趙琪，侯予，強(qiáng)銘琛，陳雙濤，賴天偉

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

1 概述

軸承作為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的核心支承部件，廣泛應(yīng)用于氫能利用、航空航天、大科學(xué)裝置、氣體液化等工業(yè)領(lǐng)域，其性能對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有極大影響[1-3]。由于實(shí)際使用過(guò)程中的高轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油污染以及熱穩(wěn)定等問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承在實(shí)際應(yīng)用方面有著諸多問(wèn)題，箔片氣體軸承具有高轉(zhuǎn)速、無(wú)污染、低功耗等特點(diǎn)[4]，可以有效解決上述問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的不斷努力，箔片氣體軸承的承載力有了大幅提高，且已商業(yè)化應(yīng)用在許多領(lǐng)域，如空氣循環(huán)系統(tǒng)、透平膨脹機(jī)、高速離心式空壓機(jī)及鼓風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)速較高的輕載透平機(jī)械設(shè)備中[5]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)箔片氣體軸承的研究主要集中在軸承熱分析[6]、穩(wěn)定性[7]、動(dòng)力學(xué)[8]以及承載力研究等方面[9-10]。盡管對(duì)箔片氣體軸承的研究已經(jīng)較為深入，但隨著科技進(jìn)步以及高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的迅速發(fā)展，箔片氣體軸承承載力研究仍面臨巨大的挑戰(zhàn)：1)由于更高功率密度透平機(jī)械的需求以及復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性的要求，對(duì)箔片氣體軸承承載能力提出了更為嚴(yán)苛的要求[11]；2)箔片支承結(jié)構(gòu)之間的相互作用和非線性特性以及求解完全氣彈耦合雷諾方程的復(fù)雜性，使箔片氣體軸承承載力的數(shù)值預(yù)測(cè)困難。

箔片氣體軸承主要包括波箔型、鼓泡型[12-13]、懸臂型[14]等，波箔型應(yīng)用最為廣泛，本文分別從理論和試驗(yàn)方面對(duì)波箔氣體軸承的承載力進(jìn)行分析與討論。徑向和止推波箔氣體軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示：徑向波箔氣體軸承由平箔和一片整體式波箔構(gòu)成，波拱節(jié)距沿周向均勻分布；止推軸承由多片平箔和波箔組成，平箔和波箔的一端固定在軸承座上，另一端為自由狀態(tài)，底部彈性支承結(jié)構(gòu)提供了額外的阻尼，可以大幅提高軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。徑向和止推波箔氣體軸承的工作原理基本相同，如圖2所示，利用配合面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使?jié)櫥橘|(zhì)在黏性作用下于楔形空間內(nèi)被壓縮，從而在間隙內(nèi)產(chǎn)生氣膜承載力，起支承轉(zhuǎn)子或平衡軸向力的作用。

1—平箔；2—波箔；3—軸承座；4—轉(zhuǎn)子。

圖2 波箔氣體軸承工作原理

2 徑向波箔氣體軸承承載力研究

2.1 理論研究

在承載力解析計(jì)算方面：文獻(xiàn)[15]率先提出了徑向波箔氣體軸承承載力的計(jì)算公式，將承載力視為軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)子運(yùn)行參數(shù)的線性函數(shù)，穩(wěn)態(tài)時(shí)軸承的最大承載力為

F=DbLD2ω，

(1)

式中：Db為承載力系數(shù)；L為軸承軸向長(zhǎng)度；D為轉(zhuǎn)子直徑；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

文獻(xiàn)[16]基于可壓縮雷諾方程的極限解，推導(dǎo)出徑向波箔氣體軸承的最大承載力為

(2)

在徑向波箔氣體軸承承載力數(shù)值模擬方面：文獻(xiàn)[17]建立了軸承靜態(tài)性能預(yù)測(cè)模型，分析了軸承的承載特性，在重載下軸承靜態(tài)剛度幾乎恒定，最大承載力由底層彈性支承結(jié)構(gòu)的柔性決定；文獻(xiàn)[18]建立了考慮平箔變形的軸承靜態(tài)特性求解耦合模型，平箔變形產(chǎn)生的槽道會(huì)使氣膜內(nèi)切向阻力增大，導(dǎo)致更多的氣體從軸向泄漏，軸承承載力降低；文獻(xiàn)[19]采用彈簧連桿等效模擬波箔軸承，并分析了徑向間隙對(duì)軸承承載力的影響，給出了最佳徑向間隙；文獻(xiàn)[20]建立了考慮波箔彎曲效應(yīng)與薄膜效應(yīng)耦合的彈性殼體單元模型，分析了轉(zhuǎn)速和波箔厚度對(duì)軸承承載力的影響，隨轉(zhuǎn)速升高，軸承承載力增大，波箔厚度小于0.2 mm時(shí)，波箔厚度對(duì)承載力影響較大。

分析徑向波箔氣體軸承承載力時(shí)，還需要考慮氣體黏性剪切作用發(fā)熱的影響：文獻(xiàn)[21]基于稀疏網(wǎng)格建立了氣膜溫度場(chǎng)分析模型，同時(shí)將冷卻氣通入空心轉(zhuǎn)子以及波箔拱之間進(jìn)行散熱，分析了熱變形對(duì)軸承承載力的影響，轉(zhuǎn)子和波箔的熱變形會(huì)使軸承徑向間隙發(fā)生變化，顯著影響軸承承載力，這可能是軸承承載力隨環(huán)境溫度上升而明顯下降的主要原因。

在分析邊界滑移對(duì)徑向波箔氣體軸承承載力的影響方面：文獻(xiàn)[22]分析了邊界滑移對(duì)軸承靜態(tài)承載力的影響，考慮邊界滑移時(shí)氣膜高壓區(qū)面積減小，低壓區(qū)面積增大，軸承承載力降低，在低速、大偏心率的工況下該現(xiàn)象更明顯；文獻(xiàn)[23]分析了邊界滑移對(duì)軸承靜態(tài)承載力的影響，軸承座滑移會(huì)降低軸承承載力，波箔滑移會(huì)提高軸承承載力，2種情況下承載力最大偏差達(dá)到20%。

在分析波箔結(jié)構(gòu)對(duì)徑向波箔氣體軸承承載力的影響方面：文獻(xiàn)[24]對(duì)比分析了單片頂箔和三瓣頂箔軸承的承載力，三瓣頂箔軸承波箔弧長(zhǎng)較小，承載力小；文獻(xiàn)[25]對(duì)比分析了全波、上波、下波波箔軸承的承載力，下波波箔軸承的承載力最優(yōu)；文獻(xiàn)[26]分析了變周向波拱節(jié)距對(duì)軸承承載力的影響，周向節(jié)距變化的波箔軸承比傳統(tǒng)波箔軸承承載力高；文獻(xiàn)[27]提出了一種平波箔表面開(kāi)槽的徑向波箔氣體軸承，新型軸承可有效減少氣體泄漏，增強(qiáng)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果，軸承承載力提高了約11.8 %。

在分析庫(kù)侖摩擦力對(duì)徑向波箔氣體軸承承載力的影響方面：文獻(xiàn)[28]分析了周向、軸向、徑向3個(gè)方向上波箔結(jié)構(gòu)剛度的變化對(duì)軸承承載力的影響，庫(kù)侖摩擦力的增大會(huì)提高軸承結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而提高軸承承載力；文獻(xiàn)[29]建立了考慮平箔和波箔以及波箔和軸承座之間摩擦力的庫(kù)侖摩擦模型，分析了最小氣膜厚度隨軸承承載力的變化規(guī)律以及承載力隨軸承偏心率的變化規(guī)律，考慮摩擦力時(shí)軸承承載特性更趨向于剛性軸承。

此外，文獻(xiàn)[30]分析了潤(rùn)滑介質(zhì)和波箔材料屬性對(duì)徑向波箔氣體軸承承載力的影響，潤(rùn)滑氣體黏度從4.21×10-6Pa·s增加到4.6×10-5Pa·s時(shí)軸承承載力提升了約50%～75%，波箔材料彈性模量從70 GPa增加到340 GPa時(shí)軸承承載力提高了5%～10%，波箔材料泊松比從0.15增加到0.45時(shí)軸承承載力提高了30%～40%。文獻(xiàn)[31]分析了環(huán)境壓力對(duì)徑向波箔氣體軸承承載力的影響，環(huán)境壓力從0.1 MPa提高到0.5 MPa時(shí)，在轉(zhuǎn)速為60 000，100 000，200 000 r/min時(shí)軸承承載力分別提高了19.97%，28.89%，44.28%。文獻(xiàn)[32]對(duì)比分析了3種波拱冷壓成形工藝的徑向波箔氣體軸承和理想軸承的承載力，由于實(shí)際加工過(guò)程中波箔厚度和波箔線形不均，理想軸承承載力要明顯優(yōu)于實(shí)際加工軸承，說(shuō)明可通過(guò)改善波箔加工工藝提高該類軸承的承載能力。

2.2 試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[33]設(shè)計(jì)了一種直徑為35 mm的徑向波箔氣體軸承，穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到132 000 r/min，承載力達(dá)到0.67 MPa，在室溫20 ℃、正常環(huán)境壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速59 700 r/min時(shí)軸承承載力達(dá)到727.8 N。文獻(xiàn)[34]又在文獻(xiàn)[33]的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種單瓦塊徑向波箔氣體軸承，在轉(zhuǎn)速為68 000 r/min時(shí)軸承承載力達(dá)到0.35 MPa。

文獻(xiàn)[35]通過(guò)試驗(yàn)分析了徑向間隙對(duì)徑向波箔氣體軸承承載力的影響，存在一個(gè)最佳徑向間隙使軸承承載力最大：當(dāng)徑向間隙小于最佳徑向間隙時(shí)，軸承承載力增大，但易發(fā)熱導(dǎo)致軸承失效；當(dāng)徑向間隙為最佳徑向間隙的2倍時(shí)，承載力降低20%；此外，最佳徑向間隙與軸頸大小和轉(zhuǎn)速有關(guān)。

文獻(xiàn)[36]通過(guò)試驗(yàn)分析了直徑為47.75 mm的三瓣式徑向波箔氣體軸承的承載特性，轉(zhuǎn)速為30 000，40 000，50 000，60 000 r/min時(shí)軸承承載力分別達(dá)到380，535，700，810 N；此外還分析了雙層徑向波箔氣體軸承的承載特性，轉(zhuǎn)速為51 000 r/min時(shí)軸承承載力達(dá)到1 020 N。

文獻(xiàn)[37]通過(guò)試驗(yàn)分析了直徑為80 mm的132 kW風(fēng)機(jī)用徑向波箔氣體軸承的承載特性，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)軸承承載力達(dá)到154 N，軸承最佳徑向間隙為0.3 mm。

文獻(xiàn)[38]通過(guò)試驗(yàn)分析了轉(zhuǎn)速為14 000 r/min時(shí)主軸材料和波箔涂層技術(shù)對(duì)直徑38.1 mm的徑向波箔氣體軸承承載力的影響，波箔表面涂層可以提高軸承的承載力，將幾種涂層材料混合在一起使用比單一涂層材料效果更佳。

文獻(xiàn)[39]通過(guò)試驗(yàn)分析了軸承座表面粗糙度對(duì)直徑為19.82 mm的徑向波箔氣體軸承承載力的影響，轉(zhuǎn)速10 000 r/min時(shí)表面粗糙度為0.4，1.6 μm時(shí)軸承承載力分別為15.5，10.9 N，轉(zhuǎn)速20 000 r/min時(shí)表面粗糙度為0.4，1.6 μm時(shí)軸承承載力分別為42.3，29.6 N，說(shuō)明波箔和軸承座之間摩擦增大會(huì)使軸承承載力減小。

3 止推波箔氣體軸承承載力研究

3.1 理論研究

止推波箔氣體軸承承載力解析計(jì)算方法與文獻(xiàn)[16]類似，文獻(xiàn)[40]又提出了一種簡(jiǎn)單方法，承載力可表示為

(3)

在止推波箔氣體軸承承載力數(shù)值模擬方面：文獻(xiàn)[41]基于剛性軸承假設(shè)提出了一種止推波箔氣體軸承設(shè)計(jì)方法，該方法無(wú)需任何彈性力學(xué)計(jì)算，即可確定柔性波箔最初的變形情況，用該方法設(shè)計(jì)的外徑80 mm、內(nèi)徑40 mm的止推波箔氣體軸承在轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時(shí)承載力達(dá)到0.3 MPa。在文獻(xiàn)[41]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[42]分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承承載力的影響，若要獲得較高的承載力，軸承應(yīng)保持較小的內(nèi)外徑比，即寬扇區(qū)，大的扇形角度，最佳的斜坡面、平直段過(guò)渡位置以及入口氣膜厚度。文獻(xiàn)[43]分析了稀薄氣體對(duì)止推波箔氣體軸承承載力的影響，考慮稀薄氣體效應(yīng)時(shí)止推波箔氣體軸承的承載力減小，且稀薄氣體效應(yīng)的影響隨轉(zhuǎn)速和波箔柔度系數(shù)增大而逐漸減弱。

在改進(jìn)止推波箔氣體軸承結(jié)構(gòu)方面：文獻(xiàn)[44-45]開(kāi)發(fā)了一種新型的平箔開(kāi)槽型止推波箔氣體軸承，如圖3所示，平箔頂部的凹槽可以起到二次增壓作用，增加凹槽后的軸承靜態(tài)承載力從0.12 MPa提高到0.17 MPa。

圖3 平箔開(kāi)槽型止推波箔軸承

3.2 試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[46]通過(guò)試驗(yàn)分析了內(nèi)徑30 mm、外徑55 mm的止推波箔氣體軸承的承載力，在轉(zhuǎn)速為10 000，15 000，20 000 r/min時(shí)該軸承承載力分別達(dá)到146，173，223 N。

文獻(xiàn)[47]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)徑7 mm、外徑14 mm的止推波箔氣體軸承，在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)到350 000 r/min，承載力達(dá)到0.045 MPa。

文獻(xiàn)[48]通過(guò)試驗(yàn)分析了波箔節(jié)距、入口和出口氣膜厚度、波箔剛度等對(duì)止推波箔氣體軸承承載力的影響，結(jié)果表明：存在最佳波箔節(jié)距和最佳入口氣膜厚度使軸承承載力最優(yōu)；隨出口氣膜厚度增大，高壓區(qū)氣膜厚度增大，承載力降低；隨波箔剛度增大，波箔變形減小，軸承承載力提高。

文獻(xiàn)[49]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)徑55 mm、外徑110 mm的止推波箔氣體軸承，在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為15 000，20 000，25 000 r/min時(shí)該軸承承載力分別達(dá)到145，195，260 N，且承載力與氣膜間隙呈非線性關(guān)系。

文獻(xiàn)[50]提出了一種新的混合型止推波箔氣體軸承，如圖4所示，其外徑為154 mm，軸承承載力達(dá)到0.223 MPa。該軸承啟動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程中箔片與轉(zhuǎn)子不接觸，功率損耗較小。

圖4 動(dòng)靜壓混合型止推波箔軸承

4 展望

氣體箔片軸承是高速透平機(jī)械的重要部件，軸承承載力不足易導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)驟停，如何提高氣體箔片軸承承載力仍是該類軸承研究的核心問(wèn)題。近年來(lái)，眾多學(xué)者在氣體箔片軸承承載力研究方面進(jìn)行了深入的研究，軸承承載力有了一定提升；但隨著高新技術(shù)和尖端技術(shù)發(fā)展的需要，更加迫切的需要研制和開(kāi)發(fā)具有更高承載力的新型箔片氣體軸承，還要考慮軸承可靠性以及制造工藝的可行性。本文歸納和整理了氣體箔片軸承承載力的研究成果，經(jīng)分析，氣體箔片軸承承載力研究在以下方面仍有很大的提升空間：

1)氣體箔片軸承承載力模型考慮因素不夠全面，應(yīng)建立氣-彈-熱完全耦合的箔片變形求解模型，以更精確預(yù)測(cè)軸承承載力。

2)現(xiàn)有氣體箔片軸承冷卻方式主要是空心轉(zhuǎn)子內(nèi)部供氣冷卻和箔片間通氣冷卻，為了防止軸承發(fā)熱失效，需改進(jìn)箔片軸承的冷卻流道設(shè)計(jì)，如采用多層箔片設(shè)計(jì)增加散熱流道面積，在軸承座、箔片上開(kāi)孔或開(kāi)槽引入冷卻氣體加快熱量的耗散，或研發(fā)具有高熱容量的彈性支承材料和波箔鍍層材料。軸承散熱能力的提高對(duì)軸承承載力的提升意義重大，可以極大提高軸承承載力的極限值。