基于气体润滑的无摩擦旋转供气装置

Frictionless Revolving Gas Supply Device Based on Gas LubricationSUN Jianhui ，CAI Rupeng ，YUAN Qiaoling ，SHAN Xiaohang ，ZHOU Haiqing(1.Key Laboratory of E&M (Zhejiang University of Technology)，Ministry of Education&Zhejiang Province，Hangzhou 3 10014，China；2.Hangzhou Yuce Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China)Abstract：Aiming at addressing air tube disturbance influence of aerostatic thrust bearing，a frictionless revolving gassupply device was developed.This device is a multiple air bearing based on air lubricating technology.By using Fluentto simulate，compute bearing capacity of radial aerostatic bearing part and axial aerostatic thrust bearing part.In therange of acceptable capacity，the device can realize frictionless revolving gas supply，and eliminate air tube disturbanceinfluence of aerostatic thrust bearing which movement track is a circle，thus verify its performance is reliable。

Key words：air bearing；frictionless revolving gas supply；air tube disturbance influence；Fluent随着现代工业及高科技的飞速发展，气体润滑轴承正日益被人们重视。它用气体代替油作为润滑剂，在轴与轴承套之间构成气膜，使活动面和静止面避免直接接触的理想支承元件 。气体润滑轴承具有摩擦损耗极孝极高转速下几乎无摩擦热、无磨损、极低运动速度时无爬行、且运动精度高、振动孝无污染、可在特殊环境中稳定工作等优点。因而在精密工程、超精密工程、空间技术、电子精密仪器、医疗器械及核子工程等领域中，有着十分广阔的应用前景 2 J。

在止推空气轴承的应用中，由于供气气管的干扰，会对止推空气轴承的运动产生-定的影响。因此如何消除止推空气轴承在运动过程中供气气管的干扰 ，是- 个需要考虑的问题。文章利用了空气轴承的知识 ，设计出-种外芯(进汽部分)和内芯(出气部分)之间可以自由旋转、而且无摩擦的供气装置，该装置为 1个复合的空气轴承，其包含了迷宫密封、径向空气轴承、止推空气轴承等3大部分，可以解决运动轨迹为圆周的止推轴承在运动过程中气管干扰问题 。

1 结构设计1.1 整体设计图 1为该装置的结构简图，图2为装置的三维装配图。从机械结构上来看，整个装置包含上端盖、下端盖、外芯、内芯等4个部分组成。下端盖和外芯通过 4个螺钉固定，然后放入内芯，最后把上端盖装上并用螺钉固定。在使用过程中，下端盖通过外围的4个螺钉固定在 1个平台上，内芯和外芯以及上端盖和下端盖收稿 日期 ：2012-09-05；修回日期：2013-01-10基金项目：浙江省自然基金资助项目(Y11l1137)；浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室开放基金(2009EPO1)作者简介：孙建辉(1955)，男，浙江杭州人，教授，主要研究方向为机电-体化。E-mail：sjh195###zjut.edu.cn· 26· 轻工机械 Light Industry Machinery 2013年第4期之间，均存在微小的间隙。工作时高压气体从外芯进汽口进入，进入内芯以后，大部分高压气体从内芯的出气口输出，另外-小部分为内芯上分布的节流孔供气，高压气体经过节流孔而形成的压力用来实现内芯和外芯以及端盖之间的隔离，实现无摩擦旋转。整个装置中，外芯和端盖的设计比较简单，最关键和最复杂的部分是轴承的内芯设计。

图1 无摩擦旋转供气装置结构图Figure 1 Sectional drawing of device图2 无摩擦旋转供气装置装配图Figure 2 Assembly drawing of device1.2 端盖和外芯设计装置中有上端盖和下端盖，图3为上端盖与下端盖的简单示意图。下端盖上开有内螺栓孔和外螺栓孑L，内螺栓孔用来连接下端盖和外芯，外螺栓孔用来把整个装置固定在 1个平台上，另外，在下端盖上还开有4个排气凶，用来实现下端面上分布的节流孔与大气相通。上端盖的结构类似，开有内螺栓孔和排气小孔，上端盖排气sJ，L用来实现上端面上分布的节流孔与大气相通。

图4为外芯的示意图。外芯的结构也相对简单，在外芯的上部开有 1个进汽口，高压气体从进汽口输入。在外芯的中部开有4个排气凶，用来实现内芯周向上分布的节流孔与大气相通。

下端盖 上端盖图3 上端盖和下端盖简示图Figure 3 Sample drawing of uppercover and bottom cover图4 外芯简示图Figure 4 Sample drawing of outside cover1.3 内芯设计内芯是整个设计中的核心部分，该部分的设计涉及到3个关键部分。分别为迷宫密封部分、静压径向空气轴承部分 、静压止推空气轴承部分，见图5。

上端面封槽止推空气轴承图5 内芯结构 图Figure 5 Structural drawing of inside core1.3.1 迷宫密封部分在内芯上开有 l道环形气腔，并且在气腔的2侧[研究·设计] 孙建辉，等：基于气体润滑的无摩擦旋转供气装置各开有 4道密封槽，如图 6。当高压气体从外芯进入以后，先进入内芯的环形气腔中，由于外芯和内芯之间存在间隙，在环形气腔 2侧的4道密封槽可以有效地减少气体的泄漏量，从而使得大部分气体进入内芯的进汽口E5]。

-1 迷宫密封槽外芯进气口 厂 r、I 苎]图6 迷 宫密封部分Figure 6 Part of labyrinth seal1.3.2 静压径向空气轴承部分由图5所示，内芯的下半部分可以看成-个径向空气轴承。在下端盖和外芯上开设的排气凶，用来实现径向空气轴承与大气相通。内芯的圆周上分布有2排每排 8个节流孑L，高压气体进入内芯后，通过内部的气路通道为节流孔供气。径向空气轴承提供的承载力可以实现内芯在周向上的无摩擦运动 。

1.3.3 静压止推空气轴承部分如图7所示 ，内芯的静压止推空气轴承部分可以分为上端面止推空气轴承和下端面止推空气轴承。为了减少迷宫密封的泄流量，排气孔应该距离密封槽有- 定的距离，因此上端盖的排气孔开在了直径小于内芯直径的-圈圆周上，而且上端面上开有出气口，所以上端面止推轴承为 1个直径较小的环面止推空气轴承。

下端盖的排气孔开在和内芯直径相等的-圈圆周上，因此下端面止推空气轴承为 1个圆形止推空气轴承。

2 Fluent仿真2.1 径向空气轴承部分仿真2.1.1 径向空气轴承简化模型图8为径向空气轴承的简化模型，轴承采用双排节流孔设计 ，每排节流孑L为 8个 。轴承直径 D50mm，轴承的长度为下端盖排气LNPb芯排气孔之间的长度，长度L60 mm，节流孔距离轴承端面的距离z15 mm，节流孔孑L径取 d0.35 mm，节流孔的气腔深度 0.2 mm，轴承的初始间隙h30 m。

节流孔下端面止推轴承 上端面止推轴承图7 径向空气轴承部分Figure 7 Part of aerostatic thrust bearing图8 径向空气轴承简化模型Figure 8 Sample model of radial aerostatic bearing2.1.2 径向空气轴承建模仿真首先利用三维软件建立空气轴承内部气模的三维模型，然后导人 Gambit中，对模型进行网格划分。网格划分好后 ，导人 Fluent中进行仿真计算。给定人口压力 P 0.5 MPa，图9为模型仿真之后的结果。

图9 径向空气轴承仿真结果Figure 9 Simulation result of radial aerostatic bearing由图9可知，在节流孔出口处的气压最大，在两排节流孑L的中间形成-个高压区，然后沿着轴向向两侧依次减校根据不同的偏心率 e，可以得到不同的承载力，图l0为e取不同值时得到的承载力分布曲线，当e取值越大，得到的承载力也越大。

5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 3 个O O O O O O 0 O O O O 聊 叶叶 叶叶 王匪 1111l4月 5 5 5O5 125443322 51 隧.--[研究·设计] 孙建辉，等：基于气体润滑的无摩擦旋转供气装置 ·29·载力 。和下端面承载力 将发生变化，内芯所受承载力的合力 也将改变，变化的最终结果是使得合力等于内芯所受外力之和。由于内芯所受外力主要来 自于内芯 自身的重力，内芯的重量大概为 1 kg，因此，内芯所需要的承载力 -般只需要 10 N左右。

3 应用止推空气轴承的应用，由于存在供气气管的干扰，所以不能实现完全的无摩擦运动。为了解决空气轴承在运动中存在的供气气管的干扰，可以使用很多方法，由于止推轴承的运动方式不同，所采用的方法也不同。

文中设计的装置，可以解决轨迹为圆周运动的止推轴承的气管干扰问题。如图 14所示，在应用中，把装置安装在止推轴承运动轨迹的圆心上，由于从装置输出的气管可以自由无摩擦旋转，因此在止推轴承运动时，气管将不会对轴承的运动产生干扰。

图 14Figure 14承应 用Application(上接 第24页)5 结论研究了内燃灶的结构原理，在此基础上设计并制作的集成式高效节能内燃灶样机能够顺利完成原理验证试验。试验过程中，燃气在炉腔内能够稳定燃烧，表明内燃灶的结构原理没有任何问题。

试验过程中最高热效率达到 70.93%，高效性可见-斑，同时，通过试验获得的数据分析了影响样机热效率的几个关键结构，如：炉腔、炉板 、废气余热利用环节等，为改进样机结构提供了理论依据，为进-步提高系统热效率，校正样机工况打下了良好的基矗