气体静压轴承专利技术综述

吴琼

摘 要：气体润滑轴承具有摩擦损耗极小、运动精度高、振动小、无污染等一系列优点，因而在精密工程、空间技术、电子精密仪器、医疗器械及核子工程等领域中，有十分广阔的应用前景。本文通过国内外专利申请的客观数据，对气体静压轴承的发展脉络进行了梳理，并对国内外专利申请的趋势、地域分布及重要申请人进行了分析。

关键词：气体静压轴承；小孔节流；狭缝；多孔质；专利申请

1. 气体静压轴承的原理与特点

气体静压轴承的结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体作为润滑介质。当外部压缩气体通过节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载能力和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承中。工作时，由于潤滑间隙自始至终充满着压力气体，在支承件的起动或停止工作时无固体接触。

与传统滚动轴承或油膜润滑轴承相比，气体静压轴承具有以下优点：

（1）几乎无摩擦、磨损小、寿命长；

（2）运转平滑、精度高；

（3）耐高、低温性能好，抗辐射能力强，可应用于极端工况例如低温、制冷或核工业领域；

（4）清洁度高，无污染。

2. 气体静压轴承的技术分支

采用外压供气是气体静压轴承的基本工作方式，节流器是其关键结构，按节流机制的不同主要可分为以下三个分支：

2.1 小孔节流式

气体流经小孔而形成压力降的节流装置称为小孔式节流器，是气体静压轴承使用最广泛的一种节流形式。

2.2 狭缝节流式

气体流经狭缝而形成压力降的节流装置称为狭缝式节流器。狭缝式节流器中起节流作用的部分为狭缝，产生承载能力的部分称为承载气膜。具有这种结构的轴承具有很小的长径比，结构尺寸小；同小孔节流比较具有很小的扩散损失；动态稳定性较好；但是狭缝易被污染物堵塞。

2.3 多孔质节流式

多孔质材料通常由金属或者非金属小颗粒烧结而成。气体由气源经颗粒间孔隙流至轴承工作面而造成压力降的节流装置为多孔质式节流器。具有该结构的气体轴承承载能力较高、且刚度、稳定性能好、结构简单；但是该类轴承间隙较大，在确定渗透率时很有难度，压力的确定涉及非常复杂的函数，加工时孔隙易堵塞。

除了上述类型的气体静压轴承，还有毛细管节流、弹性节流静压轴承。

3. 气体静压轴承的发展历程

从专利申请情况来看，全球气体静压轴承的发展历程主要经历了四个阶段，如图1所示。

3.1萌芽期（1930～1959）

从1897年到大约1950年，由于技术水平的限制、应用需求不旺盛等原因，对气体轴承仅有少量理论与试验研究，主要研究成就是使“气体作为一种润滑剂”这种设想变成了现实。在专利申请方面，1930年美国人PENICK EDWARD第一个申请了气体静压轴承的专利，随后BAYER、IBM等公司陆续发明多种新型的气体静压轴承结构，如小孔节流式、狭缝节流式、多孔质节流式轴承等。

3.2 缓慢发展阶段（1960～1964）

1950年到20世纪70年代末，由于计算机的出现及数字计算技术的进步，且出于航空航天等高新技术发展的需要，气体轴承的理论和实验研究获得了飞速发展。气体轴承的专利申请量也随之增加，而多数是对早期申请的改进。

3.3 停滞阶段（1965～1998）

这一时期，理论和试验研究的气氛非常活跃，气体轴承的应用领域也从航空航天领域拓展到民品领域；气体轴承的静态特性被成功掌握，而动态特性方面的研究也取得一定进展。

该时期的专利申请量趋于稳定，其中小孔节流式静压轴承的申请量居多，而狭缝节流、多孔质节流式气体轴承由于自身的优点也越来受到重视，申请量仅次于小孔式节流气体轴承，这标志着气体静压轴承技术已趋于成熟。

3.4 快速发展期（1999至今）

伴随计算机及计算技术的快速发展，优化设计、计算机辅助设计等现代化设计方法在气体轴承设计中获得应用，以前的经验设计被理论设计逐步取代。

随着应用范围的不断扩大，对气体静压轴承的性能提出了更高要求，因而对气体润滑中提高刚度、稳定性的研究、对惯性力影响的研究、对超音速现象的轴承空气动力学研究、对带弹性元件的气体轴承研究、对过渡状态的分析等成为气体轴承研究的重要课题，从而衍生出了更加新型的气体静压轴承结构。例如，着重对气体静压轴承系统的稳定性进行改进的专利申请代表有：2002年韩国人PARK.J.G提出的“一种沿轴承圆周方向具有不同宽度狭缝的静压气体轴承”，利用轴承刚度非对称性来提高轴承系统的稳定性；2006年韩国人RHO B H提出的“一种小孔供气静压气体轴承”，该轴承的供气孔在轴承圆周方向不对称分布，能提高转子-轴承系统的最大转速，改善转子的振动特性； 2007年英国GSI公司提出“一种空气静力轴承”，通过节流喷嘴绕轴承的圆周方向不对称布置，使得在使用中绕轴承产生不均匀的压力分布以产生减振作用。

4.国内外专利申请分析

通过对全球专利申请进行统计分析发现，气体静压轴承领域专利申请量最多的国家是美国（约370件），其次是日本、德国、欧洲等国，反映了这些国家在该领域研究较早、较成熟的真实情况。

进一步地，通过外文专利库的检索和统计，得到该领域全球重要申请人的专利申请排名情况，前15名申请人中有7位是日本申请人，其中日本OILES工业株式会社的申请量遥遥领先（约84件）。该公司在此领域的专利申请多集中于小孔节流式和多孔质节流静压气体轴承，其研究的重点在于对气流的引导和对自激振动的抑制。例如该公司将已经较为成熟的复合材料自润滑轴承技术用于气体静压轴承上，具有良好的自激振动衰减性能。

我国对气体润滑技术的研究始于20世纪60年代初，起步较晚，研究初期的专利成果较少。通过在中文专利库检索发现， 2003年以前的申请大部分为国外来华申请人提出，而此后国内申请人的申请量开始迅猛增长，这种变化与我国在气体润滑技术方面的研究全面展开并进展迅速有紧密的联系。国内重要申请人以各大高校为主，其中，哈尔滨工业大学在国内的研究水平处于领先地位，其出版了多部关于气体轴承的著作，例如航天学院刘暾教授等编著的《静压气体润滑》，并且在气体轴承的承载能力、刚度、数值计算方法上进行了深入的研究，该校在此方面的专利成果数量在国内申请中位列榜首（约70多件），其申请涉及混合式螺旋槽动静压气体轴承、人字槽动静压气体轴承、气体弹性箔片轴承、零刚度隔振器与隔振系统等。

5. 小结

通过对国内外气体静压轴承的专利申请情况进行多角度的分析和梳理，使本领域技术人员更加明晰该技术领域的发展现状，有助于了解该领域的发展趋势，进而促进技术改革与创新。