气体轴承

用气体作润滑剂的滑动轴承

气体轴承，用气体作润滑剂的滑动轴承。最常用的气体润滑剂为空气，根据需要也可用氮、氩、氢、氦或二氧化碳等。在气体压缩机、膨胀机和循环器中，常以工作介质作为润滑剂。

轴承特点

①摩阻极低：由于气体粘度比液体低得多，在室温下空气粘度仅为10号机械油的五千分之一，而轴承的摩阻与粘度成正比，所以气体轴承的摩阻比液体润滑轴承低。

②适用速度范围大：气体轴承的摩阻低，温升低，在转速高达5万转/分时，其温升不超过20～30℃，转速甚至有高达130万转/分的。气体静压轴承还能用于极低的速度，甚至零速。

③适用温度范围广：气体能在极大的温度范围内保持气态，其粘度受温度影响很小（温度升高时粘度还稍有增加，如温度从20℃升至100℃，空气粘度增加23%），因此，气体轴承的适用温度范围可达-265℃到1650℃。

④承载能力低：动压轴承的承载能力与粘度成正比，气体动压轴承的承载能力只有相同尺寸液体动压轴承的千分之几。由于气体的可压缩性，气体动压轴承的承载能力有极限值，一般单位投影面积上的载荷只能加到0.36兆帕。

⑤加工精度要求高:为提高气体轴承的承载能力和气膜刚度，通常采用比液体润滑轴承小的轴承间隙（小于0.015毫米），需要相应地提高零件精度。

轴承类型

1）气体润滑轴承形成承载气膜的机理与液体润滑轴承相同，故分为气体动压轴承和气体静压轴承。

气体动压轴承：是利用气体在楔形空间产生的流体动压力来支承载荷的。常在轴颈或轴瓦的表面做出浅螺纹槽，利用槽的泵唧作用提高承载能力。气体动压螺旋槽推力轴承：为气体动压螺旋槽推力轴承。

气体静压轴承：气体静压轴承的供气压力一般不超过0.6兆帕。气体通过供气孔进入气室，然后分数路流经节流器进入轴承和轴颈的间隙，再从两端流出轴承，在间隙内形成支承载荷的静压气膜。气体静压轴承的内孔表面一般不开气腔，以增大气膜刚度，提高稳定性。

2）按承受载荷的方向不同，又可分为气体径向轴承、气体推力轴承和气体径向推力组合轴承。

轴承应用

斯特林制冷机性能数值模拟

如《气体轴承斯特林制冷机结构示意图》所示，主要部件是热端换热器、冷端换热器、回热器、排出器、直线压缩机及其支撑部件等。方波电压加载于直线电机，直线电机驱动活塞往复运动于气缸内部，产生压力波，一分部高压气缸驱动排出器往复运动，一部分高压气体经热端散热器冷却进入冷端膨胀制冷，产生低温效应。

借助Sage软件对气体轴承斯特林制冷机进行数值模拟和优化。通过对制冷机内部制冷工质的质量、动量和能量守恒方程，以及理想气体状态方程进行数值计算，模拟制冷机内部复杂的交变流动状态，计算内部动态参数和制冷性能变化规律，为制冷机的设计和优化提供理论支撑。

气体轴承设计与优化

气体轴承作为斯特林制冷机的核心零部件之一，其设计的合理性直接影响活塞是否能够稳定悬浮于气缸内部，以及气浮支撑活塞所需高压气体量，直接影响制冷机的整机效率因此，依托计算流体力学为基础，建立气体轴承流场分析的三维模型，分析气膜支撑特性参数承载力和刚度，进而优化气膜间隙内部的流动特性，满足活塞气浮支撑的要求，同时降低气浮支撑产生的负面效应，提升制冷机的输出效率。

运用有限元分析气膜流场的压力分布。最终设计满足使用要求的的气体轴承最大承载力为3.76N，最大气膜刚度为1512N/mm；最小承载力为2.81N，最小气膜刚度为846N/mm。通过制冷机整机多次运行结果发现，活塞运行平稳，无撞缸现象，且活塞表面无明显的轴向划痕，气缸表面亦无摩擦的痕迹，证明设计的气体轴承满足活塞稳定悬浮于气缸内部要求，且运行平稳，达到极好的状态。

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