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气体轴承的历史

一般来说,气体润滑的演化与流(液)体膜润滑的演化是分不开的。然而,在早期阶段,人们对气体润滑的兴趣有限,液膜润滑被认为主要是依靠液体,对使用气体润滑的可能性存在一定怀疑 (然而讽刺的是,最早的一项润滑试验指出空气起到了润滑剂的作用)。
气体润滑的演化可分为三个阶段:
第一个阶段:探索期
1854年,G.A.Hirn发现了空气动力润滑的证据。他在一个“摩擦平衡” (一种带有扭矩测量装置的半轴颈轴承) 试验中证明,在足够高的转速下,“非黏性流体,如水和空气”可能会被拖入轴承。当速度减小到一定值时,摩擦力立刻变得很大。这是非常了不起的,因为它是最早的流体膜润滑的证据之一。
1883年,N.Petrov首次尝试从理论上分析油膜润滑的摩擦效应,认识到,摩擦中首先考虑的应该是油膜,而不是轴承材料。由于他对均匀膜厚的不现实假设,使得他的研究成果缺乏科学依据,未能建立起润滑理论,但他推导出的黏性摩擦定律仍以他的名字命名。
同年,B.Tower报告了非常重要的试验结果,显示了部分轴颈轴承的压力分布,从而指出了纯流体润滑膜是完全可能的,即流体润滑膜能够将两个相对滑动表面分开。
三年后,Osborne Reynolds在不了解N.Petrov理论的情况下解释了这一现象,并推导出以他名字命名的流体膜润滑机理的基本微分方程。与此同时,他也发表了一些相关文章。然而,文章中并没有提到Hirn的试验,也没有考虑气体润滑的可能性。
直到1886年,A. Kingsbury在不知道Reynolds理论的情况下,制造了一种空气润滑径向滑动轴承(这是基于他早期在制造压缩活塞装置中重新发现了空气润滑),才使得这种类型的润滑被再次讨论。后来认识并了解了Reynolds理论后,他获得了很好的压力分布数据,并于1887年发表。这可能是第一次毫无疑问的证明了空气润滑。 SKF6208
1913年, W.J. Harrison重新回到了气体润滑的课题上。在简化考虑的基础上,他引入了等温状态的概念,即密度与压力成正比,这一假设至今仍被广泛接受;他还开创了数值计算的思想,为空气轴承产生的问题提供了解决方案,并与A.Kinsbury的试验数据进行了很好的对比。他用参数Λ来描述可压缩性的影响,并称之为哈里森数(Harrison number)。
在这一点上,必须提到流体静压润滑。随着轴承表面运动产生的流体膜润滑优势逐渐显现,人们的注意力转移到超负荷或低表面速度所施加的限制中。1917年,Rayleigh勋爵首次提出了静压推力轴承的分析。他推导了平行圆盘之间空间中心供给压力的对数径向衰减表达式、轴承的阻力扭矩和极限承载能力。他指出了此类轴承可适应的环境及重要性,强调了只要轴承表面具有适当的几何精度和洁净的润滑,固体表面就不应存在磨损。(静压润滑的原理和应用于1865年由L.D.Girard证明并获得专利)。
在此之前,气体润滑的工业应用几乎没有证据,除了1906年和1909年获得专利的纺织机械用高速锭子。此外,借助空气轴承进行高速磨削的优势在1909年得到认可。直到第二次世界大战结束,流体膜润滑的研究还是主要集中在黏性液体轴承上。SKF624
第二阶段,始于50年代初,被Pan(1990)称为黄金时代
在20世纪40年代中期,随着气体润滑在高品质核燃料的制备中逐步发挥关键作用,人们再次将注意力集中在这项技术上。因此,包括材料投资在内的各方开始共同努力,以开发气体润滑的潜力,并将其作为推动机械工程技术进步的技术基础。
美国和欧洲为此成立了研究小组并启动了项目。以闭环工艺设备、惯性传感器、磁带传输、磁盘驱动器和飞机辅助机器等领域为主,定期举行会议和专题讨论会,并以会议记录、报告的形式向有关研究人员分发资料。
1958年,美国海军研究办公室在华盛顿特区召开了第一届气体润滑轴承国际研讨会,会议介绍了气体润滑方面的许多重大进展。后来,英国南安普顿大学(University of Southampton)定期举办研讨会,吸引了许多来自东欧和西欧的参与者。最初,注意力主要集中在商业应用的可行性上。随后与美国相关团队建立了联系,举行了联合会议。这种三方对话持续了许多年,直到70年代后期,也推动了数百篇科技论文和相关出版物的发行。这一时期也出现了第一本关于气体润滑的综合性教科书,作者:Gross (1962),Constantinesu(1969)(1962年,罗马尼亚语,1969年,英译本);Grassam and Powell (1964);MTI的演讲笔记:气体轴承的设计(Wilcock 1969)。
流体静压(和气体静压)润滑首次被确定为一种独特的润滑方式,并由D.D.Fuller于1947年系统化;迄今为止,外部承压的应用只有零星的例子。外部加压原理在气体轴承领域的应用比自作用更大。因为它克服了低速运行问题,并在提供低摩擦力的同时具有令人满意的刚度,产生的热量小,变形小。由于自作用气体轴承在承载能力方面的限制,自作用与外部加压的组合轴承开始越来越受到重视。SKFHK0912
直到70年代后期,支持气体润滑的研究开始变少。尽管到目前为止取得的成就令人印象深刻,但是没有明显的投资回报迹象。要做到这一点,必须首先在磨损控制方面取得相当大的进展,即气体润滑研究计划已经“超越自身”(Pan 1990)。因此,除了磁存储系统中的空气润滑外,气体润滑的相关研究活动放慢到了蜗牛般的速度。
气体润滑的第三阶段:现在
如今,气体润滑被公认为是一门全面发展的应用科学,已经成为创新者们不断努力寻找更高质量生活方式的创新驱动之一。虽然气体润滑的研究在80年代初开始大幅放缓,但对现代技术不断增长的需求已开始为这一学科带来新的生命和活力。在机床和计量、非接触式气体密封、计算机存储头、专用测试设施和许多其他尚未确定的应用领域中,对高精度和高速的要求将持续推动气体轴承的进步,气体轴承也将在一段时间内发挥重要作用。也许当今时代的主要特点是巩固迄今取得的成果,并进一步推动气体润滑技术的发展。“将气体润滑实践纳入高等院校和专业水平项目的常规机械工程课程是一个紧迫的挑战。”
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