Konstrukce vzduchového ložiska:
Vzduchové ložisko se skládá z vnitřního kroužku a vnějšího kroužku. Na vnějším kroužku jsou otvory pro vstup a výstup vzduchu a na vnitřním kroužku trysky. Jak je znázorněno na obrázku:
Vlastnosti a výhody vzduchového ložiska:
Vzduchová ložiska jsou kapalinová ložiska, která využívají tenký film stlačeného plynu k zajištění nosného rozhraní mezi povrchy s nízkým třením. Ve srovnání s tradičními průmyslovými ložisky má vlastnosti nízkého tření, nízké ztráty a nulové mazání. Má jasné výhody v přesném polohování (jako je bez vůle a tření) a ve vysokorychlostních aplikacích.
- Vyšší přesnost:
Díky existenci tlaku vzduchu jsou oba povrchy téměř bezdotykové, takže stupeň opotřebení je minimalizován; vzduchové ložisko zároveň poskytuje extrémně vysokou radiální a axiální přesnost otáčení, což zajišťuje, že přesnost je vždy stabilní.
- Vysoká rychlost:
Na základě malého odporu vzduchu umožňuje vyšší otáčky při zachování nízké úrovně vibrací během provozu; prostor uvnitř ložiska je malý a tření méně brání otáčení vzduchového ložiska, takže ztráta výkonu a tvorba tepla jsou také velmi malé. Na druhou stranu nízké smykové síly uvnitř vzduchových ložisek umožňují extrémně vysoké otáčky s minimální ztrátou výkonu a velmi malým vývinem tepla. Rychlost otáčení může překročit 300,000 ot./min.
- Nižší vibrace:
Menší odpor vzduchu a tření zajišťují plynulejší chod vzduchového hřídele, takže vznikající vibrace jsou téměř zanedbatelné.
-
Teplota stoupá pomalu:
Různé faktory (jako je nízké tření, stabilní proudění vzduchu a účinný přenos výkonu) způsobují, že tepelný účinek vřetenového rotoru je velmi malý. Kromě toho výběr speciálních materiálů a konstrukčních metod, stejně jako vnitřní chladicí kanály kapaliny, téměř eliminují nárůst teploty, čímž eliminuje potřebu fáze zahřívání.
-
Delší životnost:
Vzduchová ložiska jsou vnitřně navržena tak, aby nedocházelo ke kontaktu kov na kov, a pokud je přiváděný vzduch čistý a bez oleje a vody, zajistí to ložisku nekonečnou životnost. Vzduchová ložiska navíc vzhledem k povaze své činnosti neustále odvádějí vzduch z konce ložiska, který tvoří přirozenou bariéru bránící vstupu škodlivých vnějších znečišťujících látek (jako jsou úlomky surovin nebo řezná kapalina). To zvyšuje využití stroje a snižuje prostoje, čímž zlepšuje celkovou efektivitu.
-
Jasněji:
Vzhledem k tomu, že hlavním zdrojem energie uvnitř ložiska je plyn, není zde žádný fyzikální mazací materiál jako je mazivo a vzduchové vřeteno má čistší provozní prostředí, vzduchové ložisko zároveň nebude mít nepříznivé účinky na vnější pracovní prostředí. Na druhou stranu, protože se plyn v ložisku používá jako jediné mazivo, jsou požadavky na jeho čistotu poměrně vysoké.
- Nižší údržba:
Výše uvedené nízké vibrace, stabilní udržování teploty, nulové mazání a další vlastnosti nevyžadují velkou údržbu samotného ložiska. Obecně je nutné pouze zajistit čistotu přívodu vzduchu a vody.
Klasifikace:
Vzduchová ložiska (aerostatická ložiska) spadají do kategorie kluzných ložisek. Mazacím médiem je stlačený vzduch vtlačený do ložiskové mezery, tj. mezi kluzné plochy. Slouží k vytvoření tlakového polštáře, který bezdotykově nese zátěž. Stlačený vzduch je obvykle dodáván kompresorem, ačkoli vlastnosti ložiska závisí na dodávané úrovni tlaku. Tlak je zaměřen na dodání co nejvyššího stupně tuhosti a tlumení vzduchového polštáře. Zásadní roli hraje spotřeba vzduchu a rovnoměrné rozložení vzduchu po celé dosedací ploše.
U konvenčních vzduchových ložisek proudí stlačený vzduch do ložiskové mezery pomocí několika, ale relativně velkých trysek (průměr 0.1 - 0,5 mm). V důsledku toho je jejich spotřeba vzduchu málo flexibilní a charakteristiky ložiska nelze dostatečně přizpůsobit okolním parametrům (síly, momenty, plocha uložení, výška ložiskové mezery, tlumení). Pro dosažení co nejrovnoměrnější distribuce vzduchu v mezeře i přes malý počet trysek je třeba provést různá konstrukční opatření. Ty však vytvářejí mrtvé objemy, tedy nestlačitelné a tedy měkké objemy vzduchu. Jsou extrémně škodlivé pro dynamiku vzduchových ložisek, podporují hluk a samobuzené vibrace.
Centrálně umístěnou komoru kolem vzduchové trysky najdeme u jednotryskových vzduchových ložisek s předkomůrkou. Jeho plocha obvykle zabírá 3 - 20 % nosné plochy. I při hloubce předkomory jen asi 1/100 mm je mrtvý objem těchto vzduchových ložisek extrémně velký. V nejhorším případě mají tato vzduchová ložiska s jednou tryskou místo předkomory pouze konkávní dosedací plochu. Kromě jiných nevýhod mají všechna tato vzduchová ložiska velmi špatnou tuhost náklonu.
Typická konvenční vzduchová ložiska jsou navržena s komorami a kanály. Vzhledem k omezenému počtu vzduchových trysek mají za cíl snížit mrtvý objem a zároveň dobře distribuovat vzduch v mezeře. Většina návrhových nápadů se týká speciálních kanálových struktur.
Porézní ložiskový materiál v tzv. slinutých vzduchových ložiskách má zajistit rovnoměrnou distribuci vzduchu. Mezi nevýhody však patří velký mrtvý objem (dutiny v materiálu) a nerovnoměrné rozložení vzduchu v důsledku jejich nepravidelné pórovitosti. To také vysvětluje velké kolísání vlastností ložisek u těchto vzduchových ložisek. Slinutá vzduchová ložiska lze kvůli omezením systému používat pouze při teplotách mezi 0 - 50 stupni.
Aplikace:
Výše uvedené vlastnosti vzduchového ložiska ukazují jeho jedinečné přednosti v oblasti vysoké rychlosti, nízkého tření, vysoké přesnosti a záření. Například simulátory kosmických lodí nyní nejčastěji používají vzduchová ložiska a 3D tiskárny se nyní používají k výrobě simulátorů polohy na bázi vzduchových ložisek pro satelity CubeSat; plynová ložiska se také používají při výrobě diskových jednotek a výrobě polovodičových křemíkových plátků.