[科普中国]-气体轴承

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。

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。1

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。1

气体轴承斯特林制冷机斯特林制冷机性能数值模拟研究的气体轴承斯特林制冷机结构如图所示，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。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所