新型高刚性气浮轴承的稳健设计

汽车外覆盖件喷涂是车体外观质量的关键工序，喷涂设备性能的优劣将直接关系到产品成本和市场竞争能力。

为提高生产效率、降低劳动强度、提高漆料的利用率和覆盖件表面质量的稳定性，国内主要汽车生产企业引进数十条 自动静电喷涂生产线。但其关键部件--高速气浮喷漆涡轮在技术上尚不能完全满足要求。高速气浮喷漆涡轮存在的主要问题表现为气体涡动造成转子在轴承套内产生不规则的振动，稳定性差，由此引起的问题是轿车覆盖件漆膜厚度不均和橘皮”现象，以及涡轮使用寿命达不到设计要求。新型气浮轴承采用刚性转子，支承体为静动压混合气浮轴承套，由高压气体驱动。

在传统高速气浮支承采用两点轴向支承位的基础上，本文提出了采用三点轴向支承位结构，并采用光纤传感器采集脉冲信号，实时进行速度反漓测，大大地提高了支承刚度和运动稳定性，技术指标达到国际先进水平。

天津市重点基金项目(013802111)1141 气浮轴承功能结构高速气浮喷漆涡轮气浮轴承的轴承套上周向分布有二十四个节流孔，且成三个轴向位排列。喷漆涡轮在工作前，先将高压气流通过节流孔，再经过径向轴承间隙，或止推轴承间隙流人大气，其流量与节流孔孔口压强差、径向轴承间隙中的压强或止推轴承间隙中的压强有关。而节流孔孔口压强、径向轴承间隙和止推轴承间隙中的气体压强又影响着气浮轴承的承载力和止推力。在高速气浮喷漆涡轮工作前，轴颈受高压气流支承而首先悬浮起来，当再用高压气体驱动涡轮盘带动轴颈和固定在轴颈上的喷杯旋转时，轴颈不仅受径向力，还受轴向力。其中，径向力主要是重力和轴套、轴颈间高压气流产生的承载力，而轴向力主要是轴颈大端面与止推面、轴套止推面间高压气流产生的轴向止推力。所以，高压气流是通过节流孑L和轴承间隙两者之间的相互作用，来影响轴颈的运动。因此，对气浮轴承的研究应首先分步分析气流在节流孔及轴承间隙中流量与压强间的关系，然后再综合求出轴承承载力及止推力。

袁名伟，等：新型高刚性气浮轴承的稳健设计 2013年第5期新型气浮轴承结构如图 1所示。

承座 涡轮 涡轮座 气浮轴承套轴承前 高速 端盖、 转子1l62 关键技术图 1 新型气浮轴承结构2.1 技术参数校核轴颈压强和受力图如图2所示。对于三列各八个孔的轴承套而言，其采用单孔提供气体支承的方式，且发散不均匀，即支承力在节流孔中心处和其他位置处分布不均匀，轴颈端截面可视为受八个方向的油膜力，如图2中 ～ 所示 ，其合力即为承载力，与轴颈所受重力平衡。图2中 Z，为第-列节流孔距轴承套右侧端面的距离，z 为第二列节流孔距轴承套右侧端面的距离，厶为第三列节流孔距轴承套右侧端面的距离，P 为气体流出压强，h。为单边气流层厚度，d为节流孔直径， 为轴承套长度，Pn为气源气压，D为轴颈直径F77。1图2 轴颈压强和受力图3对于每-个方向的力均可认为是气体作用在全弦长 Dsin( 凡)上的力，最后 ，对八个方向的力求矢量和，即可得出承载力。其中，第 i个节流孔油膜力的大小 为：F f Pdf Dsin 2×[2(P -Po)Po] Pal(，J-2z Dsinf ) (1)式中：P 为第 i个节流孔的孔口压强；Z，为第 列节流孔到轴承套右端面的距离， l，2，3；n为每列节流孔的孔数，n8；i1，2，，24。

对式(1)进行化简，得：： 。 n(詈) (2)由此即可得气浮轴承承载力 F为：F 3 Fl- 本装 置已知设计参数有：f。0.006 1 m，z 0.030 9m，L0.063m，轴径 D0.025 6m，n8，节流孑L孔口压强 P 3.84×10 Pa，P06.06 x 10 Pa，可求得 ：F 401 N，F3 x 8 x4019 624N。

经过校核和实验结果可知，-个轴向位提供径向支承力为3 208N，三个支承位所提供的支承力能充分地满足高速喷漆涡轮工作时工作压力为9 000N的要求。

2.2 轴承节流孔孔径关键尺寸的设计节流孔精确加工是保证轴承承载力和运行稳定性的关键，-般掩流孔孔径小于 4，o.5mm≮流孔孔径与轴承的支承刚度相关，根据参数进行了结构设计和实物制作，并进行了现场实验和测试，图3所示为节流孔孔径和轴承支承刚性之间的关系曲线，不同孔径的节流孔，其刚度(曲线斜率)也不相同，当节流孔孔径为 .imm时，其刚度最大，但容易产生震颤，节流孔孔径为 6o.4mm时，刚度最差，通过稳定性持续运行和实验，并进行了部分参数优化和比较，节流孔孔径为.2ram时比较理想，能满足现场工作的需要。

gZ：8H ×窿 间隙x lO /m图3 轴承支承刚度、节流孔孔径和轴承间隙的关系曲线1152013年第 5期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)通过实验和计算得出，对于止推轴承，要使承载力刚度达到最大值 ，节流孔孔径必须与止推面间隙相对应，考虑到实际加工可达到的精度，止推面间隙采用 131m，节流孔孔径采用 .4mm，能满足轴向支承要求 。

3 气浮轴承套制造工艺1)气浮轴承套结构如图 4所示。轴承套材料采用锡青铜。因轴承套直接与转轴相接触，承受载荷并且与轴具有相对运动，为减少摩擦、磨损而失效，其材料应满足以下几点要求。

(1)具有足够的抗压强度、抗疲劳强度和承受冲击的能力。

(3)具有适应性和容纳异物的能力。硬度低、塑性好和弹性系数低的材料具有 良好的适应性和容纳异物的能力。

(4)抗腐蚀性好。避免因氧化而产生胶状沉积物，从而保证轴瓦材料不被腐蚀。

图4 气浮轴承套结构2)采用 CAK6140数控车床进行粗加工，总长留0.2ram、内径留0.2ram精加工余量。在立式加工中心上利用旋转工作台精确分度，找正 64o.4mm外圆，然后打中心孔、钻孔、扩孔、铰孔至 1.6±0.01mm。

3)轴承套毛细管材料选用脆性黄铜，外径 为1.55±0.02ram(溶胶间隙为0.05mm)，内径加工可在高速精密车床(转速大于4 O00r/min)上加工，采用工作直径为，t o.2mm、柄径为63tnnl的麻花钻安装在精密夹头上，进给量应选择很小，保证内、外径尺寸精度。

4)擦拭干净轴套的各个部位，将预制的 25.4mm的心轴与轴套孔配合，将毛细管涂上进 口609厌氧胶与轴套上32个 4，1.6ram孔配合粘结，为了使每个毛细管粘结到位，在粘结后用木签塞紧，避免松动，再风干12h以上，使其粘接可靠。

5)检查毛细管粘结可靠后，在精密型数控车床上将 4，25.4ram孔加工到要求尺寸内，严格保证圆柱度误差小于0.002ram，同时应保证孔与外圆的同轴度误差，再对端面进行精加工，保证端面和孔 的垂直度4 实验运行与速度反馈按照设计要求，利用数控机床、磨床等精密设备116I5：1加工出所需的各个零/部件，经过检测零件达到图样的技术要求，并配齐所需辅助零件，可以进行安装 ，安装时，注意以下几点。

2)用稀料浸泡各零件，擦拭干净，并用压缩空气吹干，不许使用油液清洗。

3)对零件以及螺钉进行编号，对称鹏，有利于保证动态平衡和正确安装。

4)将装配好的样机安装在实验工作台上，气浮轴承安装如图5所示，连通压缩空气，进行试运行。试运行调试参数设定为：支承压力为6个标准大气压，涡轮工作压力为2.5个大气压。

涡图5 气浮轴承安装光纤传感检测越来越得到广泛地应用，特别是速袁名伟，等：新型高刚性气浮轴承的稳健没计 2013年第 5期度的检测，以其精确即时、测速范围大以及测速区域无电压，能远距离传导等特点而倍受青睐，本装置 首次采用光纤传感器 GX4-A3 R检测，该传感器为适应狭姓问和不良环境安装的高性能光纤传感器。光纤头能在电磁干扰大、温差大、湿度大和需防爆的诚等不良环境中可靠工作，响应速度为 lms，动作、复位时间均在 1ms以内，测速原理如图6所示。

图 6 测速原理因气浮轴承在高速旋转运动下工作，对动静平衡要求很高，测速前需在专业平衡机上反复进行平衡实验，然后对轴承的非重要表面进行去重，使转子的不平衡量小于0.15g·mm/kg即可。经调试，该气浮轴承运行状态 良好，转速逐渐增加 ，最高运行速度达到45 000r/min。回转运动精度小于 .01mm，径向支承刚度在 12kN以上，持续运行试验为80h，运动平稳无噪声 ，光纤传感器实时检测转速，稳定可靠，基本达到设计要求。

5 结语本文对自动静电喷涂设备关键部件的设计和制造进行研究，这为进-步开展高速喷漆涡轮系统结构动态设计、维修和维护、故障诊断和状态监控等技术的研究，眷实现该类设备的国产化奠定了坚实的理论设计和制造基础，但在高速喷漆涡轮系统的抗干扰性和稳定性上还需再深入地研究，从而使轴向支承位可设计成四个，支承长度加长，以便进-步提高转子支承刚度和稳定性。