CN101042159A - 一种空气轴承 - Google Patents

Abstract

一种空气轴承，主要用于超精密气浮运动系统和三坐标测量机中运动部件的设计，属于超精密设备及测量技术领域。本发明的主要技术特征是在空气轴承的中部区域设计了一个由上腔室和下腔室及阻尼孔组成的类似空气弹簧双腔室的结构，从而提升了空气轴承的阻尼能力，克服了空气轴承对振动或冲击衰减时间过长，系统难以稳定的缺点，提供了一种高稳定性空气轴承，降低了外加振动和冲击及空气轴承本身固有的微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害。

Description

一种空气轴承

技术领域

本发明涉及一种空气轴承，主要用于超精密气浮运动系统和三坐标测量设备中运动部件的设计，属于超精密设备及测量技术领域。

背景技术

空气轴承是超精密气浮运动系统和三坐标测量机中的关键部件，它具有高刚度、清洁和无摩擦等诸多优点，但同时也具有稳定性不好的缺点，制约它稳定性的主要因素之一就是其阻尼能力较弱。

现有空气轴承结构(见图1)中空气流动为单方向，阻尼主要来自于节流孔处紊流消耗的微小能量，导致其阻尼性能较弱，如需要衰减已经发生的振动或冲击，阻尼较小就会造成衰减时间过长，系统难以稳定的缺点；另一方面，空气轴承本身固有的微振动也会危害整个运动系统的静态和动态性能。微振动是由于气体在气道内不稳定流动产生的振动，而流体在管道中的不稳定流动能够诱发振动，其成因主要有两个：一是在管道中流动的流体要对管壁施加压力，这种压力就使管道挠曲变形，流体以稳定的形态在管道中流通时，也会使管道发生挠曲，这些变形称为流体输送管道的不稳定性；二是流体在管道中流动时如果形成湍流，也会引发振动，而湍流在工程中是很难避免的，即便流道平滑、流速很小，也将形成旋涡，很难将湍流激振最小化，当湍流流过结构时，在结构表面产生表面压力波动，湍流引起的振荡发生在一个很宽的频率范围。

提升其阻尼能力将有助于提升空气轴承的稳定性。华中理工大学就研究了通过多孔质节流增大阻尼的方法，但是多孔质节流空气轴承制造不方便导致应用范围不广，目前国外先进超精密气浮运动平台基本都采用小孔节流和表面节流方式。随着超精密气浮运动系统向更高速度因此，增大空气轴承阻尼能力，提升其稳定性具有重大现实意义。

发明内容

本发明的目的是本着提升空气轴承的阻尼能力，克服现有空气轴承对振动或冲击衰减时间过长，系统难以稳定的缺点，提供一种高稳定性空气轴承，以降低外加振动和冲击及空气轴承本身固有的微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种空气轴承，含有空气轴承本体，在空气轴承本体的上部设有环槽和与环槽相连通的节流孔，并在节流孔内设有节流塞，其特征在于：在所述的空气轴承本体上部中央设有上腔室，下部中央设有下腔室，在上腔室和下腔室之间设有阻尼孔；所述的空气轴承本体的上部与被支承件的下部固定连接，空气轴承本体的下部与轴承座之间留有气隙，形成一个类似空气弹簧双腔室的结构。

本发明所述的上腔室和下腔室可采用圆形或方形结构。上腔室的容积应大于下腔室的容积。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明由于采用了类似空气弹簧双腔室的结构，有效提升了空气轴承的阻尼能力，克服了空气轴承对振动或冲击衰减时间过长，系统难以稳定的缺点，降低了外加振动和冲击及空气轴承本身固有的微振动对整个运动系统的静态和动态性能的危害。另外，此种空气轴承的上腔室和下腔室使用简单机械加工就能完成，阻尼孔的制作完全可以借用空气轴承其他节流孔的制作，就结构加工而言非常容易，几乎不增加加工难度和时间。

附图说明

图1为现有的空气轴承的主剖视图。

图2为本发明提供的空气轴承的结构示意图(主剖视图)。

图3为图2中空气轴承本体的俯视图。

图4为现有双腔室空气弹簧的主剖视图。

图中：1-被支承件；2-空气轴承本体；3-轴承座；4-上腔室；5-阻尼孔；6-下腔室；7-环槽；8-节流孔；9-节流塞；10-进气孔；11-缸体；12-空气弹簧下腔室；13-隔板；14-小节流孔；15-空气弹簧上腔室；16-柔性橡胶密封圈；17-活塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理、结构及具体实施实施方式作进一步的说明。

图2为本发明提供的空气轴承的结构示意图，该空气轴承含有空气轴承本体2，在空气轴承本体的上部设有环槽7和与环槽相连通的节流孔8，并在节流孔内设有节流塞9，在空气轴承本体2上部中央设有上腔室4，下部中央设有下腔室6，在上腔室4和下腔室6中间设有阻尼孔5。空气轴承本体的上部与被支承件的下部固定连接，空气轴承本体的下部与轴承座之间留有气隙，形成一个类似空气弹簧双腔室的结构。压力空气由被支承件上的进气孔10进入空气轴承的环槽7，然后流经节流孔8后到达空气轴承本体2与轴承座3间的气隙，在小孔附近形成高压，在小孔中部区域压力虽然有些降低，但是还能维持0.12～0.2Mpa的水平，这个中部区域流体相对稳定，甚至可以看成近似“静止”，成为“空气弹簧的虚拟空气活塞”(详见图2，图3)。

当空气轴承发生上下振动时，中部近似“静止”的压力空气经过阻尼孔在两个腔室中往复运动，产生与空气弹簧一样的能量耗散机制，大大提升了空气轴承的阻尼能力。

空气轴承本体2上部中央的上腔室4和下腔室6一般采用或圆形或方形，上腔室4的容积应大于下腔室6的容积，具体尺寸由双腔室空气弹簧的相应理论公式按阻尼需要设计。

双腔室空气弹簧是一种结构简单、性价比优秀的弹簧阻尼元件部件，其结构基本构成如图4所示，圆形或者方形的缸体11，中部通过隔板13分为空气弹簧上腔室15和空气弹簧下腔室12，空气弹簧上腔室和空气弹簧下腔室内部充满了压力空气，隔板上安装小节流孔14，活塞17通过柔性橡胶密封圈16与缸体上部连接。其减振原理是活塞或缸体受到外界扰动发生上下振动时，上下腔室内部空气产生压力差，压力差使空气往复通过腔室间节流孔产生节流效应，将振动能量转化为热能，从而衰减振动的目的。空气弹簧能够实现低频大阻尼值高频小阻尼值的阻尼能力，理论上能够提供0～∞的阻尼值。如果将这种结构形式引入到空气轴承的结构中，理论上就可以增大空气轴承的阻尼能力。

双腔室空气弹簧是通过空气经过上/下腔室之间的节流孔产生阻尼。该类型空气弹簧隔振器的动力学分析在各种文献中都有讨论，这些文献主要通过流体连续方程推导出其传递率公式：

$\frac{x_p\left(s\right)}{x_{\mathrm{base}}\left(s\right)}=\frac{\frac{n{P}_0{A}_p^2}{V_{t0}}(s+\frac{n{P}_0{C}_r{n}_0}{V_b})}{m_p{s}^3+\frac{m_{p}n{P}_0{C}_r{n}_0(V_{t0}+V_b)}{V_{t0}{V}_b}{s}^2+\frac{n{P}_0{A}_P^2}{V_{t0}}s+\frac{n^2{P}_0^2{n}_0{C}_r{A}_P^2}{V_{t0}{V}_b}}$

其中常数 $C_r=\frac{\mathrm{\π}{d}^4}{128\mathrm{\μl}};$ 空气粘度常数μ＝1.824E^-5Pa*s；P₀＝上下腔室初始压力；m_p＝负载质量；A_p＝活塞面积；V_b＝下腔室体积；V_t0＝上腔室初始体积；多变常数n＝1.4；n₀＝节流孔数目；l＝节流孔长度；d＝节流孔直径。

Claims (3)

1.一种空气轴承，含有空气轴承本体(2)，在空气轴承本体的上部设有环槽(7)和与环槽相连通的节流孔(8)，并在节流孔内设有节流塞(9)，其特征在于：在所述的空气轴承本体(2)上部中央设有上腔室(4)，下部中央设有下腔室(6)，在上腔室(4)和下腔室(6)之间设有阻尼孔(5)；所述的空气轴承本体(2)的上部与被支承件(1)的下部固定连接，空气轴承本体(2)的下部与轴承座(3)之间留有气隙，形成一个类似空气弹簧双腔室的结构。

2.按照权利要求1所述的空气轴承，其特征在于：所述的上腔室(4)和下腔室(6)采用圆形或方形。

3.按照权利要求1所述空气轴承，其特征在于：所述的上腔室(4)的容积大于下腔室(6)的容积的。

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