แบริ่งอากาศคืออะไร?

โครงสร้างลูกปืนลม:

แบริ่งอากาศประกอบด้วยวงแหวนด้านในและวงแหวนรอบนอก มีช่องอากาศเข้าและทางออกที่วงแหวนด้านนอกและหัวฉีดที่วงแหวนด้านใน ดังแสดงในภาพ:

คุณสมบัติและประโยชน์ของตลับลูกปืนลม:

ตลับลูกปืนลมเป็นตลับลูกปืนของเหลวที่ใช้ฟิล์มบางของก๊าซแรงดันเพื่อสร้างส่วนต่อประสานรับน้ำหนักที่มีแรงเสียดทานต่ำระหว่างพื้นผิว เมื่อเปรียบเทียบกับตลับลูกปืนอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม มีลักษณะของการเสียดสีต่ำ การสูญเสียต่ำ และไม่มีการหล่อลื่น มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการวางตำแหน่งที่แม่นยำ (เช่น ไม่มีฟันเฟืองและติดขัด) และการใช้งานที่มีความเร็วสูง

• ความแม่นยำสูงกว่า:

เนื่องจากมีแรงดันอากาศ พื้นผิวทั้งสองจึงแทบไม่สัมผัสกัน เพื่อลดระดับการสึกหรอ ในเวลาเดียวกัน ตลับลูกปืนลมยังให้ความแม่นยำในการหมุนในแนวรัศมีและแนวแกนที่สูงมาก ทำให้มั่นใจได้ว่าความแม่นยำจะคงที่อยู่เสมอ

• ความเร็วสูง:

ขึ้นอยู่กับแรงต้านของอากาศเล็กน้อย ช่วยให้มีความเร็วสูงขึ้นในขณะที่รักษาระดับการสั่นสะเทือนต่ำระหว่างการทำงาน พื้นที่ภายในตลับลูกปืนมีขนาดเล็ก และแรงเสียดทานขัดขวางการหมุนของตลับลูกปืนอากาศน้อยลง ดังนั้นการสูญเสียพลังงานและการสร้างความร้อนจึงมีน้อยมากเช่นกัน ในทางกลับกัน แรงเฉือนต่ำภายในตลับลูกปืนอากาศช่วยให้หมุนด้วยความเร็วได้สูงมาก โดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุดและเกิดความร้อนน้อยมาก ความเร็วในการหมุนสามารถเกิน 300,000 รอบต่อนาที

• การสั่นสะเทือนที่ต่ำกว่า:

ความต้านทานและแรงเสียดทานของอากาศที่น้อยลงทำให้เพลาอากาศทำงานได้อย่างราบรื่นยิ่งขึ้น ดังนั้นการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจึงแทบไม่มีความสำคัญเลย

• อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างช้าๆ:

ปัจจัยต่างๆ (เช่น แรงเสียดทานต่ำ การไหลของอากาศที่เสถียร และการส่งกำลังอย่างมีประสิทธิภาพ) ทำให้ผลกระทบด้านความร้อนของสปินเดิลโรเตอร์มีน้อยมาก นอกจากนี้ การเลือกใช้วัสดุพิเศษและวิธีการก่อสร้าง รวมถึงท่อระบายความร้อนด้วยของเหลวภายใน แทบจะช่วยลดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นได้ จึงขจัดความจำเป็นในการอุ่นเครื่อง

• ชีวิตอีกต่อไป:

ตลับลูกปืนลมได้รับการออกแบบภายในเพื่อไม่ให้มีการสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะ และหากอากาศที่จ่ายไปสะอาดและปราศจากน้ำมันและน้ำ จะทำให้ตลับลูกปืนมีอายุการใช้งานที่ไม่มีที่สิ้นสุด นอกจากนี้ เนื่องจากลักษณะของการทำงาน ตลับลูกปืนลมจึงไล่อากาศออกจากปลายตลับลูกปืนอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นอุปสรรคตามธรรมชาติเพื่อป้องกันมลพิษภายนอกที่เป็นอันตรายเข้ามา (เช่น เศษวัตถุดิบ หรือของเหลวในการตัด) สิ่งนี้จะเพิ่มการใช้เครื่องจักรและลดเวลาหยุดทำงาน จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม

• ชัดเจนยิ่งขึ้น:

จากข้อเท็จจริงที่ว่าแหล่งพลังงานหลักภายในตลับลูกปืนคือแก๊ส ไม่มีวัสดุหล่อลื่นทางกายภาพ เช่น จาระบี และแกนหมุนของอากาศมีสภาพแวดล้อมการทำงานที่สะอาดกว่า ในเวลาเดียวกัน ตลับลูกปืนอากาศจะไม่ส่งผลเสียต่อ สภาพแวดล้อมการทำงานภายนอก ในทางกลับกัน เนื่องจากก๊าซในตลับลูกปืนถูกใช้เป็นสารหล่อลื่นเพียงอย่างเดียว ความต้องการความบริสุทธิ์จึงค่อนข้างสูง

• การบำรุงรักษาต่ำ:

การสั่นสะเทือนต่ำที่กล่าวมาข้างต้น การรักษาอุณหภูมิให้คงที่ การหล่อลื่นเป็นศูนย์ และคุณลักษณะอื่นๆ ไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาตลับลูกปืนมากนัก โดยทั่วไปมีความจำเป็นเท่านั้นเพื่อให้แน่ใจว่าอากาศและน้ำประปาสะอาดอยู่เสมอ

การจัดหมวดหมู่:

ตลับลูกปืนลม (aerostatic Bearings) จัดอยู่ในประเภทของตลับลูกปืนสไลด์ อากาศอัดที่ถูกดันเข้าไปในช่องว่างของแบริ่ง เช่น ระหว่างพื้นผิวที่เลื่อนผ่านกันและกัน ก่อให้เกิดตัวกลางในการหล่อลื่น ใช้เพื่อสร้างเบาะรองนั่งรับน้ำหนักโดยไม่ต้องสัมผัส โดยทั่วไปแล้วอากาศอัดจะถูกจ่ายโดยคอมเพรสเซอร์ แม้ว่าลักษณะของตลับลูกปืนจะขึ้นอยู่กับระดับแรงดันที่ให้มา แรงกดนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างความแข็งและการหน่วงของเบาะลมในระดับสูงสุดที่เป็นไปได้ ปริมาณการใช้อากาศและการกระจายอากาศที่เท่ากันทั่วทั้งพื้นผิวแบริ่งมีบทบาทสำคัญ

ตลับลูกปืนอากาศแบบธรรมดา

ในตลับลูกปืนลมแบบทั่วไป อากาศอัดมักจะไหลเข้าสู่ช่องว่างของตลับลูกปืนผ่านหัวฉีดจำนวนหนึ่งแต่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1 - 0.5 มม.) เป็นผลให้การใช้อากาศไม่ยืดหยุ่นมากนัก และไม่สามารถปรับคุณลักษณะของตลับลูกปืนให้เหมาะสมกับพารามิเตอร์โดยรอบได้เพียงพอ (แรง โมเมนต์ พื้นที่ตลับลูกปืน ความสูงของช่องว่างตลับลูกปืน การหน่วง) เพื่อให้เกิดการกระจายอากาศที่สม่ำเสมอที่สุดในช่องว่างแม้จะมีหัวฉีดจำนวนน้อย จึงต้องดำเนินมาตรการการออกแบบต่างๆ อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดปริมาตรอากาศตาย เช่น ไม่สามารถบีบอัดได้ ดังนั้นจึงเป็นปริมาตรลมอ่อน สิ่งเหล่านี้ส่งผลเสียอย่างยิ่งต่อไดนามิกของลูกปืนอากาศ ทำให้เกิดเสียงดังและการสั่นสะเทือนที่กระตุ้นตัวเอง

ตลับลูกปืนอากาศแบบหัวฉีดเดี่ยว

ห้องที่อยู่ตรงกลางรอบๆ ท่อลมสามารถพบได้ในแบริ่งลมแบบหัวฉีดเดี่ยวพร้อมห้องปรี โดยทั่วไปพื้นที่จะกินพื้นที่ 3 - 20% ของพื้นที่แบริ่ง แม้ว่าจะมีความลึกก่อนห้องเพาะเลี้ยงเพียง 1/100 มม. แต่ปริมาตรเสียของตลับลูกปืนลมเหล่านี้ก็มีขนาดใหญ่มาก ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ตลับลูกปืนลมแบบหัวฉีดเดี่ยวเหล่านี้มีเพียงพื้นผิวลูกปืนแบบเว้าแทนที่จะเป็นแบบพรีแชมเบอร์ ท่ามกลางข้อเสียอื่นๆ แบริ่งลมทั้งหมดนี้มีความแข็งในการเอียงต่ำมาก

แบริ่งอากาศพร้อมห้องและช่อง

ตลับลูกปืนลมแบบธรรมดาทั่วไปได้รับการออกแบบให้มีช่องและช่องต่างๆ เนื่องจากหัวฉีดอากาศมีจำนวนจำกัด จึงมีเป้าหมายที่จะลดปริมาตรอากาศเสียในขณะที่กระจายอากาศในช่องว่างได้ดี แนวคิดการออกแบบส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างช่องพิเศษ

แบริ่งอากาศเผาผนึก

วัสดุแบริ่งที่มีรูพรุนในสิ่งที่เรียกว่าแบริ่งอากาศเผาผนึกมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้แน่ใจว่ามีการกระจายอากาศที่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียได้แก่ ปริมาณการตายจำนวนมาก (โพรงในวัสดุ) และการกระจายตัวของอากาศที่ไม่สม่ำเสมอเนื่องจากมีรูพรุนไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ยังอธิบายถึงความผันผวนสูงในคุณสมบัติของตลับลูกปืนสำหรับตลับลูกปืนอากาศเหล่านี้ แบริ่งอากาศเผาผนึกสามารถใช้ได้ในอุณหภูมิระหว่าง 0 - 50 องศาเท่านั้น เนื่องจากข้อจำกัดของระบบ

การใช้งาน:

ลักษณะของตลับลูกปืนลมที่กล่าวมาข้างต้นทำให้แสดงให้เห็นข้อดีเฉพาะตัวในด้านความเร็วสูง แรงเสียดทานต่ำ ความแม่นยำสูง และการแผ่รังสี ตัวอย่างเช่น ปัจจุบันเครื่องจำลองยานอวกาศใช้แบริ่งอากาศมากที่สุด และตอนนี้เครื่องพิมพ์ 3 มิติถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเครื่องจำลองทัศนคติที่ใช้แบริ่งอากาศสำหรับดาวเทียม CubeSat แบริ่งก๊าซยังใช้ในการผลิตดิสก์ไดรฟ์และการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์