тел: (495) 600-40-84

Воздушные подшипники

Введение

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. 

drawing 1.JPG

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

drawing 2.JPG

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. 

drawing 3.JPG

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)

drawing 4.JPG

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.

drawing 5.JPG

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

· вакуумная преднагрузка

· магнитная преднагрузка

· 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. 

drawing 6.JPG

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. 

drawing 7.JPG

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.

drawing 8.JPG

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. 

drawing 9.JPG

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