Что такое аэростатический подшипник

Воздушные подшипники

Основой воздушного подшипника является тонкая воздушная плёнка, образующая небольшой зазор между компонентами подшипника (рис.1). Плёнка образуется в результате подачи воздуха внутрь механизма под высоким давлением. Идея с использованием сжатого воздуха позволяет избежать трения твёрдых частей механизма друг о друга при стандартных условиях эксплуатации. Трение скольжения или качения в стандартных подшипниках ограничивает их применимость для некоторых задач прецизионного позиционирования.

Рис.1 Схема воздушного подшипника (слева) и подшипника качения (справа).

Воздушная среда способна передавать усилия, потому что когда воздух проталкивается через зазор подшипника, он создаёт профиль давления через зону подшипника. Нагрузка, которую подшипник может выдержать, рассчитывается следующим образом:

Сила = усреднённое давление х площадь

Рис.2 Профиль давления в воздушном подшипнике.

Давление в подшипнике распределяется неоднородно и зависит от конструкции подшипника и других параметров. Существует эмпирическое правило, из которого следует ожидать 30% эффективности:

Сила = 0.3 х подаваемое давление х площадь

Воздушные подшипники имеют множество преимуществ в сравнении с механическими подшипниками. В связи с отсутствием контакта между компонентами воздушный подшипник не подвержен износу, а также в процессе работы не выделяется тепло из-за трения. Немаловажным достоинством является отсутствие статического и динамического трения, даже при наибольшей проектной нагрузке. Кроме того, воздушная плёнка позволяет сгладить неровности и дефекты компонентов подшипника, что повышает точность позиционирования. Воздушные подшипники имеют более высокую жёсткость в сравнении с механическими аналогами, в конструкции которых имеет место точечный или линейный контакт.

Почему используется воздух вместо смазочных жидкостей?

В то время как большинство людей знакомы с подшипниками скольжения на масляной плёнке (к примеру, использующиеся в автомобиле), воздушные подшипники малоизвестны. Принципиальное различие между жидкостями и газами состоит в вязкости – жидкости имеют более высокую вязкость в сравнении с газами. В случае с подшипниками эта разница несёт ряд последствий.

Более низкая вязкость означает, что воздушные подшипники имеют более низкую нагрузочную способность (жидкостные подшипники выдерживают в 5 раз большую нагрузку в сравнении с воздушными для одной и той же площади контакта).

В связи с низкой вязкостью газов, у воздушных подшипников практически нулевое статическое и динамическое трение, в отличие от жидкостных подшипников, где в связи с трением наблюдается выделение теплоты.

Для воздушных подшипников требуется очень малый зазор между компонентами (10 мкм) в сравнении с жидкостными подшипниками (100 мкм), что накладывает высокие требования к точности изготовления компонентов.

Таким образом, несмотря на то, что воздушные подшипники имеют небольшую нагрузочную способность, они имеют практически нулевое трение на всех скоростях. Высокая точность изготовления компонентов подшипника повышает точность при позиционировании. Ещё одним преимуществом использования воздуха является отсутствие загрязнения в сравнении с маслами и другими жидкостями. Сжатый воздух является наиболее часто используемым газом в промышленных условиях. Однако другие газы, в частности азот, может использоваться там, где они доступны (к примеру, в чистых помещениях).

Методы подачи сжатого воздуха в подшипник

Существует два метода подачи сжатого воздуха в подшипник. Первый – использовать внешний источник сжатого воздуха (рис.3 слева), второй – использовать относительное движение компонентов механизма для создания внутреннего давления (рис.3, справа). В то время как второй метод является распространённым для жидкостных подшипников вследстве высокой вязкости масел, то для воздушных аналогов он малоэффективен ввиду низкой величины создаваемого давления.

Таким образом, воздушные подшипники PI работают с использованием внешнего источника сжатого воздуха. Воздух в источнике должен быть чистым и сухим, а сам источник должен генерировать постоянное давление. Типичное рабочее давление находится в диапазоне от 138 кПа до 827 кПа в зависимости от требуемой жёсткости, нагрузочной способности и требованиям к расходу воздуха.

Рис.3 Принципиальные схемы подачи сжатого воздуха в подшипник

Как воздух поступает в подшипник?

Воздух необходимо подавать в зазор подшипника. Существует два способа реализовать это – через отверстия или пористые среды. В первом случае воздух проходит через небольшое отверстие диаметром от 0.004 до 0.015 дюйма (рис.4, слева). Во втором случае воздух поступает через пористый материал — углерод, бронза или сталь (рис.4, справа)

Рис.4 Принципиальные схемы поступления воздуха в зазор подшипника

Относительные преимущества каждого подхода являются спорными. Хотя с помощью отверстий невозможно получить такой однородный профиль давления, как с помощью пористых материалов, существуют способы улучшить профиль давления с использованием специального метода. Использование пористых материалов обеспечивает более качественное демпфирование в сравнении с отверстиями, однако создание надлежащей формы отверстия может улучшить этот параметр. Стоит учитывать, что отверстие может засориться в случае, если подаваемый воздух будет содержать большую частицу, в то время как пористый материал работает как фильтр. Однако, со временем пористый материал может значительно засориться (особенно если в воздухе будут содержаться пары масла), а засорённые поры труднее поддаются очистке в сравнении с забитыми отверстиями.

Подшипники с отверстиями могут быть изготовлены из одного материала, а пористые подшипники обязательно изготавливают из различных материалов и адгезивных веществ.

В PI изготавливаются подшипники как с отверстиями, так и на основе пористых материалов. Большинство стандартной продукции имеет в своей основе подшипники с отверстиями специальной формы. Для этой задачи была разработана технология сверления отверстий с малым диаметром непосредственно в самом подшипнике вместо использования методов прессования или вклеивания сопел из драгметаллов. В PI уверены, что используемая технология снижает стоимость и сложность работ наряду с повышением стабильности и надёжности в пределах длительного периода. Тем не менее, сопла из драгметаллов используются в тех случаях, когда сверление отверстий невозможно из-за геометрии или в случае, когда требуются малые размеры отверстия (порядка 0.004 дюйма).

Роль геометрической формы подшипника

Из-за малых зазоров, необходимых для функционирования воздушных подшипников, самым важным фактором в их производстве является высокая точность геометрической формы. Любое изменение размеров деталей, прямолинейности, формы приводит к закрытию зазора, что в свою очередь означает повышение трения, уменьшение точности позиционирования и нагрузочной способности подшипника. Типичные величины допуска для прямоугольных подшипников, которые работают с воздушным зазором порядка 0.0005″, составляют ±0.0001″. Такой допуск применяется по всей длине подшипника, которая для некоторых моделей может составлять более 60 «.

Кроме того, геометрия компонентов определяет точность движения подшипника. Хотя локальные отклонения формы от заданного значения компенсируются воздушным зазором, общая точность определяется качеством изготовления отдельных компонентов подшипника.

Рис.5. Воздушный зазор невелирует локальные изменения формы подшипника

В связи с этим, компания PI разработала методы и оборудование, которые позволяют выполнить данные строгие требования в отношении геометрии с высокой повторяемостью и относительно небольшой стоимостью.

Точность, минимальный шаг и повторяемость

Вначале кратко обозначим разницу между точностью, шагом и повторяемостью. Под точностью понимается то, насколько близка реальная траектория движения к идеальной (заданной программно). Минимальный шаг показывает ту минимальную величину, на которую можно переместиться. Повторяемость – это показатель качества воспроизводимости перемещения в определённую координату.

Воздушные подшипники обеспечивают высокие показатели вышеперечисленных параметров. Отличная точность достигается благодаря минимальным отклонениям от заданной геометрической формы компонентов подшипника, а также компенсации этих отклонений с помощью воздушного зазора. Типичная линейная точность составляет 10 микродюйм/дюйм с максимальным отклонением 100 микродюймов/36 дюймов. Биение при вращении соответствует ±1 микродюйму. Наклон — 0.25 арксек/дюйм.

Поскольку в воздушных подшипниках отсутствует трение, достигаемый минимальный шаг при позиционировании ограничивается характеристиками двигателя, контроллера и датчика положения. Минимальный шаг порядка ±1 отсчёта энкодера можно легко получить при использовании линейных двигателей.

Воздушные подшипники обладают намного лучшей повторяемостью в сравнении с механическими аналогами по причине отсутствия контакта компонентов подшипника и соответственно износа. Тепловыделение в механических подшипниках в некоторых случаях требует времени для стабилизации после включения механизма. Кроме того, механическая преднагрузка на роликовые подшипники может изменяться с температурой и приводить, к примеру, к различному уровню трения, что ухудшает повторяемость. Таким образом, вышеприведённые примеры показывают, что использование механических подшипников для задач, связанных с высокоточным позиционированием, может быть ограничено в связи с ухудшением точности с течением времени. В связи с тем, что компоненты подшипников PI изготавливаются из одного материала в целях равномерного теплового расширения конструкции, они могут работать в течение нескольких лет без ухудшения точности. Кроме того, воздушные подшипники могут работать на высоких скоростях без периода предварительного включения (за исключением термоэффектов, связанных с двигателем) и поддерживать высокую точность.

Преднагруженные воздушные подшипники

Воздушные подшипники могут использоваться без преднагрузки, однако, чтобы максимизировать жёсткость и поддерживать постоянный воздушный зазор, обычно используют преднагрузку, применяя один из четырёх основных методов:

· использование дополнительной массы

· использование двойного воздушного зазора

Самый простой метод заключается в использовании дополнительной массы (рис.6). Величина массы должна быть больше, чем ожидаемое изменение нагрузки на подшипник. Это приводит к тому, что воздушный зазор становится меньше, но более жёстким и устойчивым к внешнему воздействию со стороны нагрузки. Недостатком метода является необходимость добавления массы, однако его можно с успехом применять для систем, связанных с высокой нагрузкой (например, при инспектировании деталей или изделий). Кроме того, данный метод может быть использован в случае, если подшипник расположен горизонтально.

Рис.6 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием дополнительной массы

Второй метод связан с использованием вакуума. Вакуум применяется для образования силы преднагрузки в подшипнике. Это достигается путём выделения области между поверхностями компонентов подшипника, где образуется вакуум (рис.7). Уровень вакуума в одной области и нагнетаемое давление в другом сегменте подбираются таким образом, чтобы зазор между компонентами подшипника оставался. Использование вакуума повышает жёсткость подшипника и помогает поддерживать постоянный воздушный зазор, без добавления дополнительной движущейся массы. Недостатком этого метода является необходимость в обеспечении большой площади подшипника, а также вакуумного насоса.

Рис.7 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием вакуума

Третий метод основывается на применении магнита для создания прижимающей силы (рис.8). Магнитный материал располагается на неподвижной части подшипника, а магнит – на подвижной. Таким образом, создаётся сила преднагрузки, что повышает жёсткость системы. Этот метод хорошо подходит для линейных подшипников и является экономичным, так как не предполагает высоких требований к геометрической форме компонентов, как в случае с использованием дополнительной массы. Однако, поскольку многие воздушные подшипники изготовлены из немагнитных материалов, требуется использовать дополнительные материалы (к примеру, железо). Другим недостатком является то, что при высоких скоростях магнит генерирует вихревые токи в железе, которые добавляют силу сопротивления.

Рис.8 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием магнита

Последним методом является использование двойного воздушного зазора (рис.9). Данный метод используется в подшипниках, расположенных друг напротив друга. Этот метод обеспечивает вдвое большую жёсткость для одного воздушного подшипника, однако грузоподъёмность снижается почти наполовину. Данный метод применяется при изготавлении наиболее точных и надёжных подшипников. Поскольку при использовании данного метода задействованы два подшипника, имеет место эффект усреднения любых ошибок на каждом подшипнике, что повышает точность позиционирования в сравнении с другими методами, однако требует качественную прецизионную обработку поверхностей компонентов подшипников. Кроме того, при использовании данного метода подшипник может быть ориентирован произвольным образом.

Рис.9 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием двойного воздушного зазора

© Все использованные рисунки являются собственностью компаний: Physik Instrumente (PI) GmbH, Moxtek Inc. Все торговые марки являются собственностью соответствующих компаний-владельцев. Цитирование материалов сайта без ссылки на первоисточник запрещено.

Источник

Воздушный подшипник — Air bearing

Пневматические подшипники (также известные как аэростатические или аэродинамические подшипники ) представляют собой жидкостные подшипники , в которых используется тонкая пленка сжатого газа, обеспечивающая несущую поверхность с низким коэффициентом трения. Две поверхности не соприкасаются, что позволяет избежать традиционных проблем, связанных с трением, износом, твердыми частицами и смазкой , связанных с подшипниками , и предлагает явные преимущества в точном позиционировании, такие как отсутствие люфта и статического трения, а также в высокоскоростных приложениях. . В симуляторах космических кораблей сейчас чаще всего используются воздушные пеленги, а трехмерные принтеры теперь используются для создания имитаторов ориентации с воздушным пеленгом для спутников CubeSat .

Различают аэродинамические подшипники, которые создают воздушную подушку за счет относительного движения между статическими и движущимися частями, и аэростатические подшипники, в которых давление передается извне.

Газовые подшипники в основном используются в прецизионных станках (измерительные и обрабатывающие станки) и в высокоскоростных станках (шпиндель, малогабаритные турбомашины, прецизионные гироскопы).

СОДЕРЖАНИЕ

Типы газовых подшипников

Подшипники с газовой смазкой подразделяются на две группы, в зависимости от источника давления газовой пленки, обеспечивающей несущую способность:

• Аэростатические подшипники : газ извне под давлением ( с помощью компрессора или резервуара под давлением) и инъецируют в зазоре подшипника. Следовательно, аэростатические подшипники могут выдерживать нагрузку даже в отсутствие относительного движения, но требуют внешней системы сжатия газа, что влечет за собой затраты с точки зрения сложности и энергии.
• Аэродинамические подшипники : газ сжимается за счет относительной скорости между статической и подвижной поверхностями подшипника. Такие подшипники являются самодействующими и не требуют внешнего ввода сжатого газа. Однако механический контакт происходит при нулевой скорости, что требует особого трибологического рассмотрения во избежание преждевременного износа.

Также существуют гибридные подшипники, объединяющие два семейства. В таких случаях в подшипник обычно подается сжатый извне газ на низкой скорости, а затем он частично или полностью полагается на эффект самодавления на более высоких скоростях.

Среди этих двух технологических категорий газовые подшипники классифицируются в зависимости от типа реализующейся в них связи:

• Подшипники линейного перемещения: поддерживают перемещение в 1 или 2 направлениях между двумя плоскостями
• Подшипники скольжения: поддерживают вращение между двумя частями
• Упорные подшипники: блокируют осевое смещение вращающейся части, обычно используются в сочетании с опорными подшипниками.

Основные типы воздушных подшипников подпадают под следующие категории:

Аэростатические подшипники

Сжатый газ действует как смазка в зазоре между движущимися частями подшипника. Газовая подушка выдерживает нагрузку без какого-либо контакта между движущимися частями. Обычно сжатый газ подается компрессором. Ключевой целью создания давления газа в зазоре является достижение максимально возможного уровня жесткости и демпфирования газовой подушки. Кроме того, потребление газа и равномерность подачи газа в зазор имеют решающее значение для поведения аэростатических подшипников.

Доставка газа в разрыв

Подача газа на поверхность раздела между движущимися элементами аэростатического подшипника может быть достигнута несколькими различными способами:

• Пористая поверхность
• Частично пористая поверхность
• Подача через дискретное отверстие
• Слот кормления
• Пазовая подача

Не существует единственно оптимального подхода к подаче пленки. У всех методов есть свои преимущества и недостатки, специфичные для каждого приложения.

Мертвый объем

Мертвые объемы относятся, в частности, к камерам и каналам, существующим в обычных аэростатических подшипниках, для распределения газа и увеличения давления сжатия в зазоре. Полости внутри пористых подшипников (спеканию) газа также отнести к мертвому объему.

Обычные аэростатические подшипники

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, потребление газа обеспечивает лишь некоторую гибкость, так что характеристики подшипника (сила, моменты, опорная поверхность, высота зазора подшипника, демпфирование) могут регулироваться только в недостаточной степени. Однако, чтобы обеспечить равномерное давление газа даже при использовании только некоторых форсунок, производители аэростатических подшипников применяют конструктивные методы. При этом эти подшипники создают мертвые объемы (несжимаемый и, следовательно, слабый объем воздуха). Фактически, этот мертвый объем очень вреден для динамики газового подшипника и вызывает самовозбуждающиеся колебания.

Односопловые аэростатические подшипники

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 в камере. К недостаткам этих воздушных подшипников можно отнести очень низкую жесткость при наклоне.

Подшипники газовые с каналами и камерами

Обычно обычные аэростатические подшипники имеют камеры и каналы. Эта конструкция предполагает, что при ограниченном количестве форсунок мертвый объем должен уменьшаться при равномерном распределении газа в зазоре. Большинство конструктивных идей относятся к специальным конструкциям каналов. С конца 80-х годов прошлого века выпускаются аэростатические подшипники с микроканальными конструкциями без камер. Однако этот метод также позволяет справиться с проблемами мертвого объема. С увеличением высоты зазора нагрузка и жесткость микроканала уменьшаются. Как и в случае высокоскоростных линейных приводов или высокочастотных шпинделей, это может иметь серьезные недостатки.

Просверленные лазером аэростатические подшипники с микро-форсунками

В аэростатических подшипниках с микро-соплами, просверленными лазером, используются компьютеризированные технологии производства и проектирования для оптимизации производительности и эффективности. Эта технология дает производителям большую гибкость в производстве. В свою очередь, это позволяет расширить проектный диапазон, в котором можно оптимизировать их дизайн для данного приложения. Во многих случаях инженеры могут создать воздушные подшипники, производительность которых приближается к теоретическому пределу. Вместо нескольких больших форсунок, аэростатические подшипники с множеством микро форсунок позволяют избежать невыгодных с точки зрения динамики мертвых объемов. Мертвые объемы относятся ко всем полостям, в которых газ не может быть сжат во время уменьшения зазора. Они появляются из-за того, что слабое давление газа стимулирует вибрацию. Примеры преимуществ: линейные приводы с ускорением более 1000 м / с² (100 g) или ударные приводы даже с более чем 100 000 м / с² (10 000 g) благодаря высокому демпфированию в сочетании с динамической жесткостью; субнанометровые перемещения за счет минимальных ошибок, вызванных шумом; и передача газа или вакуума без уплотнения для линейных и поворотных приводов через зазор за счет направленной подачи воздуха.

Аэростатические подшипники с микро-форсунками обеспечивают эффективное, почти идеальное распределение давления в зазоре с помощью большого количества микро-форсунок. Их типичный диаметр составляет от 0,02 мм до 0,06 мм. Самое узкое сечение этих форсунок лежит именно на поверхности подшипника. Тем самым эта технология позволяет избежать мертвого объема на поверхности воздуха, поддерживающего подшипника и в пределах области подачи воздуха сопла.

Микро-сопла автоматически просверливаются лазерным лучом, что обеспечивает высокое качество и повторяемость. Физические характеристики воздушных подшипников практически не меняются 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 производства.

К преимуществам технологии воздушных подшипников с микропорсами можно отнести:

• эффективное использование воздушной подушки (близкое к физическому пределу) за счет равномерного давления во всем зазоре;
• идеальное сочетание статических и динамических свойств;
• максимально возможная гибкость свойств воздушного подшипника: при определенной высоте зазора можно оптимизировать воздушный подшипник таким образом, чтобы он имел, например, максимальную нагрузку, жесткость, жесткость при наклоне, демпфирование или минимальный расход воздуха (соответственно также в сочетании с другими);
• многократно подтвержденная высочайшая точность всех воздушных подшипников, например, в измерительной технике из-за малейших перемещений ( Различный дизайн

Стандартные воздушные подшипники предлагаются с различными креплениями для соединения их в систему:

• Подшипники для гибкого соединения с шариковыми пальцами. Эта конструкция для стандартных воздушных подшипников обычно поставляется на рынок.
• Подшипники с шарниром повышенной жесткости вместо обычного шарикового пальца. При использовании этой версии жесткость всей системы значительно выше.
• Подшипники со встроенным поршнем для предварительной нагрузки статически определяемых направляющих.
• Кроме того, есть также прямоугольные подшипники с фиксированным креплением (без шарниров) для направляющих с максимальной жесткостью для максимальной точности и максимальной динамики.
• Кроме того, существуют воздушные подшипники со встроенным вакуумным или магнитным предварительным натягом, воздушные подшипники для высоких температур, превышающих 400 ° C, а также подшипники, изготовленные из альтернативных материалов.

Преимущества и недостатки подшипников с газовой смазкой

Преимущества

• Без износа, долговечность. Воздушные подшипники работают бесконтактно и без истирания . Единственное трение возникает из-за потока воздуха между опорными поверхностями. Таким образом, срок службы воздушных подшипников неограничен, если они правильно спроектированы и рассчитаны. Роликовые подшипники и подшипники скольжения имеют высокую степень трения при использовании на высокой скорости или ускорении, что приводит к возникновению контура положительной обратной связи, при котором высокий износ снижает точность, что, в свою очередь, вызывает больший износ, что в конечном итоге приводит к их выходу из строя.
• Направление, повторяемость и точность положения. При производстве микросхем и при размещении на задней стороне, точность повторяемости 1-2 мкм должна быть достигнута с помощью устройства для склеивания проводов. На пресс-формы необходимо добиться даже 5 мкм. С такой точностью роликовые подшипники достигают своего физического предела без меньшего ускорения. На передке (литография) уже установлены воздушные подшипники.
• Экономическое преимущество и повторяемость. При последовательном применении газовые подшипники могут иметь преимущество в стоимости по сравнению с роликоподшипниками: производство высокочастотных шпинделей с роликовыми направляющими, по словам производителя, примерно на 20% дороже, чем шпиндели с пневматическими направляющими.
• Экологическая чистота. Поскольку они не требуют использования масла для смазки и не имеют трения, газовые подшипники подходят для применений, требующих незначительного загрязнения рабочей жидкости. Это критически важный аспект для фармацевтической промышленности, переработки ядерного топлива, производства полупроводников и циклов преобразования энергии.

Недостатки

• Самовозбуждающаяся вибрация. В опорных подшипниках самовозбуждающаяся вибрация может проявляться выше 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 требуются точные динамические расчеты. Этот вид нестабильности известен как «вихрь на половинной скорости» и особенно влияет на аэродинамические подшипники.
• Жесткие производственные допуски. Чтобы выдерживать достаточную нагрузку и избежать упомянутой выше нестабильности, требуются жесткие допуски в зазоре между опорными поверхностями. Типичные зазоры от 5 до 50 мкм требуются как для аэродинамических, так и для аэростатических подшипников. Следовательно, производство воздушных подшипников дорого.
• Чистая окружающая среда. Из-за своего малого зазора подшипники с газовой смазкой чувствительны к присутствию твердых частиц и пыли в окружающей среде (в случае аэродинамических подшипников) и к газу с внешним давлением (аэростатические подшипники).

Теоретическое моделирование

Подшипники с газовой смазкой обычно моделируются с использованием уравнения Рейнольдса для описания изменения давления в тонкопленочной области. В отличие от подшипников с жидкой смазкой, газовая смазка должна рассматриваться как сжимаемая, что приводит к решению нелинейного дифференциального уравнения. Численные методы, такие как метод конечных разностей или метод конечных элементов, являются общими для дискретизации и разрешения уравнения, учитывающего граничные условия, связанные с каждой геометрией подшипника (линейное движение, опорные и упорные подшипники). В большинстве случаев газовую пленку можно рассматривать как изотермическую и соблюдающую закон идеального газа, что приводит к упрощению уравнения Рейнольдса.

Источник