、 询
旃 ｉ 、
空气轴承的原理与应用
湖南大学机械与汽车工程学院（４１ ００８２） 郭力
空气轴承是利用空气弹性垫来起支承作
用的一种新型轴承。基于空气的固有属性（粘
度低且随温度变化小、耐辐射等），空气轴承
在高速、低摩擦、高温、低温及有辐射性的场
合，显示了独具的优越性。如在高速磨头、高
速离心分离器、陀螺仪表、原子反应堆冷却用
压缩机、电子计算机记忆装置等技术上，由于
采用了空气轴承，突破了使用滚动轴承或油膜
轴承所不能解决的困难。空气轴承分为三太
类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴
承。在一般工业中，空气静压轴承用得较广
泛。
空气静压轴承，是以压缩空气通过节流器
进入轴承形成压力气膜来起支承作用的。其承
载原理与液体静压轴承基本类同。基于润滑剂
性能方面的差异（液体是不可压缩流体，粘度一
般比空气的太２～３个数量级），两者的设计理
论、结构、应用场台自然各不相同。
空气静压轴承的特点
与液体膜轴承相似，空气静压轴承气膜形
成与轴转速无关，而空气动压轴承则气膜形成
完全靠轴转速。它与其它类型轴承比具有如下
的特点：
（１）空气的粘度很低，因此摩擦损耗小，发
热与变形也极小，这对精密机床是特殊重要
的 因为机床的热变形对加工精度的影响极为
有害。在空气静压轴承中，空气通过轴承的压
力降引起的冷却效应，以及空气粘度极低 无论
工作问隙如何小，封气面如何大 也能保持很小
的温升。这对于高速磨床主轴轴承，高速透平
机来说 特别有价值。 空气静压轴承在超精密和超高速主轴中 的应用太有前途。除空气的祜度几乎可忽略不 ２０００年第２期 彻 ｌ 计外，它的清洁，化学上的惰性和稳定性 以及 在地球上取之不尽的优点，使它成为十分诱人 的澜滑剂。 （２）与滚动轴承相比，字气静压轴承振动 小，如用于砂轮主轴，砂轮形状保持性好，砂轮 的修正次数和磨损可减少ｌ／３～１／４：加工工 件的表面粗糙度也低 （３）其缺点主要是承载能力低，刚性差。 二、空气静压轴承的典型结构 ｌｌ／／／ｌ１Ｖ／ ＿｜ ， ６ １ １ｒ Ｉ ｌ ４ ／ ｒ／／，ｌｌＩ／ ｆ Ｑ， ● （ｂ Ｊ 图Ｌ空气静压轴承的典型结构 图ｌ为空气静压轴承的两种典型结构。在
该图中，（ａ）为双列空气静压径向静承．（ｂ）
为单列空气静压径向轴承。轴承的结构较苘
·６７·
维普资讯 http://www.cqvip.com
单，在圆筒形轴套上钻有一列或双列绕轴承圆
周等距排列的进气孔。压缩空气由外气源送
到环绕轴承的储气槽。压力空气从储气槽经
节流器进入轴和轴承之间的间隙，然后沿轴向
流至轴承端部．排八大气。储气槽压力等于气
源压力Ｐ ｓ。当压力空气通过节流器时．压力下
降．气流在间隙中压力继续下降直至轴向端面
达到环境压力为止。
空载时．轴和轴承同心（忽略主轴自重）。
这时，轴承周向压力没有变化，节流后的压力
处处为Ｐ ０ 作用于轴颈上的压力相互平衡。
当轴受到垂直向下的载荷时，轴向下产
生微小位移，轴承上半部的间隙增大，而轴
承下半部的间隙减小。轴承上半部对空气排
八大气的阻力减小，压力Ｐ ｏ降至Ｐ ３；轴承下半
部对空气排八大气的阻力增大，压力则上升
到Ｐ这样就有压力差作用于轴上以平衡外载
荷。
显然，对双列孔轴承，轴向孔问压力基本
持平，在轴承几何尺寸、问隙及供给压力相同
的条件下、承载能力、刚性及流量都比单列
轴承大；而高速稳定性单列轴承则比双列的
好。
为避免空气的可压缩性引起的气锤振
动，空气静压轴承的节流器都设置在轴承体紧
接润滑气膜处 因此．轴承结构与其节流形式
有直接的关系。
三、气体静压轴承的节流形式
圆形进气孔是空气静压轴承常见的节流
器，因为它最容易加工。此外．还有沟槽，毛细
管，烧结轴承的多孔质以及表面节流等节流形
式。
同理，节流作用发生在通道的最小截面
上．当气流通过二个或数个面积大小相近的节
流面时，各节流面都起程度相近的节流作 用．故称之为二次节流和多次节流。 １．孔式节流 根据孔式最小截面积的形式．可分为环面 节流和小孔节流两种，见图２。当轴承半径间 ６８· … 国２孔式进气方式结构图 隙小于节流孔径的ｌ／４时（即ｈ。＜ｄ ／４） 即 发生环面节流，其节流面积为一圆柱表面积 Ａ＝ ｄ。ｈ，国２（ａ）所示。在图２（ｂ）中有气 腔，当气腔深度６＞ｄ。／４．即发生小孔节流，无 论ｈ为何值，节流面积均为Ａ＝ ｄ。／４。同 样．当（ｈ＋６）＜ｄ。／４，孔口与轴面表面间的环 面积Ａ＝ ｄ。（ｈ＋６）也发生环面节流。当 然，有时环面节流还可能发生在气腔口与轴表 面间构成的柱形或矩形表面积上，甚至出现多 次节流。环面节流承载能力较低，节流效果随 轴承的间隙变化而变化，其承载能力一般只有 小孔节流的２／３。矩形气腔的小孔节流比一 般圆形气腔的承载能力还大２ ５％，但加工困 难。不过目前已有加工方孔的刀具。 ２．沟槽节流 淘槽节流器结构形成与液体动静压中淘 槽节流器的形式完全一 致（具体见《液体动 静压轴承原理与应用》一文） 沟槽节流器是 孔式节流器的逻辑发展。其优点是轴承性能 与润滑剂物理特性无关。值得注意的是，沟槽 节流空气静压轴承的供气压力受到限制。当 供气压力高于某值时．沟槽节流和孔式节流一 样会出现所谓“阻塞”现象，再提高供气压力 不但浪费能源，而且对轴承性能不利。 ３．表面节流 表面节流，更确切地说是表面微沟节流，
是阶梯节流的一种形式。如图３所示结构，其
原理是，浅的微沟对称均布于轴承的支承面
上．当气流流过微沟时．在其台阶处发生节流
作用 类似于浅油腔液体动静压轴承节流机
《磨床与磨削》
维普资讯 http://www.cqvip.com
沟
图３表面节流的结构
理。（见作者《液体动静压轴承原理与应
用》～文） 表面节流的主要优点是克服了
加工小孔的困难，使轴承间隙可做得更小，从
而获得承载能力和刚性更高的轴承 目
前，表面节流研究工作在国内外蓬勃开展。日
本在八十年代至九 年代一直发展表面节流空
气静压轴承工作，取得了不少成果。国内目前
也开展表面节流空气静压轴承研究，据报道目
前已开发一种由压电传感器作为控制元件的主
动控制表面节流器的空气静压轴承，其承载能
力和罔ｌｌ度比没有控制的高出三倍以上。表面节
流已成为空气轴承发展方向。
值得指出的是，空气静压轴承在高速、大
偏 ￡，情况下会产生很大的动压效应，因此严格
的说这时应叫空气动静压轴承。空气动静压轴
承分析方法参见文献［１］。
四、空气静压轴承的应用
空气静压主轴形式有电主轴、涡轮主
轴、及皮带和联轴节传动的机床主轴。
如一种空气静压电主轴、转速为每分钟
９万转，主要用于磨加工高压油泵的精密偶件。
种每分钟ｌ ３万转的空气静压涡轮主
轴，主要用于喷油嘴偶件的磨加工。
般而言，空气静压涡轮主轴多用于磨削
柴油机油嘴零件或高速钻床。而空气静压电主 轴多用于磨削批量大，精度高的场合。磨削加 工微型轴承内径．沟道和滚道用的高速砂轮 轴，转速在Ｌ ５万转／分之内。 空气静压电主轴已在我国不少工厂和部 门应用。实践证明这种主轴精度高、寿命长、 温升低，很受欢迎。而沟橹节流宅气静压轴承 支承的电主轴，刚性大，高速稳定性好，已稳定 用于生产多年，效果较理想 可以预见，随着性 能优良的空气静压轴承开发（如表面节流空气 静压轴承），空气轴承在高速、高精度加工领 ２０００年第２期 域将有更广泛的怍用。 五、结束语 我们这次轴承技术讲座，向大家介绍了各 种轴承的原理与应用。为了使大家有一个总的 印象，在表１中列出了磨床砂轮主轴用各种轴承 性能的一般比较。 从表Ｌ中可看出滚动轴承的耐磨性在各类 轴承中最差。事实上，滚动轴承最突出的问题 是精度和寿命的闽题。 轴承的刚性、磨削性能等以电磁轴承为 最佳，液体静压，动静压轴承次之。 加工费用以电磁轴承为最高，所以选择轴 承时要周全考虑。 表ｌ磨床砂轮主轴用各种轴承性能比较 液体静压 液体动压 空气静压 滚动轴承 电磁轴 轴承 轴承 轴承 承 径向刚性 良 由 劣 由 良 振动衰＿威率 由 良 劣 由 良 耐磨性 良 稍劣 良 劣 良 使用速度范围 由 稍劣 良 中 良 加工费用 高 由 高 便宜 很高 使用成本 局 稍高 中 由 很高 瞎削性能 良 中 中 由 良 空转动力 中 劣 良 中 良 在对材料的要求上，静压轴承比动压轴承 要求低。动压轴承的间隙一般均比静压轴承的 小，在工作全过程又不可避免地会发生主轴与 轴承表面间的接触，除制造精度要求高外，还要
考虑材料的耐磨性以及配对材料的相容性，包
括沟槽界限和抗咬粘性。
此外，陶瓷轴承的高速性能很好，可以认真
考虑。
总之，在轴承的选用上，要根据实际情况综
合考虑，在满足使用条件下尽量选价格便宜的
轴承。
参考文献
［１］余鸿钧．流件动静压混合轴承及主轴．河北科学
技术出版社 １ ９９ ３：１ ０
·６９·
维普资讯 http://www.cqvip.com