Gas Bearing Introductions in Chinese Languare Taiwan Traditional Style

氣体軸承的介紹

(Introduction of Gas Bearings)

 作者: 吳爾融

緒言

  以轉動機械代替人力是人類文明史上的重要發明與成就. 每個轉動機械都有 轉動軸, 而每一個軸都需要軸承, 所以說有"軸"即有"軸承".軸 舆軸承的結合 構成一個動力系統(Rotor-Bearing Dynamic System). 軸承的功能是(1)支撑 轉軸所承受的重力及(2)限止轉軸的可移動的空間並維持軸的稳定運轉. 因此轉 動軸的振動(vibration)問題有别於一般結構体(structure) 的振動, 而自成另 一動力學系统.

  軸承可依轉軸與軸承是否直接接觸而分類:

(1) 二者自接接觸, 如滾動件軸承 (Rolling Element Bearing) 包括滾球軸承(Ball Bearing)滾柱軸承 (Roller Bearing) 及滾針軸承(Needle Bearing).

(2) 二者之間有空隙, 包括有潤滑劑(液体, 氣体及固体) 與無潤 滑劑如磁力軸承.使用液体如油 為潤滑劑的軸承如圓柱軸承(Oil Cylindrical Bearing) 其大量使用於重機械. 至於以氣体為潤滑劑的轉承則是本文的主題.

氣体軸承的特性

  氣体軸承通常以周邊的空氣為潤滑劑, 所以又常稱為空氣軸承(Air Bearing). 空氣處處可得(除了真空環境), 氣体軸承不像油壓軸承(Oil Bearing) 需要潤滑劑的儲存與輸送的設備. 也因此氣体軸承隨時可以起動又稱為自起動軸承(Self-Acting Bearing). 若需增加負荷力(Load Capacity) 而使用壓縮氣体則是外壓氣体軸承(Externally-Pressurized Bearing).

  氣体不像油易被污染, 氣体軸承適用惡劣的環境. 另外氣体軸承大都用於高速的轉動機械,如太空與航空工業的渦輪機(Turbine),壓縮機(Compressor),泵(Pump) 及生技機械如牙科鑽牙機等. 在高速的條件下, 液体潤滑劑如油因温度升高, 黏度(Viscosity) 下降, 致使負荷力減少, 若温度達沸點則潤滑功能喪失, 設計渦輪加速器(Turbo Charger) 就有此顧慮. 相對地, 氣体的黏度隨温度升高而上升, 軸承負荷力因而增加. 但氣体軸承有一弱點, 當轉軸起動舆停止時, 即零轉速, 軸面與軸承面接觸, 有磨損之慮. 另外起動速度(Lift-Off  Speed) 也是設計的要素. 即若轉軸速度未達此速度則轉軸不能起飛而與軸承面分開. 另外氣体軸承的抗震係数(Damping Coefficient) 低, 所以轉軸振動的動力分析也是設計者的一個重要課題.

  為了充分利用氣体軸承的優點並改善其缺點, 不同型式與有副加件的氣体軸承不斷被研發並用以取代液体軸承. 下節將分別說明.

氣体軸承的類型

  氣体軸承因用途的不同及功能差異, 大概有下列幾種:

(1) 軸向止推軸承(Thrust Bearing): 以承受轉動軸的軸向衝力, 如火箭推力. 其原理是利用兩滑板(Slider)的相對運動使其間的流体產生壓力而致成負荷重力. 下面圖1示其型狀, 兩相對圓盤(Disk) 套在轉軸上. 下面圓盤即是軸承盤,