盧錦明 張 彤

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

近年來(lái)，微型飛行器、自動(dòng)機(jī)器人以及便攜式電腦等產(chǎn)品對(duì)能源系統(tǒng)提出了微型化、高能量密度和環(huán)境友好等新要求，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展基礎(chǔ)上，微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)（Power MEMS）應(yīng)運(yùn)而生［1］。以微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的微型動(dòng)力源是能把高能量密度的液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，在可攜帶能源方面具有巨大潛力，這種只有紐扣大小的發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能提供高于鋰電池系統(tǒng)10～50倍的能量密度，成為Power MEMS研究中的熱點(diǎn)［2］。

氣體軸承是氣體在軸和軸套之間構(gòu)成擠壓氣膜，將活動(dòng)面和靜止面隔離開來(lái)，它具有極低摩擦、無(wú)污染、精度高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為支撐微轉(zhuǎn)子的最佳選擇［3］。從1997年開始，諸多學(xué)者開展了對(duì)微渦輪機(jī)軸承系統(tǒng)的研究，2004年Epstein［4］報(bào)道了一個(gè)六層硅片結(jié)構(gòu)的微渦輪機(jī)軸承系統(tǒng)，Teo［5］和Liu［6］等相繼展開了對(duì)其靜壓推力軸承和靜壓徑向軸承的研究。Shan和Zhang［7］介紹了一個(gè)三層硅片結(jié)構(gòu)的渦輪器件，其中包括氣體動(dòng)壓徑向軸承和螺旋槽動(dòng)壓推力軸承。動(dòng)壓軸承能充分利用轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)提供承載力，但在低速和起動(dòng)時(shí)承載力很低，容易發(fā)生碰磨。Piljoong kang等［8］研制了一種由四層硅晶片結(jié)構(gòu)組成的微渦輪增壓器，包括靜壓推力軸承和動(dòng)壓徑向軸承，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)1×106r/min，但實(shí)際為0.5×106r/min，這主要是由于加工誤差導(dǎo)致徑向軸承不能提供足夠的承載力來(lái)支撐轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。最佳方案是采用動(dòng)靜壓混合軸承，可兼具動(dòng)壓和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，但目前關(guān)于微動(dòng)靜壓混合軸承的理論報(bào)道［9］很少，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試更少。

圖1是本文研究的厘米量級(jí)的三層結(jié)構(gòu)微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇螺旋槽氣體動(dòng)靜壓混合推力軸承作為支撐，使其既能充分發(fā)揮動(dòng)壓軸承所具有的良好的穩(wěn)態(tài)承載力和動(dòng)力學(xué)性能，又能避免高速時(shí)的渦動(dòng)和低速時(shí)的碰磨問(wèn)題。本文主要分析軸承的潤(rùn)滑性能，檢測(cè)加工樣機(jī)的尺寸和缺陷，搭建氣體軸承測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析。

1 軸承系統(tǒng)的潤(rùn)滑性能分析及樣機(jī)加工

1.1 螺旋槽氣體動(dòng)靜壓混合推力潤(rùn)滑性能分析

圖2為螺旋槽動(dòng)靜壓混合推力軸承的結(jié)構(gòu)示意圖，具體的潤(rùn)滑模型和相關(guān)的計(jì)算流程可參見文獻(xiàn)［9］，應(yīng)用于微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)的推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)為:內(nèi)、外供氣孔個(gè)數(shù)分別為12個(gè)，內(nèi)孔直徑0.3 mm，外孔直徑0.2 mm，螺旋槽槽臺(tái)數(shù)為10對(duì)，螺旋角為26.5°，內(nèi)半徑3 mm，外半徑5.31 mm，螺旋槽深度0.2 mm，軸承間隙為0.1 mm。

在本文中重點(diǎn)分析推力軸承的潤(rùn)滑性能，圖3給出了靜壓節(jié)流孔直徑Dori和軸承間隙hL對(duì)供氣流量Q的影響。從曲線可以看出:節(jié)流孔直徑越大，軸承間隙越大，供氣流量越大;軸承間隙較小時(shí)，節(jié)流孔直徑對(duì)供氣流量的影響不大;間隙較大時(shí)，節(jié)流孔越大，供氣流量變化明顯。

圖4給出了靜壓節(jié)流孔直徑Dori和軸承間隙hL對(duì)承載力WD的影響。從曲線可以看出:節(jié)流孔直徑一定時(shí)，軸承間隙越大，承載力越小;直徑小的，承載力減小的快;軸承間隙一定時(shí)，節(jié)流孔直徑大的，承載力大，這是因?yàn)楣?jié)流孔直徑大，供氣流量越大。

1.2 軸承系統(tǒng)的加工

根據(jù)微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用數(shù)控機(jī)床來(lái)加工測(cè)試樣機(jī)，加工時(shí)所選用的銑刀直徑為0.2 mm，機(jī)床最小進(jìn)給量為0.1 mm，加工精度為0.1 mm。圖5所示是兩樣機(jī)推力軸承部位的靜壓節(jié)流孔和螺旋槽的實(shí)際情況。其中圖5a樣機(jī)的節(jié)流孔直徑不均勻，測(cè)得的孔徑Dori分布在0.35～0.41 mm之間，且超過(guò)半數(shù)孔內(nèi)殘留較多的碎屑，影響供氣的通暢性;圖5b樣機(jī)的節(jié)流孔直徑均勻，測(cè)得的孔徑Dori分布在0.32～0.35 mm，孔內(nèi)幾乎沒(méi)有碎屑;圖5c和d是螺旋槽，螺旋槽的深度為0.25～0.35 mm，基本符合加工要求，兩個(gè)樣機(jī)加工的形狀幾乎相同，不存在較大的缺陷。經(jīng)過(guò)對(duì)比兩樣機(jī)的加工參數(shù)，選擇圖5b樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

2 氣體軸承測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)的工作要求，搭建了一套氣體軸承測(cè)試系統(tǒng)，包括3個(gè)部分:氣體控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 氣體控制系統(tǒng)

氣體控制系統(tǒng)主要是為微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)中的推力軸承、徑向軸承、主渦輪以及平衡室提供具有一定壓力和流量的氣體來(lái)驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，主路上由高壓氣源、過(guò)濾器、壓力表和截止閥組成，各支路上由調(diào)壓閥、壓力表、計(jì)量閥、流量計(jì)以及壓力傳感器等組成，各個(gè)支路連接到對(duì)應(yīng)樣機(jī)封裝的供氣通道上。

2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)是采用光纖位移傳感器來(lái)檢測(cè)微轉(zhuǎn)子上設(shè)置的標(biāo)記位移變化來(lái)記錄轉(zhuǎn)速的。如圖7所示，在微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子上設(shè)置有4個(gè)標(biāo)記，將光纖探針對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，檢測(cè)探針尖端到標(biāo)記的距離，在微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，探針檢測(cè)到的位移信號(hào)呈方波，每4個(gè)波峰表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。本文所選用的Philtec D100型非接觸式光纖位移傳感器，可用于測(cè)量位移和振動(dòng)，其輸出信號(hào)與反射率有關(guān)，并具有遠(yuǎn)端和近端雙向功能，輸出信號(hào)正比于傳感器探針至目標(biāo)表面的距離和目標(biāo)表面的反射率。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是用來(lái)采集和處理氣體控制系統(tǒng)中的壓力傳感器和流量計(jì)的壓力、流量信號(hào)以及光纖位移傳感器的位移信號(hào)。其主要流程是:通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、隔離、濾波、放大等處理，進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行顯示、處理及存儲(chǔ)等處理，指導(dǎo)操作者控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作為后續(xù)分析用。本文選用的數(shù)據(jù)采集卡是NI PCI－6259型數(shù)據(jù)采集卡，具有16位精度，32位單端輸入或16路差分模擬輸入，4路模擬輸出通道，48路數(shù)字I/O通道，具有從2～10×106Hz范圍的數(shù)字I/O功能，單通道模擬輸入速度達(dá)到1.25×106數(shù)據(jù)/s，32位計(jì)數(shù)器，具備模擬和數(shù)字觸發(fā)，輸入輸出電壓范圍－10～+10 V。數(shù)據(jù)采集程序是由LabVIEW編制的，其功能主要包括:采集參數(shù)設(shè)置與控制、零點(diǎn)設(shè)置、壓力信號(hào)與位移信號(hào)顯示以及壓力與轉(zhuǎn)速瞬時(shí)值。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

圖8是主渦輪供氣從0～10 kPa過(guò)程中轉(zhuǎn)子的加速情況。在給主渦輪供氣之前，首先給下推力軸承供氣使轉(zhuǎn)子懸浮，再給上推力軸承供氣保證轉(zhuǎn)子軸向穩(wěn)定，壓力分別為45 kPa和7.4 kPa。然后開始給主渦輪供氣，轉(zhuǎn)子的狀態(tài)就是位移信號(hào)前半段所示，轉(zhuǎn)速不高，但軸向穩(wěn)定。當(dāng)主渦輪供氣壓力增大到一定值，轉(zhuǎn)子就失穩(wěn)，位移信號(hào)變成一條直線，可能是轉(zhuǎn)子徑向承載力不夠。此時(shí)給徑向軸承和平衡室供氣，轉(zhuǎn)子逐漸恢復(fù)旋轉(zhuǎn)，伴隨著徑向軸承和主渦輪供氣的不斷增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷增加，最后顯示最大轉(zhuǎn)速為486 r/min，主渦輪供氣壓力為10 kPa，平衡室供氣壓力為3.1 kPa，徑向軸承供氣為5.1 kPa。

圖9是主渦輪供氣為15 kPa時(shí)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的位移信號(hào)，轉(zhuǎn)速為653 r/min。在調(diào)整主渦輪供氣壓力過(guò)程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)位移信號(hào)幅值基本保持不變，這表明微轉(zhuǎn)子的軸向位置總是穩(wěn)定的，推力軸承供氣能很好地為旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子提供足夠的承載力。一般出現(xiàn)失穩(wěn)的情形，可能是由于徑向軸承的承載力不夠或轉(zhuǎn)子渦動(dòng)幅度太大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子側(cè)壁接觸，進(jìn)而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。目前所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，但實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中，預(yù)期可能達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。

綜上所述，螺旋槽動(dòng)靜壓混合推力軸承能夠?yàn)槲u輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)樣機(jī)提供較好的軸向承載力，在初始供氣條件下能保持較穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著主渦輪供氣壓力的增大，轉(zhuǎn)速增大，出現(xiàn)失穩(wěn)的情形，可能是由于徑向軸承承載力不足導(dǎo)致的，但通過(guò)調(diào)整，轉(zhuǎn)子又能恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明推力軸承具有優(yōu)異的自恢復(fù)能力。但目前缺乏對(duì)徑向軸承潤(rùn)滑性能的認(rèn)識(shí)，不能對(duì)徑向軸承供氣有較好的控制，這對(duì)提高微渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承系統(tǒng)的性能也是非常重要的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了螺旋槽氣體動(dòng)靜壓混合推力軸承中靜壓節(jié)流孔直徑和軸承間隙對(duì)供氣流量和軸承承載力的影響。結(jié)果表明:節(jié)流孔直徑和軸承間隙越大，供氣流量越大;節(jié)流孔直徑一定時(shí)，軸承間隙越大，承載力越小。搭建了一套氣體軸承測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:隨著主渦輪供氣壓力的增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情形，調(diào)整徑向軸承的供氣，轉(zhuǎn)子能很快恢復(fù)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

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