劉江，杜發(fā)榮

(北京航空航天大學(xué) a.交通科學(xué)與工程學(xué)院；b.能源與動力工程學(xué)院 ，北京 100191)

波箔空氣軸承是一種新型彈性支承表面動壓空氣軸承，與傳統(tǒng)的剛性表面動壓空氣軸承相比有承載能力大、工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點。波箔徑向空氣軸承自20世紀60年代末出現(xiàn)以來[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，其承載能力和應(yīng)用范圍不斷擴大，近年來在燃氣輪發(fā)電機、微小型渦噴及空氣循環(huán)機中都得到了應(yīng)用[2-5]。

波箔徑向空氣軸承的氣膜厚度是軸承的一項重要性能參數(shù)，它直接影響著軸承的承載能力和工作穩(wěn)定性。由于軸承氣膜厚度的精確測量比較困難，故對軸承氣膜厚度的研究多集中在理論仿真領(lǐng)域[6]。

下文針對波箔徑向空氣軸承提出了一種氣膜厚度測量方法，給出了各工況軸承氣膜厚度的測試數(shù)據(jù)，并得出了轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、軸承載荷與氣膜厚度之間的關(guān)系。

1 波箔徑向空氣軸承

如圖1所示，波箔徑向空氣試驗軸承由軸承外殼、波形箔片、平箔片3部分組成。波形箔片和平箔片在同一端分別固定在軸承外殼上寬0.2 mm的槽內(nèi)，箔片的另一端處于自由狀態(tài)。

圖1 波箔徑向空氣軸承

軸承的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，關(guān)于波形箔片的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義如圖2所示。所有箔片均采用Inconel-X750制作，并通過熱處理使材料在高溫條件下仍具有較高的彈性模量。

表1 波箔徑向空氣軸承參數(shù) mm

圖2 波形箔片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2 氣膜厚度的測定

2.1 試驗裝置

試驗裝置[7]布置在800 mm×800 mm的鑄鐵平臺上，轉(zhuǎn)軸由電主軸驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速可達60 000 r/min。試驗臺基于軸承在固定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸上懸浮工作的原理，可以對軸承的阻力矩、2個方向的位移、轉(zhuǎn)速及溫度等參數(shù)進行測量。同時對軸承施加不同的載荷，在測量和施加載荷的過程中，軸承始終處于自由懸浮狀態(tài)，故軸承的工作特性不會受到影響。

波箔徑向空氣軸承氣膜厚度是基于軸承位置精確測量得到的。試驗臺采用2個相互垂直安裝的電渦流位移傳感器對軸承位置進行測量，如圖3所示。2個位移傳感器所構(gòu)成的直角坐標系與水平方向的夾角為45°，將位移傳感器所構(gòu)成的直角坐標系中的測量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)45°，即可得到直角坐標系中的軸承位置數(shù)據(jù)。

圖3 電渦流位移傳感器安裝示意圖

2.2 測量方法

對軸承氣膜厚度進行測量時，首先測量軸承靜止狀態(tài)不同載荷作用下垂直方向的初始位置。試驗軸承靜止狀態(tài)垂直方向初始位置與載荷的關(guān)系如圖4所示，圖中數(shù)據(jù)為3次測量結(jié)果的平均值。

圖4 垂直方向初始位置與載荷的關(guān)系

在得到軸承各載荷初始位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對不同載荷及不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作時的軸心軌跡進行測量。對軸承某一工況的軸心軌跡y軸數(shù)據(jù)取最小值，該最小值與對應(yīng)載荷軸承初始位置之間的差即為該工況軸承的氣膜厚度。轉(zhuǎn)速42 000 r/min，載荷72 N工況下軸承軸心軌跡、初始位置及氣膜厚度之間的關(guān)系如圖5所示。測得的氣膜厚度為軸承在該工況下的最小氣膜厚度，此方法可以判斷轉(zhuǎn)軸與箔片間是否存在摩擦，并可以在軸承承載能力測量過程中對軸承的工作狀態(tài)進行判斷。

圖5 最小氣膜厚度測量結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)速對氣膜厚度的影響

不同載荷下氣膜厚度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖6所示。在所測量的24000～54000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當載荷超過32 N時，氣膜厚度隨轉(zhuǎn)速升高而增大，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，氣膜厚度的增大幅度有逐漸增大的趨勢；當載荷不超過32 N時，轉(zhuǎn)速大于30 000 r/min時，軸承氣膜厚度非常不穩(wěn)定，出現(xiàn)了大幅下降。分析認為：軸承在低載荷高轉(zhuǎn)速工況下工作不穩(wěn)定，軸心軌跡波動較大，故軸承工作時氣膜厚度的最小值會大幅下降。

圖6 轉(zhuǎn)速對氣膜厚度的影響

3.2 載荷對氣膜厚度的影響

不同轉(zhuǎn)速下氣膜厚度隨載荷的變化曲線如圖7所示。在24 000 r/min和30 000 r/min工況下，軸承的氣膜厚度與載荷近似成線性關(guān)系，隨著載荷的增加，氣膜厚度逐漸減小。

圖7 軸承載荷對氣膜厚度的影響

在36 000～54 000 r/min工況下，當載荷超過42 N時，氣膜厚度與載荷近似成線性關(guān)系，當載荷小于42 N時，氣膜厚度快速下降，這同樣是由于軸承工作不穩(wěn)定引起的。因此，若排除軸承工作不穩(wěn)定的情況，可以認為波箔徑向空氣軸承氣膜厚度與軸承載荷間成線性關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)轉(zhuǎn)速升高，氣膜厚度隨之增大，且增長幅度有逐漸增大的趨勢。

(2)軸承氣膜厚度與載荷成線性關(guān)系，隨著載荷的增大，氣膜厚度逐漸減小。

(3)相對于載荷，轉(zhuǎn)速對軸承氣膜厚度的影響較大。

(4)在特定的小載荷高轉(zhuǎn)速工況下，軸承軸心軌跡波動較大，不能穩(wěn)定工作。