吳瓊

摘 要：氣體潤(rùn)滑軸承具有摩擦損耗極小、運(yùn)動(dòng)精度高、振動(dòng)小、無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在精密工程、空間技術(shù)、電子精密儀器、醫(yī)療器械及核子工程等領(lǐng)域中，有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)的客觀數(shù)據(jù)，對(duì)氣體靜壓軸承的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理，并對(duì)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)的趨勢(shì)、地域分布及重要申請(qǐng)人進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：氣體靜壓軸承；小孔節(jié)流；狹縫；多孔質(zhì)；專利申請(qǐng)

1. 氣體靜壓軸承的原理與特點(diǎn)

氣體靜壓軸承的結(jié)構(gòu)和工作原理與液體滑動(dòng)軸承類似，不同的是采用氣體作為潤(rùn)滑介質(zhì)。當(dāng)外部壓縮氣體通過(guò)節(jié)流器進(jìn)入軸承間隙，就會(huì)在間隙中形成一層具有一定承載能力和剛度的潤(rùn)滑氣膜，依靠該氣膜的潤(rùn)滑支承作用將軸浮起在軸承中。工作時(shí)，由于潤(rùn)滑間隙自始至終充滿著壓力氣體，在支承件的起動(dòng)或停止工作時(shí)無(wú)固體接觸。

與傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承或油膜潤(rùn)滑軸承相比，氣體靜壓軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）幾乎無(wú)摩擦、磨損小、壽命長(zhǎng)；

（2）運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、精度高；

（3）耐高、低溫性能好，抗輻射能力強(qiáng)，可應(yīng)用于極端工況例如低溫、制冷或核工業(yè)領(lǐng)域；

（4）清潔度高，無(wú)污染。

2. 氣體靜壓軸承的技術(shù)分支

采用外壓供氣是氣體靜壓軸承的基本工作方式，節(jié)流器是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，按節(jié)流機(jī)制的不同主要可分為以下三個(gè)分支：

2.1 小孔節(jié)流式

氣體流經(jīng)小孔而形成壓力降的節(jié)流裝置稱為小孔式節(jié)流器，是氣體靜壓軸承使用最廣泛的一種節(jié)流形式。

2.2 狹縫節(jié)流式

氣體流經(jīng)狹縫而形成壓力降的節(jié)流裝置稱為狹縫式節(jié)流器。狹縫式節(jié)流器中起節(jié)流作用的部分為狹縫，產(chǎn)生承載能力的部分稱為承載氣膜。具有這種結(jié)構(gòu)的軸承具有很小的長(zhǎng)徑比，結(jié)構(gòu)尺寸??；同小孔節(jié)流比較具有很小的擴(kuò)散損失；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較好；但是狹縫易被污染物堵塞。

2.3 多孔質(zhì)節(jié)流式

多孔質(zhì)材料通常由金屬或者非金屬小顆粒燒結(jié)而成。氣體由氣源經(jīng)顆粒間孔隙流至軸承工作面而造成壓力降的節(jié)流裝置為多孔質(zhì)式節(jié)流器。具有該結(jié)構(gòu)的氣體軸承承載能力較高、且剛度、穩(wěn)定性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但是該類軸承間隙較大，在確定滲透率時(shí)很有難度，壓力的確定涉及非常復(fù)雜的函數(shù)，加工時(shí)孔隙易堵塞。

除了上述類型的氣體靜壓軸承，還有毛細(xì)管節(jié)流、彈性節(jié)流靜壓軸承。

3. 氣體靜壓軸承的發(fā)展歷程

從專利申請(qǐng)情況來(lái)看，全球氣體靜壓軸承的發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了四個(gè)階段，如圖1所示。

3.1萌芽期（1930～1959）

從1897年到大約1950年，由于技術(shù)水平的限制、應(yīng)用需求不旺盛等原因，對(duì)氣體軸承僅有少量理論與試驗(yàn)研究，主要研究成就是使“氣體作為一種潤(rùn)滑劑”這種設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。在專利申請(qǐng)方面，1930年美國(guó)人PENICK EDWARD第一個(gè)申請(qǐng)了氣體靜壓軸承的專利，隨后BAYER、IBM等公司陸續(xù)發(fā)明多種新型的氣體靜壓軸承結(jié)構(gòu)，如小孔節(jié)流式、狹縫節(jié)流式、多孔質(zhì)節(jié)流式軸承等。

3.2 緩慢發(fā)展階段（1960～1964）

1950年到20世紀(jì)70年代末，由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及數(shù)字計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，且出于航空航天等高新技術(shù)發(fā)展的需要，氣體軸承的理論和實(shí)驗(yàn)研究獲得了飛速發(fā)展。氣體軸承的專利申請(qǐng)量也隨之增加，而多數(shù)是對(duì)早期申請(qǐng)的改進(jìn)。

3.3 停滯階段（1965～1998）

這一時(shí)期，理論和試驗(yàn)研究的氣氛非常活躍，氣體軸承的應(yīng)用領(lǐng)域也從航空航天領(lǐng)域拓展到民品領(lǐng)域；氣體軸承的靜態(tài)特性被成功掌握，而動(dòng)態(tài)特性方面的研究也取得一定進(jìn)展。

該時(shí)期的專利申請(qǐng)量趨于穩(wěn)定，其中小孔節(jié)流式靜壓軸承的申請(qǐng)量居多，而狹縫節(jié)流、多孔質(zhì)節(jié)流式氣體軸承由于自身的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)受到重視，申請(qǐng)量?jī)H次于小孔式節(jié)流氣體軸承，這標(biāo)志著氣體靜壓軸承技術(shù)已趨于成熟。

3.4 快速發(fā)展期（1999至今）

伴隨計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法在氣體軸承設(shè)計(jì)中獲得應(yīng)用，以前的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)被理論設(shè)計(jì)逐步取代。

隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)氣體靜壓軸承的性能提出了更高要求，因而對(duì)氣體潤(rùn)滑中提高剛度、穩(wěn)定性的研究、對(duì)慣性力影響的研究、對(duì)超音速現(xiàn)象的軸承空氣動(dòng)力學(xué)研究、對(duì)帶彈性元件的氣體軸承研究、對(duì)過(guò)渡狀態(tài)的分析等成為氣體軸承研究的重要課題，從而衍生出了更加新型的氣體靜壓軸承結(jié)構(gòu)。例如，著重對(duì)氣體靜壓軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)的專利申請(qǐng)代表有：2002年韓國(guó)人PARK.J.G提出的“一種沿軸承圓周方向具有不同寬度狹縫的靜壓氣體軸承”，利用軸承剛度非對(duì)稱性來(lái)提高軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性；2006年韓國(guó)人RHO B H提出的“一種小孔供氣靜壓氣體軸承”，該軸承的供氣孔在軸承圓周方向不對(duì)稱分布，能提高轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速，改善轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性； 2007年英國(guó)GSI公司提出“一種空氣靜力軸承”，通過(guò)節(jié)流噴嘴繞軸承的圓周方向不對(duì)稱布置，使得在使用中繞軸承產(chǎn)生不均勻的壓力分布以產(chǎn)生減振作用。

4.國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)分析

通過(guò)對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，氣體靜壓軸承領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量最多的國(guó)家是美國(guó)（約370件），其次是日本、德國(guó)、歐洲等國(guó)，反映了這些國(guó)家在該領(lǐng)域研究較早、較成熟的真實(shí)情況。

進(jìn)一步地，通過(guò)外文專利庫(kù)的檢索和統(tǒng)計(jì)，得到該領(lǐng)域全球重要申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)排名情況，前15名申請(qǐng)人中有7位是日本申請(qǐng)人，其中日本OILES工業(yè)株式會(huì)社的申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先（約84件）。該公司在此領(lǐng)域的專利申請(qǐng)多集中于小孔節(jié)流式和多孔質(zhì)節(jié)流靜壓氣體軸承，其研究的重點(diǎn)在于對(duì)氣流的引導(dǎo)和對(duì)自激振動(dòng)的抑制。例如該公司將已經(jīng)較為成熟的復(fù)合材料自潤(rùn)滑軸承技術(shù)用于氣體靜壓軸承上，具有良好的自激振動(dòng)衰減性能。

我國(guó)對(duì)氣體潤(rùn)滑技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代初，起步較晚，研究初期的專利成果較少。通過(guò)在中文專利庫(kù)檢索發(fā)現(xiàn)， 2003年以前的申請(qǐng)大部分為國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)人提出，而此后國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量開始迅猛增長(zhǎng)，這種變化與我國(guó)在氣體潤(rùn)滑技術(shù)方面的研究全面展開并進(jìn)展迅速有緊密的聯(lián)系。國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人以各大高校為主，其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)內(nèi)的研究水平處于領(lǐng)先地位，其出版了多部關(guān)于氣體軸承的著作，例如航天學(xué)院劉暾教授等編著的《靜壓氣體潤(rùn)滑》，并且在氣體軸承的承載能力、剛度、數(shù)值計(jì)算方法上進(jìn)行了深入的研究，該校在此方面的專利成果數(shù)量在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)中位列榜首（約70多件），其申請(qǐng)涉及混合式螺旋槽動(dòng)靜壓氣體軸承、人字槽動(dòng)靜壓氣體軸承、氣體彈性箔片軸承、零剛度隔振器與隔振系統(tǒng)等。

5. 小結(jié)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外氣體靜壓軸承的專利申請(qǐng)情況進(jìn)行多角度的分析和梳理，使本領(lǐng)域技術(shù)人員更加明晰該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，有助于了解該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而促進(jìn)技術(shù)改革與創(chuàng)新。