(浙江工業(yè)大學機械工程過程裝備及其再制造教育部工程研究中心 浙江杭州 310014)

1 動靜壓氣體潤滑工作原理

動靜壓氣體潤滑的基本結構包括在一定轉速下可以產生動壓效應的動壓槽和具有節(jié)流效應的靜壓節(jié)流結構。設備運轉時，在動壓槽產生動壓效應的基礎上，具有一定壓力的外供氣體引入了靜壓效應，從而氣膜端面可以獲得更大的承載力。圖1所示為動靜壓氣體潤滑的工作原理。圖1(a)為流體靜壓潤滑示意圖，依靠外界穩(wěn)定的流體壓力源，可以強制在兩摩擦副端面之間產生流體靜壓效應，即使兩摩擦面沒有相對滑動，也可以實現(xiàn)優(yōu)良的流體潤滑。圖1(b)為流體動壓潤滑示意圖，兩摩擦副端面之間存在相對運動，摩擦副端面上的動壓槽可使流體的流通面積逐漸減小，形成收斂間隙，從而產生如圖1(b)所示的流體壓力分布。

圖1 動靜壓氣體潤滑工作原理Fig 1 Working principle of hydrostatic-dynamic gas lubrication

2 動靜壓氣體密封/軸承節(jié)流結構研究現(xiàn)狀

靜壓節(jié)流結構作為動靜壓氣體密封/軸承的關鍵組成部分，對改善純動壓式氣體密封/軸承的工作特性具有重要作用，不同節(jié)流形式對密封/軸承性能的影響一直是國內外學者研究的熱點。

2.1 動靜壓氣體密封節(jié)流結構研究

動靜壓密封是借鑒靜壓氣體軸承技術發(fā)展起來的，其中靜壓節(jié)流形式與幾何參數(shù)對動靜壓氣體密封的密封性能有著很大影響，研究不同工況條件下動靜壓密封節(jié)流結構優(yōu)化具有重要意義。

典型的動靜壓組合式密封有泵入式和泵出式(見圖2)2種形式[1]。金朝旭等[2-3]采用有限元法求解了動靜壓端面間氣膜的雷諾方程，研究了不同轉速條件下泵入式、泵出式2種典型動靜壓組合式干氣密封的密封性能，研究表明，泵出式密封具有更好的開啟特性，但氣膜剛度相對較弱，泵入式密封穩(wěn)定性更佳。為尋找動靜壓結構最優(yōu)設計過程，金朝旭[4]采用中心復合設計試驗方案，得到了靜壓結構幾何參數(shù)優(yōu)選值范圍。LI等[5]研究了純靜壓結構中不同節(jié)流孔以及均壓槽對密封性能的影響，結果顯示，隨著節(jié)流孔數(shù)量的增加，密封開啟力不會顯著增加，但泄漏率增加較為明顯；均壓槽可以顯著提高密封性能，降低泄漏率。

圖2 典型動靜壓氣體密封結構Fig 2 Typical structures of hydrostatic-dynamic gas seals (apump in;(b) pump out

目前國內外對動靜壓密封的理論研究較少，密封端面的結構優(yōu)化設計尚不完善。相對于發(fā)展比較成熟的靜壓軸承技術，動靜壓密封起步較晚，但其研究方法和關鍵技術可在一定程度上借鑒靜壓氣體軸承技術。

2.2 動靜壓氣體軸承節(jié)流結構研究

空氣靜壓軸承的原理最早在1828年提出的，隨著近代工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，迫切需要解決關鍵設備在某些特殊條件下的工作問題，靜壓氣體軸承因此而得到迅速發(fā)展[6]。應用于靜壓軸承的節(jié)流結構主要有小孔節(jié)流、狹縫節(jié)流、多孔質節(jié)流和彈性節(jié)流器，其中小孔節(jié)流以其易加工、工作特性優(yōu)異而被廣泛應用。

節(jié)流孔作為小孔節(jié)流結構中的關鍵組成部分，其形狀特點和排布形式一直被廣大學者關注。溫詩鑄等[7]開展了靜壓止推軸承的實驗和理論分析，研究了節(jié)流孔數(shù)目和直徑、軸承間隙等參數(shù)對軸承承載力的影響，為靜壓軸承結構設計提供了理論和實驗參考。BELFORTE、李祥等人[8-9]研究了節(jié)流孔邊界形狀對氣膜壓力分布的影響，結果顯示，節(jié)流孔出口圓角半徑值對軸承承載力具有重要影響，邊界為尖角形狀的節(jié)流孔會在出口處產生更大的壓力降。FAN、YANG等[10-11]提出一種微陣列式節(jié)流結構，數(shù)值分析表明，微陣列式節(jié)流器具有更高的承載力和均勻的壓力分布，穩(wěn)定性良好。鄒麒、李琦、王曉明等[12-15]

對微孔陣列式空氣靜壓止推軸承靜態(tài)穩(wěn)定性進行了研究，結果表明，微孔陣列節(jié)流器可以顯著減小氣體軸承微振動。

在靜壓節(jié)流結構中，均壓槽起著均壓和二次節(jié)流作用，對軸承的性能有很大影響。SHARMA等[16]利用有限單元法對比了相同工況條件下圓形、矩形、橢圓形、三角形(如圖3所示)等不同均壓槽形狀對軸承性能的影響，并得出相同工況條件下矩形均壓槽能夠提供最大氣膜剛度和承載力的結論。SALEM、KASSAB等[17-18]對帶有3種形式扇形均壓槽的靜壓氣體軸承承載特性進行了理論和實驗研究，結果表明，均壓槽長度對氣膜壓力分布影響顯著。CHEN、BELFORTE等[19-21]先后研究了環(huán)形和圓形均壓槽的外加壓式氣體軸承的承載力和氣膜剛度，并對均壓槽的幾何參數(shù)進行了優(yōu)化設計。杜建軍等[22]分析了均壓槽開設位置、周向開槽長度與靜壓軸承承載特性的關系，指出環(huán)形均壓槽可顯著提高氣體軸承的承載能力。

圖3 典型均壓槽結構形式Fig 3 Typical pressure-equalizing groove structure(a) circular;(b) sector;(c)ellipse

上述孔槽結構組合而成的節(jié)流器均為固定型節(jié)流器，帶有這類節(jié)流器的靜壓軸承氣膜剛度和承載力有限，且其對轉軸振擺擾動和工況波動的適應能力較弱，而采用可變節(jié)流器則有望解決上述問題。目前靜壓軸承中常用的可變節(jié)流器包括薄膜節(jié)流器和滑閥節(jié)流器等2種，其中以薄膜節(jié)流器最為常用(如圖4所示)。

圖4 可變節(jié)流器結構示意圖Fig 4 Schematic diagram of controllable restrictor (a) diaphragm restrictor;(b) slide valve restrictor

薄膜節(jié)流器的彈性片型式對于氣體流阻的控制和快速響應特性至關重要，張君安、劉暾等人[23-34]通過對新型均壓槽可變靜壓氣體軸承(如圖5所示)進行了數(shù)值模擬和實驗研究，結果表明，可變均壓槽氣體軸承的軸承剛度和動態(tài)特性得到大幅提升。YOSHIMOTO等[25]研究了帶有自控節(jié)流器的矩形靜壓止推軸承的靜態(tài)特性。齊乃明、張廣輝、王元勛等[26-28]分別以金屬薄板、壓電晶體和彈性膜片作為薄膜節(jié)流器的彈性控制元件，獲得了薄膜節(jié)流器中氣體流量分配規(guī)律，對比分析了薄膜節(jié)流器與小孔節(jié)流、毛細管節(jié)流等固定式節(jié)流器的性能。SINGH等[29]分析了均壓槽形狀對薄膜節(jié)流靜壓氣體軸承性能的影響，指出均壓槽形狀和節(jié)流補償型式對軸承性能影響顯著。LAI等[30]則以軸承靜態(tài)剛度最大為優(yōu)化目標，對薄膜節(jié)流器的2個重要設計參數(shù)——薄膜剛度和軸承系統(tǒng)節(jié)流比進行優(yōu)化設計。KANG等[31-32]針對薄膜節(jié)流和滑閥節(jié)流2種典型可變節(jié)流器的靜壓軸承靜態(tài)剛度進行分析，并探討了節(jié)流器結構參數(shù)對其性能的影響規(guī)律。RENN等[33]提出了一種新型自適應滑閥式加壓節(jié)流器，其相較于薄膜節(jié)流器具有調節(jié)精確度高、適應高載荷能力強的優(yōu)點。薄膜式、滑閥式等可變節(jié)流器在靜壓氣體軸承穩(wěn)、動態(tài)特性方面表現(xiàn)出傳統(tǒng)固定式節(jié)流器所無法比擬的性能優(yōu)勢，然而，目前對于可變節(jié)流器靜壓氣體軸承的優(yōu)化設計、節(jié)流機制和振動行為研究還較少，而采用可變節(jié)流器的動靜壓干氣密封更是未見報道。

圖5 可控型靜壓軸承結構Fig 5 Structure of controllable hydrostatic bearing

3 動靜壓氣體密封/軸承性能研究

上述對動靜壓氣體密封/軸承節(jié)流結構的研究均是為了使密封/軸承具有更好的工作性能，而對幾何結構的優(yōu)化需要以可靠的數(shù)值計算方法作為基礎。近年來，國內外學者在動靜壓氣體潤滑數(shù)值計算方面做了大量研究工作，為改善密封/軸承的工作性能提供了理論基礎，并開展了大量動靜壓密封/軸承動態(tài)特性和微尺度特性等方面的研究。

3.1 動靜壓氣體密封性能研究

動靜壓氣體端面潤滑技術作為一種新型非接觸式密封，國內外對其工作性能尤其是動態(tài)特性的研究較少。張樹強[34]基于線性化攝動法，采用有限單元法求解了混合式密封的氣膜微擾Reynolds方程，分析了補償環(huán)擾動頻率、密封結構參數(shù)以及操作參數(shù)對氣膜動態(tài)性能的影響；研究了彈簧剛度以及輔助密封圈阻尼對混合式密封追隨動態(tài)特性的影響。李雙喜等[35]求解了動靜壓混合式密封和靜壓式端面間氣膜的Reynolds方程，進而求解了密封的開啟力、穩(wěn)態(tài)剛度、泄漏率、摩擦功耗等性能參數(shù)，并分析了混合式密封及靜壓式密封在失去氣源情況下的密封性能。劉飛[36]、周圣人[37]對靜壓干氣密封端面開啟特性、氣膜壓力及其承載力隨靜壓結構參數(shù)的變化規(guī)律開展了大量研究，并通過軟件模擬分析了密封環(huán)的熱變形規(guī)律。宋鵬云和許恒杰[38]深入研究了靜壓氣體潤滑機械密封的剛度特性，采用解析法推導了氣膜剛度的計算表達式，為氣膜剛度的計算做了理論基礎。尹源等人[39]分析了不同均壓槽形式對外加壓靜壓機械密封的動態(tài)特性的影響，指出分區(qū)均壓槽具有比整周均壓槽更好的剛度特性和追隨性。

雖然國內對氣體靜壓密封的密封性能已做了很多研究，但動靜壓混合密封工作特性研究仍比較欠缺。密封端面組合結構對氣體流動狀態(tài)的影響仍需進一步探索。

3.2 動靜壓氣體軸承理論分析方法研究

相對于動靜壓氣體密封技術，動靜壓氣體軸承技術的理論發(fā)展更為完善。劉暾等人[40]對雷諾方程進行修正，將不同坐標系下的雷諾方程進行轉換，簡化了數(shù)值計算過程并探討了小氣膜厚度是方程出現(xiàn)發(fā)散的原因并提出了應對措施。劉暾等人[41]提出一種狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承基本方程式的相容變換條件，并給出了計算軸承承載特性的方法。于雪梅[42]建立了局部多孔質氣體靜壓止推軸承靜態(tài)特性的數(shù)學模型，為局部多孔質氣體靜壓軸承的設計和工程應用奠定了理論基礎。ETSION和FLEMING[43]提出氣體潤滑平面止推軸承的精確解法，對比分析了矩形面、扇形面等結構的軸承性能，發(fā)現(xiàn)矩形承載面的數(shù)值計算承載力偏高，并不適合實際安全設計。ZHENG[44]、CHANG和JENG[45]分別提出了變步長逐步逼近迭代算法和改進粒子群優(yōu)化算法，以用于小孔節(jié)流靜壓氣體止推軸承的性能求解，在保證計算精度的同時顯著提高了計算效率。

上述數(shù)值計算方法在計算速度和收斂性等方面還存在一定的發(fā)展空間，而Fluent以其豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能而受到多數(shù)學者的青睞。朱鋆峰[46]、王盛業(yè)[47]應用Fluent軟件建立了動靜壓止推軸承仿真模型，研究了軸承承載力和氣膜剛度特性。孫昂等人[48]對微小間隙下狹縫節(jié)流止推軸承特性進行了流場仿真，分析了狹縫結構對軸承特性的而影響機制及規(guī)律。為更精確地計算靜壓軸承的靜態(tài)特性，LU等[49]提出流固耦合方法，通過CFD計算了軸承端面的溫升和壓力分布，為靜壓軸承的的設計提供了有效信息。崔海龍等[50]建立了小孔節(jié)流雙向流固耦合數(shù)值模擬模型，獲取了軸承設計參數(shù)對承載力和剛度的影響規(guī)律，分析了微氣膜間隙內三維流場特性，有效降低了微氣膜間隙內氣體冗余現(xiàn)象對軸承動態(tài)穩(wěn)定性的影響。

3.3 靜壓氣體軸承動態(tài)特性研究

由于氣體軸承由具有可壓縮的氣膜支撐，因此具有工作穩(wěn)定性差、易產生振動的缺點，其不穩(wěn)定性就包括氣體軸承中常見的“自激振動”現(xiàn)象。CHANG等[51]、STOWELL[52]、孔中科[53]研究了靜壓軸承氣腔內的氣錘自激特性，結果表明，隨著供氣壓力的增大，系統(tǒng)發(fā)生氣錘振動的概率會有所提升；一定間隙范圍內，隨著氣膜間隙的減小，系統(tǒng)發(fā)生氣錘振動的傾向性降低。MA等[54]建立了帶有矩形陣列阻尼孔的靜壓軸承數(shù)學模型，對軸承內氣錘自激特性進行了分析，指出氣錘自激現(xiàn)象的產生與氣腔內氣體的流動狀態(tài)緊密相關。LI等[55]采用大渦模擬分析靜壓空氣軸承節(jié)流結構內的流體流場，指出氣體漩渦的快速重復形成與消失會導致氣體壓力的波動，與軸承的自振有直接關系。CHEN等[56]對比分析了有無均壓槽對靜壓軸承內部氣體流動的影響，以及由此產生的軸承承載力和氣膜剛度的變化，結果顯示，隨著均壓槽深度的降低，氣旋強度會有所增加；相對于柱形均壓槽，球形均壓槽可減弱軸承的微振動而不影響軸承承載力。

軸承氣腔內氣體的流動狀態(tài)受節(jié)流孔出口處壓力的突變影響較大，目前對節(jié)流孔口處流體的壓力損失機制仍未有統(tǒng)一觀點。JOSEPH等[57]提出靜壓軸承內小孔流量系數(shù)的概念，指出小孔流量系數(shù)與雷諾數(shù)高度相關，對流體的流動狀態(tài)有重要影響。RENN等[58]研究了靜壓軸承中經過節(jié)流孔后氣體的質量流量特性，指出理想噴嘴模型與實際小孔的流體流動特性存在很大差異。ELESHAKY[59]利用CFD軟件模擬了靜壓軸承節(jié)流孔邊界的壓力衰減，描述了軸承內氣體壓力的變化規(guī)律，闡述了流體在節(jié)流結構中的再層流化原理。

根據(jù)前人研究，靜壓氣體軸承內氣體漩渦的形成以及由此引起的微振動問題已成為一個研究熱點和難點問題。

3.4 靜壓氣體軸承端面微尺度特性研究

氣體端面潤滑是通過在摩擦副端面形成具有一定剛度的氣膜來承受載荷，由于氣膜厚度在微米級，故氣體的流動會出現(xiàn)微尺度范圍內的特性。因此，研究微尺度效應對軸承性能的影響具有重要意義。

微尺度下的氣膜流態(tài)往往會出現(xiàn)速度滑移，溫度階躍等常溫常壓下不會出現(xiàn)的特性，這主要是由氣體稀薄效應引起的。CHEN等[60]推導了適用于可壓縮稀薄氣體的修正雷諾方程，對帶有氣體稀薄效應的空氣靜壓止推軸承的氣膜壓力分布、承載力、氣膜剛度進行了分析，指出在氣膜滑移區(qū)，氣體稀薄效應非常顯著。陳冬菊等[61]分析了稀薄效應下軸承內部壓強分布，并對軸承承載力和剛度變化進行了研究。FENG[62]探討了動靜壓軸承中動壓槽內表面粗糙度和氣體滑移流對軸承性能的影響。LIN[63]、HSU[64]分析了表面粗糙度對氣體潤滑軸承的影響，結果表明，徑向粗糙度可提高氣膜壓力和承載力，周向粗糙度則有相反的作用。WANG等[65]利用有限差方法求解雷諾方程，指出表面波紋的長度對軸承性能的影響并沒有明顯規(guī)律，而隨著周向和徑向波紋度在一定范圍內的增加，氣膜承載力、剛度和質量流量均有所減小。為微尺度下軸承性能的研究提供了一定的理論依據(jù)。

綜上所述，氣體稀薄效應、滑移流效應、動壓槽表面粗糙度和波紋度等對動靜壓軸承的氣膜壓力、承載力等性能參數(shù)有重要影響且已引起國內外學者的廣泛關注。

4 總結

目前，動靜壓氣體端面潤滑的結構優(yōu)化方面已有廣泛的研究，有限差分、有限元和Fluent軟件模擬等理論分析方法已被廣泛應用，其中有限元和Fluent軟件模擬應用更為普遍。

目前動靜壓氣體端面潤滑技術在低速泵、攪拌釜等設備上的應用越來越多，該領域的研究方向也不斷多樣化。首先，研究低速工況條件下，如何對動壓、靜壓同時作用下的端面結構進行協(xié)同優(yōu)化設計是該課題的重要分支；此外，深入完善帶有可控節(jié)流器的動靜壓氣體密封/軸承的數(shù)學分析模型，是進行結構優(yōu)化設計的理論基礎；最后，開發(fā)新型節(jié)流結構抑制氣體壓力的衰減、預防節(jié)流氣腔內氣錘自激現(xiàn)象的產生，考慮表面粗糙度、滑移流效應等對動靜壓氣體密封/軸承工作性能的影響，也是亟待完善的課題。