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)

小型化、高速化是近年旋轉(zhuǎn)機械的發(fā)展趨勢之一[1]，隨著轉(zhuǎn)速不斷提高，對支承轉(zhuǎn)子的軸承提出了越來越高的要求。波箔空氣軸承是一種新型彈性支承動壓氣體軸承，可很好地滿足超高速旋轉(zhuǎn)機械的要求。波箔空氣軸承出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末[2-3]，隨著研究工作的深入，波箔徑向空氣軸承的性能不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，在小型渦噴發(fā)動機、電腦硬盤、燃?xì)廨啺l(fā)電機和飛機空氣循環(huán)機中都能發(fā)現(xiàn)其身影[4-6]。

波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速是一項重要性能參數(shù)。文獻[7]對多片式波箔徑向空氣軸承進行試驗研究，提出了起飛轉(zhuǎn)速的測定方法，但是試驗臺轉(zhuǎn)速較低，不能精確測量起飛轉(zhuǎn)速。文獻[8]對單片式波箔徑向空氣軸承阻力矩及起飛轉(zhuǎn)速進行試驗研究，給出了起飛轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，但是測量范圍較窄，不能全面反映起飛轉(zhuǎn)速特性。并且上述研究都沒有給出軸承各參數(shù)與起飛轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

下文在前人研究的基礎(chǔ)上，對一系列單片式波箔徑向空氣軸承進行試驗研究，提出了軸承進入完全懸浮狀態(tài)時起飛轉(zhuǎn)速的測定方法，并且明確了軸承各參數(shù)對起飛轉(zhuǎn)速的影響。

1 波箔徑向空氣軸承

波箔徑向空氣軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由軸承外殼、波箔和平箔組成。波箔和平箔組成軸承的彈性支承結(jié)構(gòu)，波箔與平箔在同一端固定在軸承外殼上，另一端處于自由狀態(tài)。

圖1 波箔徑向空氣軸承結(jié)構(gòu)

為了試驗分析波箔徑向空氣軸承各結(jié)構(gòu)參數(shù)對起飛轉(zhuǎn)速的影響，設(shè)計并制造了6套外形尺寸完全相同(直徑32 mm，寬度48 mm)，配置不同彈性支承結(jié)構(gòu)的試驗軸承。所有試驗軸承的彈性支承結(jié)構(gòu)由3種不同參數(shù)的波箔和2種厚度分別為0.1和0.12 mm的平箔組合而成。所有箔片均使用Inconel X750高溫合金鋼制作而成。為了使波箔和平箔在高溫下也能具有足夠的彈性，必須對箔片進行熱處理。采用的方法是將箔片在650 ℃恒溫爐中加熱4 h后在空氣中冷卻至室溫，此方法處理的箔片可在370 ℃內(nèi)保持彈性。為了準(zhǔn)確測量波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速，所有試驗軸承與轉(zhuǎn)軸之間的名義半徑間隙控制在45 μm以內(nèi)。

波箔結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義如圖2所示。3種波箔的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。最終制作完成的6套試驗軸承的箔片配置情況見表2。

圖2 波箔結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表1 波箔參數(shù)

表2 試驗軸承箔片配置

2 波箔徑向空氣軸承試驗臺

2.1 試驗臺總體設(shè)計

波箔徑向空氣軸承試驗臺轉(zhuǎn)軸固定，軸承在轉(zhuǎn)軸上懸浮工作，如圖3所示。整個試驗裝置布置在一個800 mm×800 mm的鑄鐵平臺上，如圖4所示。試驗臺可在不影響軸承正常工作的情況下對軸承施加載荷并測量軸承阻力矩及位移。試驗臺由一臺120MD60Y6電主軸驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min。試驗臺的轉(zhuǎn)軸使用螺紋固定在電主軸的連接端。

圖3 波箔徑向空氣軸承試驗臺原理圖

圖4 波箔徑向空氣軸承試驗臺

關(guān)于波箔徑向空氣軸承試驗臺的詳細(xì)內(nèi)容見文獻[9]。

2.2 試驗臺測量系統(tǒng)

波箔徑向空氣軸承試驗臺測量的與本研究相關(guān)的物理量包括轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速及軸承阻力矩。

試驗臺采用量程為0.5 mm的電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。傳感器安裝在電主軸的輸出軸處，如圖5所示，由于輸出軸上有2個用于扳手?jǐn)Q緊的平臺，隨著轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的距離發(fā)生周期性變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得周期信號的頻率后便可精確測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。

圖5 轉(zhuǎn)速傳感器的安裝及轉(zhuǎn)速信號

試驗臺對軸承阻力矩的測量是通過一個固定在軸承座上的測量桿，將軸承阻力矩的測量轉(zhuǎn)化成拉力的測量得以實現(xiàn)的，如圖6所示。通過BK-2測力傳感器對測量鋼索中拉力的變化進行測量。將拉力數(shù)據(jù)與測量力臂長度相乘便可得到軸承阻力矩。

圖6 阻力矩測量機構(gòu)

3 起飛轉(zhuǎn)速的測定方法

通過分析波箔徑向空氣軸承在啟動過程中的阻力矩確定其起飛轉(zhuǎn)速。為了準(zhǔn)確測定起飛轉(zhuǎn)速，特在試驗過程中延長了加速時間。1#軸承啟動及停車過程轉(zhuǎn)速與阻力曲線如圖7所示。轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)的瞬間阻力達(dá)到最大值，隨著轉(zhuǎn)速的上升，軸承阻力逐漸下降。當(dāng)轉(zhuǎn)軸達(dá)到某一轉(zhuǎn)速后，軸承阻力達(dá)到穩(wěn)定值，不隨轉(zhuǎn)速而變化。文中定義軸承阻力達(dá)到穩(wěn)定值那一時刻的轉(zhuǎn)速為起飛轉(zhuǎn)速(使用同樣方法可同時測定停車接觸轉(zhuǎn)速)。此方法測定的起飛轉(zhuǎn)速為軸承形成穩(wěn)定氣膜，完全進入穩(wěn)定工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速，對波箔徑向空氣軸承的實際應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。

圖7 1#軸承啟動及停車過程轉(zhuǎn)速與阻力

4 試驗結(jié)果分析

4.1 軸承載荷對起飛轉(zhuǎn)速的影響

以5#軸承為例，軸承載荷與起飛轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，如圖8所示。軸承載荷每增加10 N，起飛轉(zhuǎn)速相應(yīng)上升10%左右。軸承載荷與停車接觸轉(zhuǎn)速之間同樣符合線性規(guī)律，并且由于軸承停車時的溫度高于啟動時的溫度，軸承內(nèi)的間隙由于轉(zhuǎn)軸的熱膨脹而減小，所以停車接觸轉(zhuǎn)速比同載荷的起飛轉(zhuǎn)速平均高出2 000 r/min左右。

圖8 5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速及停車接觸轉(zhuǎn)速

4.2 波箔凸起寬度對起飛轉(zhuǎn)速的影響

分別配置1#～3#波箔的1#～6#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速如圖9所示。隨著波箔凸起寬度的增大，軸承彈性支承結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，造成起飛轉(zhuǎn)速逐漸升高。并且起飛轉(zhuǎn)速的增幅隨波箔凸起寬度的增大而增大，配置1#波箔的1#和4#軸承比配置2#波箔的2#和5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速提高了5 000 r/min左右，而配置3#波箔的3#和6#軸承比2#和5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速提高了10 000 r/min左右。

圖9 1#～6#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速

4.3 平箔厚度對起飛轉(zhuǎn)速的影響

采用厚度為0.1 mm平箔的1#～3#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速高于采用厚度為0.12 mm平箔的4#～6#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速，如圖9所示。此結(jié)果與波箔凸起寬度對起飛轉(zhuǎn)速的影響分析相符合，即具有更高支承剛度的軸承在相同載荷條件下具有更低的起飛轉(zhuǎn)速。由圖9還可知，1#和4#軸承的起飛轉(zhuǎn)速比較接近，因此對于波箔凸起寬度較大的軸承，平箔厚度對起飛轉(zhuǎn)速的影響更大。

4.4 試驗誤差分析

由1#～6#軸承的試驗數(shù)據(jù)可知，1#，2#，4#和5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速呈較好的線性規(guī)律，而3#和6#軸承試驗數(shù)據(jù)波動較大。這是由于6套軸承采用單件試制造的方法制作，受制作條件所限且工藝經(jīng)驗不足，從波箔的成形到軸承的組裝過程中的誤差控制有所欠缺，所以造成軸承試驗數(shù)據(jù)失真。然而試驗數(shù)據(jù)趨勢正確，仍可反映波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速特性。

5 結(jié)論

(1)波箔徑向空氣軸承載荷與起飛轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，起飛轉(zhuǎn)速隨載荷的增大而升高。

(2)波箔徑向空氣軸承停車接觸轉(zhuǎn)速比同載荷的起飛轉(zhuǎn)速平均高出2 000 r/min左右。

(3)波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速隨波箔凸起寬度的增大而升高，并且增幅逐漸變大。

(4)波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速隨平箔厚度的增大而降低，并且波箔凸起寬度較大則起飛轉(zhuǎn)速降幅較大。