Воздушный подшипник - Air bearing

Воздушные подшипники (также известен как аэростатический или же аэродинамические подшипники) находятся жидкие подшипники которые используют тонкую пленку сжатого газа, чтобы обеспечить несущую поверхность с низким коэффициентом трения между поверхностями. Эти две поверхности не соприкасаются, что позволяет избежать традиционных проблем, связанных с трением, износом, твердыми частицами и подшипниками. смазка управляемости и предлагают явные преимущества в точном позиционировании, такие как отсутствие люфта и статического трения, а также в высокоскоростных приложениях.^[1] Космический корабль в тренажерах сейчас чаще всего используются воздушные подшипники^[2] и 3-D принтеры теперь используются для создания симуляторов ориентации на воздушной основе для CubeSat спутники.^[3]

Различают аэродинамические подшипники, которые создают воздушную подушку за счет относительного движения между статическими и подвижными 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).

Пневматический высокочастотный шпиндель

Типы газовых подшипников

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

Аэростатические подшипники: Газ снаружи под давлением (с помощью компрессора или резервуара под давлением) и вводили 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 движущейся 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 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:

Тип газового подшипника	Технологии	Описание
Аэростатический	Пористая среда	Газовый поток регулируется через пористый материал
	Микро-насадка	Поток газа контролируется через отверстия микро размера
	Тип отверстия	Расход газа регулируется через отверстия и канавки
	Воздушный заклинатель	Расход газа контролируется через подушку безопасности
Аэродинамический	Подшипник из фольги	Поверхность подшипника гибкая, допускает большие перемещения и обеспечивает хорошую устойчивость.
Аэродинамический	Подшипник со спиральной канавкой	Газовая пленка сжимается канавками, выточенными на одной из поверхностей, что обеспечивает высокую нагрузочную способность и стабильность. Обычные рисунки канавок имеют форму елочки, спирали или прямые (ступенчатые подшипники).

Аэростатические подшипники

Сжатый газ действует как смазка в зазоре между движущимися частями подшипника. Газовая подушка выдерживает нагрузку без контакта между движущимися частями. Обычно сжатый газ подается с помощью компрессора. Ключевой целью обеспечения давления газа в зазоре является обеспечение жесткость и демпфирование газовой подушки достигает максимально возможного уровня. 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:^[4]

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

Не существует единственного наилучшего подхода к подаче пленки. Все методы имеют свои преимущества и недостатки, специфичные для каждого приложения.^[5]

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. В полость внутренние пористые (спеченные) газовые подшипники также относятся к мертвому объему.^[6]

Обычные аэростатические подшипники

Сопло-воздушный подшипник с камерами и каналами

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 только 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 используют 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.^[7]

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 вогнутый несущая поверхность вместо камеры. К недостаткам этих воздушных подшипников можно отнести очень низкую жесткость при наклоне.^[8]

Газовые подшипники с каналами и камерами

Обычно обычные аэростатические подшипники реализуются с камерами и каналами. 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 с высокоскоростными линейными приводами или высокочастотными шпинделями, это может вызвать серьезные недостатки.^[9]

Просверленные лазером аэростатические подшипники с микро-соплами

Разрезать цилиндрический элемент

Лазерная обработка (прорезание несущего элемента)

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) из-за высокого демпфирования в сочетании с динамической жесткостью; субнанометровые перемещения за счет минимальных ошибок, вызванных шумом; и передача газа или вакуума без уплотнений 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 поперечное 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. Оказалось, что физические характеристики воздушных подшипников мало изменяются 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 микронасадкой относятся:

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);
одобренная многими высокая точность всех воздушных подшипников, например в измерительной технике из-за малейших перемещений (<< 2 нанометра) из-за физических, минимально возможных самовозбуждающихся колебаний;
значительно более высокая жесткость при наклоне, чем у обычных воздушных подшипников, так что воздух в зазоре течет по каналам от нагруженных участков к ненагруженным;
отсутствие вибрации во всем рабочем диапазоне даже при высоком давлении воздуха (на самом деле возможно даже намного больше 10 бар);
высочайшая надежность за счет большого количества форсунок: не может быть и речи о забивании форсунок частицами (отсутствие сбоев в работе), так как их диаметр намного превышает высоту зазора;
возможность настройки несущих свойств на деформацию и допуски несущей и противоположной поверхности;
проверенная пригодность для многих подшипниковых материалов и покрытий.

Некоторые из этих преимуществ, такие как высокая гибкость, отличные статические и динамические свойства в сочетании, а также низкий уровень шума возбуждения, оказались уникальными среди всех других аэростатических подшипников.^[10]^[11]

Различные дизайны

Стандартный подшипник круглый

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, существуют прямоугольные подшипники с фиксированным креплением (без шарниров) для направляющих с максимальной жесткостью для максимальной точности и максимальной динамики.
Кроме того, есть также воздушные подшипники со встроенными вакуум или магнитные предварительные нагрузки, воздушные подшипники для высоких температур с более чем 400 ° C, а также подшипники, изготовленные из альтернативных материалов.^[12] ^[10]

Преимущества и недостатки подшипников с газовой смазкой

Преимущества

Сравнение подшипников

Без износа, долговечность. Воздушные подшипники работают бесконтактно и поэтому без истирание. 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 петли положительной обратной связи, в которой высокое истирание 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-формах должно быть достигнуто 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. Как для аэродинамических, так и для аэростатических подшипников требуются стандартные зазоры от 5 до 50 мкм. Следовательно, изготовление воздушных подшипников дорого.
Чистая окружающая среда. Из-за 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).

^[13]^[14]

Теоретическое моделирование

Подшипники с газовой смазкой обычно моделируются с помощью Уравнение Рейнольдса для описания эволюции давления в области тонкой пленки. В отличие от подшипников с жидкой смазкой, газовая смазка должна рассматриваться как сжимаемая, что приводит к решению нелинейного дифференциального уравнения. Метод конечных разностей или же Метод конечных элементов являются общими для дискретизации и разрешения уравнения, учитывая граничные условия, связанные с каждой геометрией подшипника (линейные, опорные и упорные подшипники). В большинстве случаев газовую пленку можно рассматривать как изотермическую и соблюдающую закон идеального газа, что приводит к упрощению уравнения Рейнольдса.

Примеры

Автомобильная техника

Режущий двигатель с воздушным подшипником

Доплеровский двигатель с воздушным подшипником

2-осевой стол на пневмоподшипнике с фрикционным приводом

Подшипник с поршневым актером

Спутниковая система с воздушным подшипником для солнечных батарей

Пневматический высокочастотный привод ножа

Срок службы приводных систем неограничен даже для движений, которые вызывают повреждение из-за разрушительного износа роликовых подшипников.

Турбонагнетатель с воздушным управлением

Для обеспечения уверенности и для первых исследований было выполнено первоначальное преобразование обычного турбонагнетателя с масляной системой управления в пневматическую. Для реальной будущей версии будет очень полезным использование результатов, полученных из высокотемпературных растворов, массовых продуктов (доказанные производственные затраты) и высокочастотных шпинделей (ноу-хау динамического фона).

Полупроводниковая техника

Воздушный подшипник для инспекционного устройства

Что касается измерения пластин и плоских панелей, очень важно разместить сенсорный чип точно и без какого-либо контакта по поверхности. Следовательно, микросхема встраивается непосредственно в поверхность подшипника. Максимальный допуск на расстояние до поверхности, относящийся 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. Предварительная нагрузка воздушного подшипника и, следовательно, высота зазора также регулируются этим поршнем.

Патрон со встроенным подъемным приводом

Для электрического испытания пластин патрон можно поднимать без заедания до 3 мм. Необходимое контактное усилие для зонда регулируется и не зависит от хода. Привод лифта основан на двигателе звуковой катушки; наведение осуществляется по воздуху. Пневматический поршень между зажимным патроном и приводом ограничивает контактное усилие.

Линейные приводы

Ступень прецизионных измерений

Филигранная структура позволяет проводить измерения света для изготовления чипов 300 нм с максимальной точностью менее 1 нм. В частности, воздушные подшипники рассчитаны на минимальное потребление воздуха при максимальной жесткости.

Высокоускоренный доплеровский привод

Ускоренный 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, чтобы избежать поломки из-за циклов высокой нагрузки. Воздушные подшипники абсолютно нечувствительны к геометрическим колебаниям в результате изменения температуры.^[15]

Привод для производственной машины

Помимо производительности, для производственной машины чрезвычайно важна надежность. Решение с воздушной направляющей рассчитано на статическое определение. Линейный двигатель с железным сердечником и поршневые подшипники обеспечивают предварительную нагрузку для воздушных подшипников. Таким образом, привод прост в сборке и нечувствителен к геометрическим изменениям, например, из-за температурных воздействий или расположения машин.^[16]

Медицинские технологии

Безжировые и безмасляные приводы для респираторов, движения сканеров без прерывистого скольжения или высокая скорость вращения больших роторов - все это было достигнуто с помощью воздушных подшипников.

Компьютерная томография с воздушным контролем

Высокая частота 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 возможна также ременная передача.

Технология производства

В первую очередь требуются движения без прерывистого скольжения и / или минимальные усилия. Технология пневматического подшипника предназначена для высокодинамичных движений без жира / масла с короткими ходами.

Воздушный подшипник для регулировки компонентов

В устройствах с воздушным направлением оптические компоненты могут быть размещены на поворотном столе с одинаковым диаметром. Воздушный подшипник с вакуумным предварительным натягом и постоянной высотой зазора подшипника бесконтактно плавает над поворотным столом.

Ползунок регулировки для производства оптики

Линейный ползун, управляемый воздухом и статически определяемый, гарантирует высокоточное позиционирование оптического компонента перед шлифовкой. Процесс самовыравнивания выполняется без трения или силы. В зажатом состоянии компонент сохраняет свое положение для дальнейшего изготовления в субмикрометрическом диапазоне.

Космическая техника

Воздушно-магнитная система скольжения

При транспортировке солнечных батарей для спутников в стартовой ракете их необходимо сложить. Достигнув орбиты, они разворачиваются с помощью пружинного механизма в невесомости и без трения. Этот процесс требует предварительного тестирования на Земле из соображений надежности. Во время тестирования солнечные панели подвешиваются на магнитных воздушных подшипниках с предварительным натягом, которые компенсируют гравитацию. При этом процесс раскладывания выполняется с минимальным трением, что означает, что солнечные панели испытываются практически в реальных условиях. Более того, конструкция предлагает абсолютно не требующее обслуживания обращение с равными последовательными движениями.

Компоненты с воздушным подшипником (диаметр 34 мм) со встроенными магнитами настолько малы, что могут бесконтактно скользить по обычным катаным листам с высотой зазора между подшипниками 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 отдельных воздухонесущих элементов. Процесс развертывания солнечных панелей разработан для площади 21 м x 2,5 м.

Направляющая с воздушным подшипником с постоянным магнитом и предварительным натягом может использоваться для многих типов подвесных транспортных движений, а также для многих других применений, таких как, например, для позиционирования компонентов без прерывистого скольжения во время сборки.

^[17]^[18]^[19]^[20]

Сноски

^ Шульц 1999, стр.6.
^ Schwartz, Jana L .; Пек, Мейсон А .; Холл, Кристофер Д. (01.07.2003). "Исторический обзор тренажеров авианесущих космических аппаратов". Журнал наведения, управления и динамики. 26 (4): 513–522. Дои:10.2514/2.5085.
^ Неманья Йованович и др. Разработка и тестирование недорогого, с открытым исходным кодом, трехмерного печатного симулятора ориентации на основе воздушных пеленгов для спутников CubeSat. Журнал малых спутников Vol. 8, № 2. С. 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 пневматического подшипника". specialtycomponents.com.
^ «Диафрагма и пористая поверхность впускных воздушных подшипников». specialtycomponents.com.
^ Шульц 1999, стр.14.
^ Шульц 1999 С. 7-8.
^ Шульц 1999, стр.9.
^ Шульц 1999, стр.11.
^ ^а ^б Шульц и Мут 1997, стр. 1-9.
^ Шульц 1999 С. 21-79.
^ Шульц 1999 С. 59-62.
^ Шульц 1999 С. 63-72.
^ Барц 1993, стр. 1-26.
^ Клемент 2009 С. 56-60.
^ Шульц 1999, стр.76.
^ "AeroLas GmbH - Innovationsf 黨 rer f 黵 Luftlager und luftgelagerte Antriebe: Intro Page". aerolas.de.
^ Аэролы1 - через YouTube.
^ "Воздушные подшипники OAV". oavco.com.
^ Воздушный подшипник OAV - через YouTube.