承的靜態(tài)特性，也要考慮靜壓氣體潤滑支承的微振動問題。由于傳統(tǒng)靜壓氣體潤滑支承存在剛度低、阻尼低和微振動等問題，不少研究人員提出基于真空加載、電磁加載和壓電作動控制的主動靜壓氣體潤滑支承，基本工作原理是利用超精密位移或壓力傳感器，分別測出靜壓氣體潤滑支承氣膜內(nèi)的間隙或氣體壓力的變化值，然后將氣膜厚度或氣體壓力變化值反饋到驅(qū)動控制器，通過先進的控制算法控制作動器的運動，改變節(jié)流器的節(jié)流面積、節(jié)流高度或氣膜面形狀，從而改變氣膜內(nèi)部的壓力分布，提高靜壓氣體潤滑支承承載能力、動剛度和穩(wěn)定性等動態(tài)特性。主動控制技術(shù)是提高靜壓氣體潤滑支承動態(tài)性能非常有效的方法。本文作者介紹靜壓氣體潤滑支承控制技術(shù)近些年的研究新動態(tài)，從真空預(yù)加載技術(shù)、磁力預(yù)加載技術(shù)、電磁主動控制技術(shù)及壓電主動控制技術(shù)4個方面對研究現(xiàn)狀進行了簡要綜述。

1 真空預(yù)加載技術(shù)

真空預(yù)加載是在滑塊的氣浮工作面上設(shè)計一個真空腔，依靠真空負壓將靜壓氣體潤滑支承吸附在導(dǎo)軌的靜壓氣體潤滑支承面上，從而產(chǎn)生預(yù)加載荷，形成較薄且穩(wěn)定的工作氣膜，提高靜壓氣體潤滑支承剛度。潘晉等人[14]采用伽遼金等參有限元法分析了真空平衡型氣體靜壓軸承，并探討其工作機制。研究表明：真空吸附靜壓氣體潤滑支承承載能力降低，最大剛度提高。薛龍[15]把氣膜厚度作為真空度變量與導(dǎo)軌參數(shù)、軸承參數(shù)聯(lián)系起來，為定量分析真空度對靜壓氣體潤滑支承作用提供了理論依據(jù)。張從鵬和劉強[16]在精密X/Y運動工作臺采用真空預(yù)載技術(shù)，滿足了高剛度等性能需求。陳爭和杜建軍[17]分析了真空腔面積比、節(jié)流孔徑、節(jié)流孔個數(shù)以及供氣壓力等因素對軸承穩(wěn)態(tài)特性的影響。結(jié)果表明：真空腔面積比值在 (1/6，1/3)之間選取較佳。STADLER等[18]研發(fā)了相對精度定位的真空預(yù)載靜壓氣體潤滑支承的直線運動平臺，如圖2所示，直線運動平臺的振動振幅從20 nm降至10 nm。劉珊珊等[19-20]提出了一種真空預(yù)加載的靜壓氣體潤滑支承結(jié)構(gòu)，其中間部分為真空腔，環(huán)形氣浮支承四周對稱均布有6個紅寶石節(jié)流孔，并分析了供氣壓力、真空度、氣膜間隙等工作參數(shù)對其承載能力和剛度的影響。OH等[21]研發(fā)了基于真空預(yù)載靜壓氣體潤滑支承測量裝置，用于測量設(shè)備的軌道輪廓和直線運動誤差，如圖3所示。由于受到真空度及真空腔面積等相關(guān)條件限制，真空預(yù)載需犧牲一定的承載力，且對靜壓氣體潤滑支承剛度的提高效果有限。

圖2 真空預(yù)載靜壓氣體潤滑支承的直線運動平臺Fig 2 The linear motion stage with vacuum preloaded aerostatic lubrication bearing

圖3 真空預(yù)載靜壓氣體潤滑支承測量裝置Fig 3 The measuring apparatus with vacuum preloaded aerostatic lubrication bearing

2 磁力預(yù)加載技術(shù)

磁力預(yù)加載是在導(dǎo)軌和滑套上鑲嵌磁鋼等永磁體，靠磁場吸引力將靜壓氣體潤滑支承吸附在導(dǎo)軌的靜壓氣體潤滑支承面上，形成磁力預(yù)加載。SLOCUM等[22]研發(fā)了磁力預(yù)載靜壓氣體潤滑支承直線運動臺，如圖4所示。

圖4 磁力預(yù)載靜壓氣體潤滑支承直線運動臺Fig 4 The linear motion stage with magnetic preloaded aerostatic lubrication bearing

利用直線電機定子的永久磁鐵產(chǎn)生的磁力預(yù)載靜壓氣體支承，提高了直線運動臺的穩(wěn)定性。WANG和HUANG[23]研發(fā)的磁預(yù)載與復(fù)合孔相結(jié)合的靜壓氣體潤滑支承可以降低空氣的波動，增加空氣膜的剛度，從而提高軸承的穩(wěn)定性和容量。TING等[24]研發(fā)了一種將渦輪和主軸與徑向靜氣軸承和軸向被動磁性軸承相結(jié)合的微型高速轉(zhuǎn)子軸承，提高了轉(zhuǎn)子軸承的動態(tài)性能并降低了噪聲。HUANG和CHANG[25]設(shè)計了一種帶磁力預(yù)緊的磁氣混合靜壓氣體潤滑支承，如圖5所示，磁氣混合靜壓氣體潤滑支承不僅能有效防止氣錘振動產(chǎn)生，而且明顯提高了靜壓氣體潤滑支承法向承載能力和降低了微振動的幅度。張俊等人[26]在三軸標(biāo)定臺的3個方向上安裝磁力預(yù)壓式靜壓氣體潤滑支承，實現(xiàn)了機構(gòu)的無摩擦運動。磁力預(yù)緊可提高靜壓氣體潤滑支承剛度和精度，但電磁驅(qū)動部件存在體積大和電磁干擾等潛在風(fēng)險，限制了其應(yīng)用范圍。

圖5 磁氣混合靜壓氣體潤滑支承示意圖Fig 5 Magnetic preloaded aerostatic lubrication bearing

3 電磁主動控制技術(shù)

靜壓氣體潤滑支承電磁主動控制技術(shù)，是利用通電線圈產(chǎn)生的電磁力，主動控制靜壓氣體潤滑支承特性。RO等[27-30]提出一種基于電磁主動控制的氣浮運動直線平臺，如圖6所示，其運動平臺四周對稱均布4個電磁作動器，位移傳感器測量的位置變化值反饋到驅(qū)動控制器，通過先進的控制算法控制線圈電流的大小來調(diào)整電磁作用力的大小，實現(xiàn)電磁作動器的運動控制。這樣不僅可以提高靜壓氣體潤滑支承的剛度，而且可以實時補償氣浮導(dǎo)軌的直線度誤差，從而提高氣浮運動臺的運動精度。MORIMOTO等[31]研發(fā)了磁氣混合支承的激光切割運動臺，如圖7所示，提出了非線性定位控制方法，提高了激光切割的效率和定位精度。JANG等[32]研發(fā)了一種具有主動磁控制的靜壓氣體潤滑支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，通過主動反饋控制調(diào)整其剛度和阻尼，將其運行速度從27 000 r/min提高到了35 000 r/min。然而，電磁控制存在遲滯、非線性和端部效應(yīng)等問題，會增加控制系統(tǒng)成本和控制難度。

圖6 磁力主動靜壓氣體潤滑支承運動臺Fig 6 The motion stage with magnetic active aerostatic lubrication bearing

圖7 磁氣混合支承的激光切割運動臺Fig 7 The laser cutting motion stage with magnetic active aerostatic lubrication bearing

4 壓電主動控制技術(shù)

部分學(xué)者提出利用壓電作動器主動改變節(jié)流特性來主動控制靜壓氣體潤滑支承動態(tài)特性。MIZUMOTO等[33-36]提出了一種基于壓力反饋節(jié)流器(Aerostatically Controlled Restrictor，ACR)的靜壓氣體潤滑支承主軸，利用壓力反饋控制節(jié)流器補償內(nèi)部氣體壓力分布，提高了靜壓氣體潤滑支承的動態(tài)特性，但卻無法主動控制其動態(tài)特性。PARK等[37-38]設(shè)計了一種柔性結(jié)構(gòu)與壓電驅(qū)動相結(jié)合的主動控制節(jié)流器，如圖8所示，通過壓電執(zhí)行器伸縮控制柔性結(jié)構(gòu)形變，改變了節(jié)流器的節(jié)流面積，達到增強動剛度和降低微振動的目的。MOROSI、PIERART等[39-40]設(shè)計了一種錐形主動控制節(jié)流器靜壓氣體潤滑支承，如圖9所示，利用壓電執(zhí)行器的伸縮變化驅(qū)動錐形推桿的運動改變節(jié)流器氣體入口處的節(jié)流面積，達到主軸徑向微振動的抑制。

圖8 主動控制節(jié)流器Fig 8 Active controlled restrictor

圖9 錐形主動控制節(jié)流靜壓氣體潤滑支承Fig 9 Aerostatic lubrication bearing with cone active controlled restrictor

MIZUMOTO等[41-48]提出了一種基于主動排氣控制節(jié)流器(Exhaust Control Restrictor，ECR)的靜壓氣體潤滑支承主軸，如圖10所示，該節(jié)流器不與支承表面直接接觸，通過壓電執(zhí)行器實現(xiàn)氣膜內(nèi)氣體泄漏量的主動控制，避免氣錘的產(chǎn)生，提高靜壓氣體潤滑支承的動態(tài)特性。MIZUMOTO等[49-51]設(shè)計了一種基于主動固有節(jié)流器(Active Inherent Restrictor，AIR)的靜壓氣體潤滑支承，壓電執(zhí)行器作為主動節(jié)流器，四周采用硅脂橡膠密封，如圖11所示。 該靜壓氣體潤滑支承通過控制壓電執(zhí)行器電流實現(xiàn)壓電執(zhí)行器的伸縮，達到控制節(jié)流口與基座之間的距離的目的，即改變節(jié)流高度， 最終影響節(jié)流效果從而改變氣膜壓力分布。

圖10 主動排氣控制節(jié)流器Fig 10 Exhaust control restrictor

圖11 主動固有節(jié)流器Fig 11 Active inherent restrictor

AL-BENDER、AGUIRRE等[52-53]提出了基于支承面形狀可控的主動靜壓氣體潤滑，如圖12所示，該靜壓氣體潤滑支承柔性支承周向?qū)ΨQ均布3個壓電執(zhí)行器，壓電執(zhí)行器的伸縮可以控制柔性支承面的形變，從而改變氣膜內(nèi)部氣體壓力分布，提高其動剛度特性。然而，3個壓電執(zhí)行器的同步控制增加了控制難度和控制成本。

圖12 氣膜面可控主動靜壓氣體潤滑支承Fig 12 Active aerostatic bearings via gas film shape control

圖13 主動靜壓氣體潤滑徑向支承Fig 13 Active aerostatic lubrication journal bearing

5 結(jié)論

壓電主動控制技術(shù)為提高靜壓氣體潤滑支承的動態(tài)性能提供了新的思路。如果能將主動固有節(jié)流器、主動控制節(jié)流器或氣膜錐度可控靜壓氣體潤滑支承有效結(jié)合，必將使核心部件制造在保證更加優(yōu)良的靜態(tài)性能的同時，獲取更高的動態(tài)性能。為達到該目標(biāo)，需要進一步研究下述問題：

(1) 運用流體力學(xué)、機械動力學(xué)和先進控制等理論，運用理論分析、仿真計算、實驗驗證相結(jié)合的方式，研發(fā)主動固有節(jié)流器和主動控制節(jié)流器相結(jié)合的主動氣體潤滑支承新構(gòu)型。

(2) 針對研制出的主動氣體潤滑支承新構(gòu)型，揭示其瞬態(tài)流動規(guī)律，提出主動補償策略，實現(xiàn)主動氣體潤滑支承的大承載、高剛度和高穩(wěn)定性。