Porous aerostatic bearing manufacturing and static performance

Aerostaattiset laakerit ovat koneenosia, jotka mahdollistavat kitkattoman liikkeen ylläpitämällä ohutta paineistetun kaasun kerrosta laakerin ja vastinpinnan välillä. Erilaisia aerostaattisia laakereita on kehitetty vuosien varrella. Teollisissa sovelluksissa yleisimmin käytettyjä ovat suutintyyppiset aerostaattiset laakerit. Huokoiset aerostaattiset laakerit tarjoavat houkuttelevan vaihtoehdon perinteisille suuttimeen perustuville ratkaisuille erityisesti sovelluksissa, joissa tarvitaan kitkatonta, kontaminaatiovapaata toimintaa ja hyvää viansietokykyä. Niiden teollista käyttöönottoa on kuitenkin rajoittanut haasteet valmistuksen toistettavuudessa, suorituskyvyn vaihtelu sekä puutteellinen järjestelmätason validointi. Tämä väitöskirja käsittelee näitä haasteita kolmen vertaisarvioidun tieteellisen julkaisun muodostaman tutkimuksen kautta. Grafiittipohjaisille huokoisille aerostaattisille laakereille kehitettiin ja kokeellisesti validoitiin kokonainen valmistusprosessi. Eri grafiittilaatuja ja pinnan viimeistelymenetelmiä tutkittiin niiden vaikutusten selvittämiseksi laakerin suorituskykyyn. Toistettavuuden parantamiseksi kehitettiin automatisoitu liiman annostelujärjestelmä. Lisäksi suunniteltiin ja toteutettiin täysin automatisoitu tasolaakerien suorituskykymittalaitteisto, jonka avulla voitiin luotettavasti karakterisoida laakerin staattinen kuormankantokyky, ilmarako, ilmavirtaus sekä painejakauma ilmaraossa. Tutkimuksessa esiteltiin myös uusi tilastollinen parametri, Repeatability Performance Parameter (Rpp), jolla voidaan kvantitatiivisesti arvioida suorituskyvyn vaihtelua laakerinäytteiden välillä. Analyysin kohteena oli 66 laakerin näytejoukko, jonka avulla tunnistettiin keskeiset tekijät toistettavuuden kannalta ja saatiin syvempää ymmärrystä materiaalien ja valmistusprosessien vaikutuksesta. Näytejoukko sisälsi 12 itse valmistettua huokoisen materiaalin laakeria, yhteensä 36 kaupallista huokoisen materiaalin laakeria kahdelta valmistajalta sekä 18 kaupallista ura-suutinyhdistelmälaakeria. Tutkimuksessa kehitettiin myös suorituskyvyn arviointimenetelmät ja mittausinfrastruktuuri uudelle kartiopintaiselle aerostaattiselle valokuidun ohjainrullalle. Rullaan on integroitu huokoiset radiaali- ja aksiaalilaakerit, ja sitä testattiin jäykkyyden, kitkan ja dynaamisen vasteen arvioimiseksi. Vaikka suurilla pyörintänopeuksilla havaittiin dynaamista epävakautta, prototyyppi osoitti periaatteellisesti toimivan ja loi pohjan jatkokehitykselle. Tulokset osoittavat, että huokoisissa aerostaattisissa laakereissa pinnan tasomaisuudella on merkittävämpi vaikutus laakerin suorituskykyyn kuin pinnan karheudella. Huokoiset aerostaattiset laakerit osoittavat suurempaa suorituskyvyn vaihtelua yksittäisen valmistuserän sisällä, kun taas suutin–ura-laakereiden vaihtelu on vähäisempää. Tulokset viittaavat myös siihen, että aerostaattisen laakerin soveltaminen optisen kuidun ohjainrullaan on toteuttamiskelpoinen ratkaisu. Tutkimuksen aikana kehitettiin ja otettiin käyttöön täysin toimiva aerostaattisten laakereiden mittausinfrastruktuuri tasolaakereille ja optisen kuidun aerostaattisille ohjainrullille, ja niiden toiminta todettiin käytännön mittauksissa.