Воздушный подшипник
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( октябрь 2013 г. ) |
Воздушные подшипники (также известные как аэростатические или аэродинамические подшипники ) — это подшипники, в которых используется тонкая пленка сжатого газа для обеспечения несущего слоя с низким коэффициентом трения между поверхностями. Две поверхности не соприкасаются, что позволяет избежать традиционных проблем, связанных с подшипниками, таких как трение, износ, частицы и обращение со смазкой , а также дает явные преимущества в точном позиционировании, например, отсутствие люфта и статического трения, а также в высокоскоростных приложениях. . [1] В симуляторах космических кораблей теперь чаще всего используются воздушные подшипники [2] а 3D-принтеры теперь используются для создания авиапеленговых симуляторов ориентации для спутников CubeSat . [3]
Различают аэродинамические подшипники, которые создают воздушную подушку за счет относительного движения между неподвижными и движущимися частями, и аэростатические подшипники, в которых давление создается извне.
Газовые подшипники применяются главным образом в прецизионных станках (измерительно-обрабатывающих машинах) и высокоскоростных машинах (шпинделях, малых турбомашинах, прецизионных гироскопах).
Типы газовых подшипников
[ редактировать ]Подшипники с газовой смазкой подразделяются на две группы в зависимости от источника наддува газовой пленки, обеспечивающей несущую способность:
- Аэростатические подшипники : газ подвергается внешнему давлению (с помощью компрессора или баллона под давлением) и впрыскивается в зазор подшипника. Следовательно, аэростатические подшипники могут выдерживать нагрузку даже при отсутствии относительного движения, но требуют внешней системы сжатия газа, что приводит к затратам с точки зрения сложности и энергии.
- Аэродинамические подшипники : газ находится под давлением относительной скорости между неподвижной и движущейся поверхностями подшипника. Такие подшипники являются самодействующими и не требуют внешнего подвода сжатого газа. Однако механический контакт происходит при нулевой скорости, что требует особого трибологического подхода во избежание преждевременного износа.
Также существуют гибридные подшипники, объединяющие эти два семейства. В таких случаях подшипник обычно подается сжатым извне газом на низкой скорости, а затем частично или полностью полагается на эффект самосжатия на более высоких скоростях.
Среди этих двух технологических категорий газовые подшипники классифицируются в зависимости от типа реализуемой ими связи:
- Подшипники линейного движения: поддерживают перемещение в 1 или 2 направлениях между двумя плоскостями.
- Опорные подшипники: поддерживают вращение между двумя деталями.
- Упорные подшипники: блокируют осевое смещение вращающейся части, обычно используются в сочетании с опорными подшипниками.
Основные типы воздушных подшипников подразделяются на следующие категории:
| Тип газового подшипника | Технология | Описание |
|---|---|---|
| Аэростатический | Пористые среды | Поток газа контролируется через пористый материал. |
| Микро-сопло | Поток газа контролируется через отверстия микроразмера. | |
| Тип отверстия | Поток газа контролируется через отверстия и канавки. | |
| Воздушный заклинатель | Поток газа контролируется через воздушную подушку. | |
| Аэродинамический | Фольгированный подшипник | Опорная поверхность гибкая, допускает большие перемещения и обеспечивает хорошую устойчивость. |
| Подшипник со спиральной канавкой | Газовая пленка сжимается с помощью канавок, выточенных на одной из поверхностей, что обеспечивает высокую несущую способность и стабильность. Обычные рисунки канавок имеют форму елочки, спиральные или прямые (ступенчатые подшипники). |
Аэростатические подшипники
[ редактировать ]Газ под давлением действует как смазка в зазоре между движущимися частями подшипника. Газовая подушка несет нагрузку без какого-либо контакта между движущимися частями. Обычно сжатый газ подается компрессором. Ключевой целью подачи давления газа в зазор является достижение максимально возможного уровня жесткости и демпфирования газовой подушки. Кроме того, расход газа и равномерность подачи газа в зазор имеют решающее значение для поведения аэростатических подшипников.
Доставка газа в разрыв
[ редактировать ]Подача газа к границе раздела подвижных элементов аэростатического подшипника может осуществляться несколькими различными способами: [4]
- Пористая поверхность
- Частичная пористая поверхность
- Дискретная подача через отверстие
- Слот подачи
- Подача канавок
Не существует единственного лучшего подхода к созданию фильма. Все методы имеют свои преимущества и недостатки, специфичные для каждого приложения. [5]
Мертвый объем
[ редактировать ]Мертвые объемы относятся, в частности, к камерам и каналам, существующим в обычных аэростатических подшипниках для распределения газа и увеличения давления сжатия внутри зазора. подшипников . К мертвому объему также относятся полости внутри пористых (спеченных) газовых [6]
Обычные аэростатические подшипники
[ редактировать ]
В обычных аэростатических подшипниках с одним соплом сжатый воздух проходит через несколько относительно больших сопел (диаметром 0,1–0,5 мм) в зазор подшипника. Таким образом, расход газа обеспечивает лишь некоторую гибкость, так что характеристики подшипника (сила, моменты, опорная поверхность, высота зазора подшипника, демпфирование) могут быть отрегулированы лишь в недостаточной степени. Однако, чтобы обеспечить равномерное давление газа даже при использовании лишь некоторых сопел, производители аэростатических подшипников применяют конструктивные методы. При этом эти подшипники создают мертвые объемы (несжимаемый и, следовательно, слабый объем воздуха). По сути, этот мертвый объем очень вреден для динамики газового подшипника и вызывает самовозбуждающиеся вибрации. [7]
Односопловые аэростатические подшипники
[ редактировать ]Камера предварительного давления состоит из камеры вокруг централизованного сопла. Обычно соотношение этой камеры составляет от 3% до 20% поверхности подшипника. Даже при глубине камеры 1/100 мм мертвый объем очень велик. В худшем случае эти воздушные подшипники состоят из вогнутой опорной поверхности, а не камеры. К недостаткам этих воздушных подшипников можно отнести очень низкую жесткость при наклоне. [8]
Газовые подшипники с каналами и камерами
[ редактировать ]Обычно обычные аэростатические подшипники выполняются с камерами и каналами. Данная конструкция предполагает, что при ограниченном количестве сопел мертвый объем должен уменьшаться при равномерном распределении газа внутри зазора. Большинство конструктивных идей относятся к специальным конструкциям каналов. С конца 1980-х годов производятся аэростатические подшипники с микроканальной структурой без камер. Однако этот метод также должен решать проблемы с мертвым объемом. С увеличением высоты зазора нагрузка и жесткость микроканала уменьшаются. Как и в случае с высокоскоростными линейными приводами или высокочастотными шпинделями, это может привести к серьезным недостаткам. [9]
Аэростатические подшипники с микросоплом, просверленные лазером
[ редактировать ]
В аэростатических подшипниках с микросоплом, просверленными лазером, используются компьютеризированные методы производства и проектирования для оптимизации производительности и эффективности. Эта технология дает производителям большую гибкость в производстве. В свою очередь, это позволяет расширить диапазон проектирования, позволяющий оптимизировать конструкции для конкретного применения. Во многих случаях инженеры могут создавать воздушные подшипники, производительность которых приближается к теоретическому пределу. Вместо нескольких больших сопел аэростатические подшипники со множеством микросопел позволяют избежать динамически невыгодных мертвых объемов. К мертвым объемам относятся все полости, в которых газ не может сжиматься при уменьшении зазора. Они появляются, когда слабое давление газа стимулирует вибрацию. Примерами преимуществ являются: линейные приводы с ускорением более 1000 м/с² (100 g) или ударные приводы с ускорением даже более 100 000 м/с² (10 000 g) благодаря высокому демпфированию в сочетании с динамической жесткостью; субнанометровые перемещения из-за наименьших ошибок, вызванных шумом; и бесгерметичная передача газа или вакуума для ротационных и линейных приводов через зазор благодаря направленной подаче воздуха.
Аэростатические подшипники с микросоплом обеспечивают эффективное, почти идеальное распределение давления внутри зазора с помощью большого количества микросопел. Их типичный диаметр составляет от 0,02 мм до 0,06 мм. Самое узкое сечение этих сопел расположено точно на поверхности подшипника. Тем самым технология позволяет избежать образования мертвого объема на поверхности опорного воздушного подшипника и в зоне сопел подачи воздуха.
Микросопла автоматически просверливаются лазерным лучом, что обеспечивает высочайшее качество и повторяемость. Физическое поведение воздушных подшипников мало меняется как при больших, так и при малых объемах производства. В отличие от обычных подшипников, при использовании этой технологии воздушные подшипники не требуют ручного или дорогостоящего изготовления.
К преимуществам технологии микросопловых воздушных подшипников относятся:
- эффективное использование воздушной подушки (близкое к физическому пределу) за счет равномерного давления по всему зазору;
- идеальное сочетание статических и динамических свойств;
- максимально возможная гибкость свойств воздушной опоры: при определенной высоте зазора можно оптимизировать воздушную опору таким образом, чтобы она имела, например, максимальную нагрузку, жесткость, наклонную жесткость, демпфирование или минимальный расход воздуха (соответственно также в сочетании с другими);
- многократно одобренная высочайшая точность всех воздушных подшипников, например, в технологии измерения благодаря малейшим движениям (<< 2 нанометров) за счет физических, минимально возможных самовозбуждающихся вибраций;
- значительно более высокая жесткость при наклоне, чем у обычных пневмоподшипников, так что воздух внутри зазора течет по каналам от нагруженных зон к ненагруженным;
- отсутствие вибраций во всем рабочем диапазоне даже при высоком давлении подачи воздуха (реально возможно даже гораздо больше 10 бар);
- высочайшая надежность за счет большого количества сопел: засорение сопел частицами исключено (отсутствие сбоев в работе), поскольку их диаметры значительно превышают высоту зазора;
- возможность регулировки свойств подшипника по деформации и допускам подшипника и противоположной поверхности;
- доказанная пригодность для многих подшипниковых материалов и покрытий.
Некоторые из этих преимуществ, такие как высокая гибкость, отличные статические и динамические свойства в сочетании с низким уровнем шума, являются уникальными среди всех других аэростатических подшипников. [10] [11]
Различные дизайны
[ редактировать ]
Стандартные воздушные подшипники предлагаются с различными креплениями для объединения их в систему:
- Подшипники для гибкого соединения с шариковыми пальцами. Эта конструкция для стандартных воздушных подшипников обычно поставляется на рынке.
- Подшипники с высокожестким шарниром вместо обычного шарикового пальца. При использовании этой версии жесткость всей системы значительно выше.
- Подшипники со встроенным поршнем для предварительного натяга статически определенных направляющих.
- Кроме того, существуют прямоугольные подшипники с фиксированным креплением (бесшарнирные) для направляющих с высочайшей жесткостью, обеспечивающими высочайшую точность и высочайшую динамику.
- Кроме того, существуют воздушные подшипники со встроенным вакуумным или магнитным предварительным натягом, воздушные подшипники для высоких температур более 400 °C, а также подшипники, изготовленные из альтернативных материалов. [12] [10]
Преимущества и недостатки подшипников с газовой смазкой
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]
- Бесшумная работа, долговечность. Воздушные подшипники работают бесконтактно и без истирания . Единственное трение возникает из-за потока воздуха между поверхностями подшипника. Таким образом, долговечность воздушных подшипников не ограничена, если они правильно спроектированы и рассчитаны. Роликоподшипники и подшипники скольжения имеют высокую степень трения при использовании на высокой скорости или ускорении, что приводит к возникновению петли положительной обратной связи, при которой сильное истирание снижает точность, что, в свою очередь, вызывает больший износ, что приводит к их возможному выходу из строя.
- Направление, повторяемость и точность позиционирования. При производстве чипов и при позиционировании на задней стороне с помощью устройства для склеивания проводов должна быть достигнута точность повторяемости 1–2 мкм. На связке штампов необходимо добиться толщины даже 5 мкм. Благодаря такой точности роликовые подшипники достигают своего физического предела без снижения ускорения. В передней части (литография) уже установлены воздушные подшипники.
- Экономическое преимущество и повторяемость. При последовательном применении газовые подшипники могут иметь ценовое преимущество перед роликовыми подшипниками: производство высокочастотного шпинделя с роликовыми направляющими, по данным производителя, примерно на 20% дороже, чем производство шпинделей с пневматическими направляющими.
- Экологическая чистота. Поскольку газовые подшипники не требуют использования масла для смазки и не имеют трения, они подходят для применений, требующих низкого загрязнения рабочей жидкости. Это критический аспект для фармацевтической промышленности, переработки ядерного топлива, производства полупроводников и циклов преобразования энергии.
Недостатки
[ редактировать ]- Самовозбуждающаяся вибрация. В подшипниках скольжения самовозбуждающаяся вибрация может возникать при превышении заданной скорости из-за перекрестной жесткости и низкого демпфирования газовой смазки. Эта вибрация может привести к нестабильности и поставить под угрозу работу газового подшипника. Для обеспечения безопасной работы в желаемом диапазоне скоростей необходимы точные динамические расчеты. Этот вид нестабильности известен как «вихрь на половинной скорости» и особенно влияет на аэродинамические подшипники.
- Жесткие производственные допуски. Чтобы выдержать достаточную нагрузку и избежать упомянутой выше нестабильности, необходимы жесткие допуски на зазор между опорными поверхностями. Типичные зазоры в диапазоне от 5 мкм до 50 мкм требуются как для аэродинамических, так и для аэростатических подшипников. Следовательно, воздушные подшипники дороги в производстве.
- Чистая окружающая среда. Из-за небольшого зазора подшипники с газовой смазкой чувствительны к присутствию твердых частиц и пыли в окружающей среде (в случае аэродинамических подшипников) и газа под внешним давлением (аэростатические подшипники).
Теоретическое моделирование
[ редактировать ]Подшипники с газовой смазкой обычно моделируются с использованием уравнения Рейнольдса для описания изменения давления в области тонкой пленки. В отличие от подшипников с жидкой смазкой, газовую смазку следует рассматривать как сжимаемую, что приводит к решению нелинейного дифференциального уравнения. Численные методы, такие как метод конечных разностей или метод конечных элементов, обычно используются для дискретизации и решения уравнения с учетом граничных условий, связанных с каждой геометрией подшипника (линейного движения, радиальных и упорных подшипников). В большинстве случаев газовую пленку можно рассматривать как изотермическую и соблюдающую закон идеального газа, что приводит к упрощению уравнения Рейнольдса.
Примеры
[ редактировать ]Автомобильная техника
[ редактировать ]
- Высокочастотный привод ножа с пневматическим приводом
Срок службы приводных систем не ограничен даже для механизмов, вызывающих повреждения из-за разрушительного износа роликовых подшипников.
- Турбокомпрессор с воздушным управлением
Чтобы обеспечить уверенность и провести первые исследования, было проведено первоначальное преобразование обычного турбонагнетателя с масляным управлением в воздушное. Для реальной будущей версии будет очень полезно использование результатов, полученных с помощью высокотемпературных решений, массовых продуктов (доказанные затраты на производство) и высокочастотных шпинделей (ноу-хау динамического фона).
Полупроводниковая технология
[ редактировать ]- Воздушный подшипник для контрольного устройства
При измерении пластин и плоских панелей очень важно точно и без контакта разместить сенсорный чип вдоль поверхности. Таким образом, чип интегрирован непосредственно в поверхность подшипника. Максимальный допуск на расстояние до поверхности, который относится к изменению зазора воздушного подшипника, составляет менее 0,5 мкм. При размещении воздушного подшипника с сенсорным чипом они не должны касаться измеряемой поверхности пластины. Что касается движения вверх и вниз, используется пневматический поршень, который из соображений повторяемости также управляется воздухом. С помощью этого поршня также регулируется предварительная нагрузка воздушного подшипника и, следовательно, высота зазора.
- Патрон со встроенным подъемным приводом
Для электрических испытаний пластин патрон можно поднимать без заеданий на высоту до 3 мм. Требуемая контактная сила для зонда регулируется и не зависит от хода. Привод лифта основан на двигателе со звуковой катушкой; наведение воздушное. Пневматический поршень с пневматическим управлением между патроном и приводом ограничивает контактное усилие.
Линейные приводы
[ редактировать ]- Этап прецизионных измерений
Филигранная структура позволяет проводить световые измерения при производстве чипов по технологии 300 нм с максимальной точностью менее 1 нм. В частности, воздушные подшипники рассчитаны на минимальное потребление воздуха при максимальной жесткости.
- Высокоускоренный доплеровский привод
Высокоускоренный доплеровский привод поддерживает и направляет зеркало из углеродного волокна (поверхность 500 x 250 мм) с ускорением до 300 м/с² и гибким профилем движения с высокой точностью. Решение состоит из пневмопривода: балка (длина 900 мм), закрепленная на зеркале, изготовлена из углеродного волокна и несет на себе магниты линейных двигателей. Кабели/трубки (двигатель, воздушный подшипник, измерительная система) не перемещаются во избежание поломок из-за циклов высоких нагрузок. Воздушные подшипники абсолютно нечувствительны к геометрическим колебаниям в результате изменения температуры. [15]
- Привод для производственной машины
Помимо производительности, для серийной машины чрезвычайно важна надежность. Решение с пневмонаведением предназначено для статического определения. Линейный двигатель с железным сердечником и поршневые подшипники обеспечивают предварительную нагрузку воздушных подшипников. Таким образом, привод прост в сборке и нечувствителен к геометрическим изменениям, например, из-за температурных влияний или расположения машин. [16]
Медицинская техника
[ редактировать ]Приводы респираторов, не содержащие жира и масла, движения сканеров без заеданий или высокая скорость вращения больших роторов — все это было достигнуто с помощью воздушных подшипников.
- Компьютерная томография под воздушным контролем
Высокая скорость вращения (> 5,5 Гц / 330 об/мин), низкие эксплуатационные расходы, отсутствие шума, большой внутренний диаметр ротора (> 1 м), небольшой вес ротора и рамы, возможность наклона ротора, а также высокая надежность. Помимо прямого привода возможен также ременный привод.
Технология производства
[ редактировать ]Прежде всего, требуются движения без прерывистого движения и/или минимальные усилия. Технология пневмоподшипников предназначена для высокодинамичных движений без содержания жира и масла с короткими ходами.
- Воздушный подшипник для регулировки компонентов
В устройствах с воздушным направлением оптические компоненты можно расположить на поворотном столе так, чтобы они имели одинаковый диаметр. Воздушный подшипник с вакуумной предварительной нагрузкой и постоянной высотой зазора подшипника бесконтактно плавает на верхней части поворотного стола.
- Регулировочный ползунок для производства оптики
Линейный ползунок с пневматической направляющей и статической регулировкой гарантирует высокоточное позиционирование оптического компонента перед шлифовкой. Процесс самовыравнивания осуществляется без трения или силы. При зажатии деталь сохраняет свое положение для дальнейшего изготовления в субмикрометровом диапазоне.
Космические технологии
[ редактировать ]- Воздушно-магнитная система скольжения
При транспортировке солнечных панелей для спутников в ракете-носителе их необходимо сложить. Достигнув орбиты, они разворачиваются с помощью пружинного механизма невесомо и без трения. Этот процесс требует предварительного тестирования на Земле из соображений надежности. Во время тестирования конструкции солнечные панели подвешиваются на магнитных воздушных подшипниках с предварительным натягом, которые компенсируют силу тяжести. При этом процесс раскладывания осуществляется с минимальным воздействием трения, а это означает, что солнечные панели проходят испытания, близкие к реальным. Кроме того, конструкция обеспечивает абсолютно не требующее обслуживания управление с равномерными последовательными движениями.
Воздушные несущие компоненты (диаметр 34 мм) со встроенными магнитами настолько малы, что могут бесконтактно скользить по обычным катаным листам плавно и с высотой подшипникового зазора около 25 мкм. Удерживающая сила воздушного подшипника для одной солнечной панели в среднем составляет 600 Н. Эта сила достигается за счет равномерного распределения нагрузки на 16 одиночных воздушных несущих элементов. Процесс раскладывания солнечных панелей был разработан для площади 21 х 2,5 м.
Система направляющих на воздушном подшипнике с предварительным натягом на постоянных магнитах может использоваться для многих типов подвесных транспортных движений, а также для многих других применений, например, для позиционирования компонентов без заеданий и скольжения во время сборки.
Сноски
[ редактировать ]- ^ Шульц 1999 , стр. 6.
- ^ Шварц, Яна Л.; Пек, Мейсон А.; Холл, Кристофер Д. (1 июля 2003 г.). «Исторический обзор тренажеров космических аппаратов с воздушным пеленгом». Журнал руководства, контроля и динамики . 26 (4): 513–522. Бибкод : 2003JGCD...26..513S . дои : 10.2514/2.5085 .
- ^ Неманья Йованович и др. Разработка и тестирование недорогого трехмерного печатного симулятора ориентации на основе воздушного пеленга с открытым исходным кодом для спутников CubeSat. Журнал малых спутников Vol. Т. 8, № 2, стр. 859–880 (2019). https://jossonline.com/letters/design-and-testing-of-a-low-cost-open-source-3-d-printed-air-bearing-based-attitude-simulator-for-cubesat-satellites/
- ^ «Основы воздушного подшипника» . www.specialtycomComponents.com .
- ^ «Отверстие и пористая поверхность впускных воздушных подшипников» . www.specialtycomComponents.com .
- ^ Шульц 1999 , стр. 14.
- ^ Шульц 1999 , стр. 7–8.
- ^ Шульц 1999 , стр. 9.
- ^ Шульц 1999 , стр. 11.
- ^ Перейти обратно: а б Шульц и Мут 1997 , стр. 1–9.
- ^ Шульц 1999 , стр. 21–79.
- ^ Шульц 1999 , стр. 59–62.
- ^ Шульц 1999 , стр. 63–72.
- ^ Барц 1993 , стр. 1–26.
- ^ Клемент 2009 , стр. 56–60.
- ^ Шульц 1999 , стр. 76.
- ^ «AeroLas GmbH – лидер инноваций в области воздушных подшипников и пневмоподшипниковых приводов: вводная страница» . aerolas.de .
- ^ Aerolas1 – через YouTube.
- ^ «Воздушные подшипники ОАВ» . oavco.com .
- ^ Воздушный подшипник OAV – через YouTube.
Ссылки
[ редактировать ]- Шульц, Бернд (1999). Производство аэростатических подшипников с помощью лазерной обработки доктор философии ( ) (на немецком языке). Германия : VDI Verlag. ISBN 3-18-352502-Х .
- Шульц, Б.; Мут, М. (1997). Динамически оптимизированные воздушные подшипники, изготовленные с помощью лазерного луча (доктор философии). Англия : SPIE. ISBN 0-8194-2522-2 .
- Барц, JW (1993). Воздушные Air bearingsподшипники Германия : Эксперт Верлаг. ISBN 978-3-8169-1962-9 .
- Клемент, Иоахим (2009). Как работают воздушные подшипники В: Технология электрических прямых приводов [ Функциональный анализ воздушных подшипников В:Технология электрических прямых двигателей ]. Германия : Эксперт Верлаг. ISBN 978-3-8169-2822-5 .
- Германия DE4436156 , Й. Хайнцль; М. Мут; Б. Шульц, «Аэростатические подшипники и способы производства аэростатических подшипников]», опубликовано 10 октября 1994 г., выдано 10 октября 1994 г., передано Й. Хайнцлю; М. Мут; Б. Шульц
- Шретер, Андреас (1995). Выравнивающие процессы и шум потока в аэростатических подшипниках с разнесенными микросоплом [ Процедуры выравнивания и шумы тока в аэростатических подшипниках с разнесенными микросоплами ]. Германия: VDI Verlag. ISBN 978-3-18-324501-7 .
- Герке, М. (1991). Конструкция аэростатических подшипников скольжения и цилиндрических в режиме стационарном . Германия: Ту-Мюнхен. ISBN 978-3-8316-0631-3 .
