CN2842057Y - 高刚度气体静压轴承 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种高刚度气体静压轴承，首次将节流孔与均压槽变化结合运用提高气体静压轴承的刚度。在普通气体静压轴承的承载面上附加一弹性薄板，弹性薄板与气体静压轴承紧配合，外载荷变化时，压力使弹性薄板变形，在承载面上的节流孔周围形成可变均压槽，弹性薄板上节流孔的面积也随之改变，以提高气体静压轴承的刚度。从气体静压轴承的结构着手，利用经典的机械设计，以气膜压力自反馈来提高刚度，本实用新型从根本上解决了气体静压轴承刚度较低的问题。本实用新型不附加繁杂的控制系统，就可提高和改变刚度，扩大了气体静压轴承的应用范围。提供一种适于机械工程大量应用的、结构简单、方便应用的高刚度气体静压轴承。
Description
技术领域
本发明涉及机械领域，主要涉及超精密加工的空气推力轴承，具体讲是一种高刚度气体静压轴承。
背景技术
微细加工技术，是现代化工业生产发展的趋势之一，也是高新技术领域的一个重要组成部分。
近年来在精密和超精密检测和加工中得到广泛应用的气体静压轴承如图1和图2所示，气体静压轴承设有进气孔5和节流孔2，节流孔2很小，气体静压轴承内部设有气腔6，气腔6与进气孔5和节流孔2气路相通。节流孔2所在面为气体静压轴承的承载面，通常在节流孔2处还设有潜腔3。由节流孔2出来的空气压力远远大于进气压力和气体静压轴承腔内的压力。气体静压轴承的外形也可以是方形、矩形或其它形状，节流孔2的数目可以是四个也可以比四个更多。安装时节流孔2所在面与工作平面接触，气体静压轴承工作时即在通气状态下，气源由进气孔5进入气体静压轴承，由几个节流孔2出气，在节流孔2所在面与工作平台1之间产生气膜，气体静压轴承的另一面与工作台或工件固连，由于气膜的作用，通过气体静压轴承可以承载起工作台或工件面进行平移，实现无摩擦、无噪声的运动。气体静压轴承具有气体粘度极低，摩擦阻力小，运动速度快；运动平滑，精度高，低速运动无爬行；耐高、低温性能好，适应环境的能力强，特别是能在辐射条件下工作；不污染环境；清洁度高，噪音、振动小等特点。广泛地应用于微细加工技术领域，无论是精密加工、工艺、机械设备，还是量测仪器。
空气静压轴承有着自身独特的优势，但是现有的气体静压轴承在实际运用中也存在有明显的不足之处，如承载能力小，刚度低，对各种工况的适应能力不强。所以如何设法提高气体静压轴承的刚度就成为工程应用中迫切需要解决的问题，这也正是本实用新型要解决的主要问题。从工程上讲，能从根本上提高气体静压轴承的刚度，就是进一步提高这类轴承的性能，扩大和促进空气静压轴承的实际应用，进一步发挥空气静压轴承无噪声、精度高、不污染环境等其它轴承不可替代的独特作用。
普通的气体静压轴承所承载的刚度是由它的节流孔决定的，一旦生产制造成型其所能承载的刚度的不可变的。
目前，对于提高气体静压轴承刚度的研究主要从两个方面展开：一类是压力反馈自控制(Self--Controlled)节流无穷静刚度气体润滑轴承的研究；另一类是气膜间隙反馈主动控制(Active--controlled)节流无穷刚度气体润滑轴承的研究。
《Journal of Tribology》1992年第4期的P270～P273上，有ZbyszkoKazimierski发表的论文《Gas Bear of Infinite Stiffness》(无穷刚度气体轴承)，其中阐述了上述第一类，即通过压力反馈来自控制轴承节流提高刚度的方法；2001年，哈尔滨工业大学的博士研究生齐乃明，在博士论文《自主式高刚度精密气体径向轴承的研究》中采用上述第二类方法，即气膜间隙反馈来提高轴承的刚度。文中提到采用电容传感器测量气膜厚度的变化，然后将变化量经控制板A/D输给计算机，并由其完成控制算法，再经控制板的D/A输出给功放电路板，最终送给控制阀实现轴承气场分布的控制，提高轴承的刚度。这种方案解决了轴承刚度的可调，但是给气体静压轴承附加了很多外部机构使得压力反馈的控制变得机构繁多，程序复杂。
这两种方法都是在气体静压轴承上加一个反馈系统，包括传感器、闭环控制系统、以及执行机构，大多采用计算机控制。这种外加反馈系统的方法可以获得比较大的反馈控制量，特别适用于负载较大的系统和设备，但是这样诸多的外加机构，仅仅控制系统的机构就远远大于并多于气体静压轴承本身，使得气体静压轴承在不影响其精度要求的前提下，加工制造更为复杂，成本也越高。因此，对于负载不是很大的情况，以及超精密系统中，无论是气体静压轴承的生产、测试以及使用均存在环节多，成本高，配套机构繁杂，生产、安装、制造均较麻烦，费时和不方便。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有气体静压轴承本身刚度低的弱点，在不附加繁杂的控制系统的情况下，改变气体静压轴承本身的结构，通过气膜压力自反馈来提高气体静压轴承的刚度，扩大了气体轴承的应用范围，提供一种适于工程大量应用的、刚度可调、结构精巧、简单、无需任何附加机构、可方便应用的高刚度气体静压轴承。
本实用新型的实现是该高刚度气体静压轴承，包括有气体静压轴承本体、进气孔、节流孔、气腔，气腔与进气孔、节流孔气路相通，其特征在于：还包括有弹性薄板，弹性薄板附加在气体静压轴承本体的承载面，弹性薄板的外形与气体静压轴承本体的外形相同，与气体静压轴承本体紧配合，当外载荷变化时，压力使弹性薄板变形，在承载面上的节流孔周围形成可变均压槽，均压槽的槽宽与轴承内的环形气腔宽度一致，槽深即为弹性薄板的凸凹深度。弹性薄板上节流孔的面积也随之改变，通过该薄板，首次将节流孔与均压槽的变化结合在一起来提高轴承的刚度。
在气体静压轴承的承载面上附加弹性薄板结构，节流孔设在弹性薄板上，通过气膜压力反馈使弹性薄板产生弹性变形从而形成均压槽，引起节流孔面积与均压槽深度的变化，从而达到提高刚度的目的。
本实用新型的实现还在于弹性薄板为台阶形，气腔为环形气腔，环形气腔设在弹性薄板的高台部分。以环面可变节流与弹性可变均压槽相结合，实现增大承载力的作用。
本实用新型的实现还在于高刚度气体静压轴承，弹性薄板在环形气腔处的厚度为0.4mm～1mm。
通过轴承的气膜压力自反馈进行反馈控制，来提高气体静压轴承的刚度，即气膜压力反馈使坏形弹性薄板产生弹性变形从而形成均压槽，能使轴承刚度较传统结构的气体轴承有质的突破，在一定范围内，刚度至少可提高2～10倍。
由于本实用新型从气体静压轴承本身的结构着手进行改进，利用经典的机械设计，从根本上解决了提高气体静压轴承刚度的问题，环面可变节流与弹性可变均压槽相结合，在承载面采用弹性薄板实现可变节流面均压槽，以气膜压力自反馈来提高气体静压轴承的刚度，通过改变气体静压轴承本身的结构，使得本实用新型不需附加繁杂的控制系统，就可提高和改变气体静压轴承的刚度，扩大了气体轴承的应用范围。提供一种适于工程大量应用的、刚度可调、结构精巧、简单、无需任何附加机构、可方便应用的高刚度气体静压轴承。
附图说明：
图1是图2的轴承的仰视图；
图2是现有技术气体静压轴承的结构示意图；
图3是本实用新型的构成示意图；
图4是本实用新型的工作原理示意图；
图5是本实用新型实施例2的构成示意图；
图6是图5A-A向的剖面图。
具体实施方式：
下面结合附图进行详细说明
实施例1：
如图3所示，本实用新型是一种高刚度的气体静压轴承，不仅包括有气体静压轴承本体1、进气孔5、节流孔2、气腔6，气腔6与进气孔5、节流孔2气路相通，还包括有弹性薄板4，弹性薄板4附加在气体静压轴承本体1的承载面，弹性薄板4的外形与气体静压轴承本体1的外形相同，与气体静压轴承本体1紧配合，并用胶粘固。轴承本体1为Ф60mm的圆形气体推力轴承，轴承本体1材料采用金属材料，弹性薄板4形状也为的Ф60mm圆形，弹性薄板4的厚度为0.5mm。参见图4，当外载荷变化时，压力变化，使弹性薄板4变形，在承载面上的节流孔2周围形成可变均压槽7，弹性薄板4上节流孔2的面积也随之改变。因加压引起节流孔2面积与均压槽7深度的变化，利用气膜压力自反馈增加了气体静压轴承的刚度，较同尺寸的静压轴承刚度提高11倍。
实施例2：
如图5所示，气体静压轴承的外形和材料同实施例1，弹性薄板4为台阶形，气腔6为环形气腔，环形气腔6设在弹性薄板4的高台部分。加工时，在弹性薄板4上车出一个环形槽，经配合并胶粘固之后，该槽就是将气体导向四个节流小孔2的环形气腔6，弹性薄板4在环形气腔6处的厚度为1mm。当气体静压轴承工作时，气体由进气孔5输入，通过环形气腔6，最后由节流孔2输出到工作表面形成气膜。当载荷增大或减小时，弹性薄板4沿气腔6方向内凹或外凸，改变了节流口2的面积并形成了可变深度的均压槽7，从而改变了轴承的刚度，较同尺寸的静压轴承刚度提高35倍。
实施例3：
参见图5，高刚度气体静压轴承的组成及构成同实施例2，气体静压轴承本体1内的气腔6为环形气腔。弹性薄板4为台阶形，弹性薄板4在环形气腔6处的厚度为0.4mm，弹性薄板7上的节流孔3的直径为Ф0.25mm，气体静压轴承外经是Ф60mm，环形气腔6的内外经分别为Ф32mm和Ф48mm，制造时供气压力Pl＝0.4MPa。取供气压力Ps＝0.5MPa，供气温度T0＝300K，绝热指数k＝1.4，动力粘度＝μ1.883×10-4kg/m3，密度γa＝1.226kg/m3，喷嘴流量系数C0＝0.85。气体静压轴承比相同尺寸的无弹性薄板、无均压槽、且其它条件不变的普通气体轴承来讲，本实用新型的承载能力达到了500N以上，而普通轴承的承载能力仅有200N以下。实施例1的最大刚度产生在h＝6μm附近，达到了60N/μm，而普通轴承的刚度仅有(6-10)N/μm。
实施例4：
总体的组成和结构同实施例2，外形为50mm×80mm的长方形气体推力轴承，弹性薄板4的形状也为50mm×80mm长方形，弹性薄板4在环形气腔6处的厚度为0.7mm，此实施例比相同尺寸50mm×80mm的普通气体推力轴承的静刚度有显著提高，刚度可提高20倍。
本实用新型的工作原理如图4所示，加工完成后的自然状态下，轴承的承载面上的弹性薄板4的变形部分就出现了凹下去的初始均压槽7。槽宽与轴承内的环形气腔6宽度一致，槽深与制造时供气压力Pl的大小与位置有关。
本实用新型的刚度随气膜压力变化的范围是：高刚度气体静压轴承内的环形气腔6中工作时的供气压力为Ps(Ps＞Pl)，当载荷增大的时侯，环形弹性薄板4所承受的分布载荷使均压槽7进一步内凹，节流孔面积增大，导致气膜压力增大，承载能力迅速提高，这一过程中气膜间隙明显减小，轴承静刚度明显提高；当载荷逐步减小，均压槽几乎消失，节流孔面积减小，导致气膜压力减小，承载能力明显下降；如果载荷进一步减小时由于Ps＞Pl，则均压槽会产生外凸变形，轴承可能出现负刚度，承载能力几乎丧失，本实用新型由于增加了弹性薄板4的结构可以使气体静压轴承的刚度可调，可以从负刚度到正刚度，大大地扩大了静压轴承的应用范围。
气体静压轴承的工作是：气体由进气孔5输入气体静压轴承，通过环形气腔6，最后由节流孔2输出到工作表面形成气膜。当载荷增大或减小时，弹性薄板4沿气腔6方向内凹或外凸，改变了节流口2的面积并形成了可变深度的均压槽7，从而改变了轴承的刚度。
Claims (3)
1.一种高刚度气体静压轴承，包括有气体静压轴承本体(1)、进气孔(5)、节流孔(2)、气腔(6)，气腔(6)与进气孔(5)、节流孔(2)气路相通，其特征在于：还包括有弹性薄板(4)，弹性薄板(4)附加在气体静压轴承本体(1)的承载面，与气体静压轴承本体(1)紧配合，当外载荷变化时，压力使弹性薄板(4)变形，在承载面上的节流孔(2)周围形成可变均压槽(7)，弹性薄板(4)上节流孔2的面积也随之改变。
2.根据权利要求1所述的高刚度气体静压推力轴承，其特征在于：弹性薄板(4)为台阶形，气腔(6)为环形气腔，环形气腔(6)设在弹性薄板(4)的高台部分。
3.根据权利要求2所述的高刚度气体静压推力轴承，其特征在于：弹性薄板(4)在环形气腔处的厚度为0.4～1mm。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20061129 Termination date: 20091030 |