1.2　研究背景

1.2.1　液体润滑与气体润滑

1.2.1.1　液体润滑

长期以来工业应用的轴承都是不可压缩的液体润滑膜轴承。液体润滑膜的承载能力很大，可以在几十兆牛载荷下保持机器的灵活运转。液体润滑膜的刚度也很大，可以和所支承的刚轴刚度相当。但是液体润滑膜滑动轴承存在一些固有的局限。

（1）液体润滑膜不适用于高速轴承。液体润滑剂的黏度很大，虽然这点给液体轴承带来了高承载能力和刚度，但是在高速下所消耗的摩擦功率和伴随而来的摩擦热量是难以接受的。

（2）液体润滑膜不能适应超精密的要求。例如，精密的实验平台、高精度的测量装置、高精度高速度的陀螺仪等，由于液体膜摩擦过大以及难以完全杜绝污染而不能接受。

（3）液体润滑膜在轴承运转中不可避免地发生蒸发，气态的蒸发物造成空气和环境的污染。在轴承运转中由于不断地循环受到剪切和加热，液体润滑剂将因老化而失去所要求的润滑性能，所以需要定期更新。撤换下来的废油应当处理以避免污染环境。所有这些都提高了液体轴承的维护费用和使用成本。由于液体润滑剂大多数是具有可燃性的油类物质，它们的蒸气与空气形成混合物达到一定浓度时具有危险性。所以对一些安全要求很高的场合，液体轴承不能使用。

（4）液体润滑剂工作温度范围较窄。过高的温度导致黏度降低、蒸发迅速、劣化过快；过低的温度导致黏度过大，不仅功率消耗过度，而且给机器启动和运转造成困难。所以通常限定在润滑剂的凝点以上（大部分机械油的凝点是-15～-10℃），约为0～90℃，在更高或更低的温度下，除非采取特殊的措施，液体润滑是不可取的。

（5）由于液体润滑剂的循环使用，除了润滑剂品质的劣化以外，还有变脏的问题。润滑剂变脏的主要现象是金属粉末含量的增加。这些金属粉末来源于轴与轴表面的磨损，在动压轴承启动和停止过程中是不可避免的现象；而在静压轴承中，则主要来源于供应系统的部件和元件。此外，轴承表面的气蚀剥落也造成金属含量的增加。所以液体轴承的维修是不能省略的事情。在一些要求长期工作而且不能维修场合，不能选择液体润滑膜轴承。

1.2.1.2　气体润滑

由于液体膜润滑的上述局限性，在近代超高速、超精密的技术领域内，气体膜润滑便应运而生，在20世纪五六十年代得到迅速的发展。气体润滑和液体润滑相比，有一些非常显著的特点。

（1）气体黏度只有液体的1%～0.01%。所以气膜润滑的摩擦发热远远小于液体膜润滑。对于静止状态气膜浮起装置，几乎可以认为是没有摩擦而极度灵敏，所以气膜润滑特别适合于超高速和超精密的场合。

（2）气膜润滑具有特别高的安全性。采用惰性气体作为润滑剂可以应用于易燃易爆的危险场合下机器支承。

（3）气膜润滑是一种清洁的润滑，对环境没有物质上的污染。虽然如同所有的启动元件那样，气膜润滑存在排气噪声。但是因为轴承内的压力水平比较低，排气噪声一般不是高分贝的，可使用消声器将其排气噪声降到可以接受的水平。

（4）气膜润滑的成本较低。它的润滑剂供应装置远比液体的简单，而且润滑剂不回收。尤其是采用空气润滑，润滑剂完全是现成的、处处都有的，而且取之不尽，用之不竭。现代工业的厂房都有集中供应的高压空气，使用空气轴承只需在管路上添加油水分离器、过滤器、调压阀等元件，所以极其方便。但是气浮轴承的结构应当使用非金属材料和不锈蚀的金属材料，尤其是在气候潮湿的地区。

尽管气浮轴承具有高速、精密、低摩擦、长寿命、耐高温和无污染等优点，但也存在以下缺点。

（1）承载小、刚度低。气浮轴承的承载力比液体膜轴承大约低1～2个数量级。以比承载（单位面积的承载力）计算，液体膜轴承一般为（0.5～2）×106N/m2，而气浮膜轴承只有（0.02～0.04）×106N/m2。所以气浮轴承适用于轻载精密支承。

（2）稳定性差。由于气浮的可压缩性，导致气浮轴承的稳定性较差。一方面是容易失稳，出现气锤振动或涡动现象；另一方面是轴承易发生卡滞，乃至发生咬合或抱死现象。

（3）制造精度高、造价昂贵。由于气膜很薄，一般在几微米到几十微米之间，所以对部件加工要求较高。对螺旋槽、多孔介质等特殊轴承，需专用加工设备，所以造价比较高。

（4）工作条件苛刻。主要是由于清洁条件及严格的操作规程。气浮轴承从部件加工到总体装配，都要求严格的清洗和全面净化，对轴承工作环境也要求净化和干燥；轴承工作必须严格遵守规定的程序。这些苛刻条件，能保证轴承正常工作，不出现意外损坏，但却在一定程度上限制了它的推广应用。

由于气浮轴承有上述缺点，限制了气浮轴承的应用范围，为此，大量的研究从提高气浮轴承承载力、轴承的刚度以及轴承动态稳定性方面展开。近年来，以光刻机为代表的超精密气浮系统对气浮轴承的精度及稳定性提出了更高的要求，气浮轴承的动态性能成为了国内外的研究重点和热点。