盧錦明 張 彤

（北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

近年來，微型飛行器、自動機器人以及便攜式電腦等產(chǎn)品對能源系統(tǒng)提出了微型化、高能量密度和環(huán)境友好等新要求，在微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展基礎(chǔ)上，微動力機電系統(tǒng)（Power MEMS）應(yīng)運而生［1］。以微渦輪發(fā)動機為代表的微型動力源是能把高能量密度的液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為機械能或電能，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)動機的設(shè)計目標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［2］。

氣體軸承是氣體在軸和軸套之間構(gòu)成擠壓氣膜，將活動面和靜止面隔離開來，它具有極低摩擦、無污染、精度高、結(jié)構(gòu)相對簡單以及壽命長等優(yōu)點，成為支撐微轉(zhuǎn)子的最佳選擇［3］。從1997年開始，諸多學者開展了對微渦輪機軸承系統(tǒng)的研究，2004年Epstein［4］報道了一個六層硅片結(jié)構(gòu)的微渦輪機軸承系統(tǒng)，Teo［5］和Liu［6］等相繼展開了對其靜壓推力軸承和靜壓徑向軸承的研究。Shan和Zhang［7］介紹了一個三層硅片結(jié)構(gòu)的渦輪器件，其中包括氣體動壓徑向軸承和螺旋槽動壓推力軸承。動壓軸承能充分利用轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動壓效應(yīng)來提供承載力，但在低速和起動時承載力很低，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壓徑向軸承，設(shè)計轉(zhuǎn)速達1×106r/min，但實際為0.5×106r/min，這主要是由于加工誤差導致徑向軸承不能提供足夠的承載力來支撐轉(zhuǎn)子的高速運轉(zhuǎn)。最佳方案是采用動靜壓混合軸承，可兼具動壓和靜壓軸承的優(yōu)點，但目前關(guān)于微動靜壓混合軸承的理論報道［9］很少，相關(guān)實驗測試更少。

圖1是本文研究的厘米量級的三層結(jié)構(gòu)微渦輪發(fā)動機軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇螺旋槽氣體動靜壓混合推力軸承作為支撐，使其既能充分發(fā)揮動壓軸承所具有的良好的穩(wěn)態(tài)承載力和動力學性能，又能避免高速時的渦動和低速時的碰磨問題。本文主要分析軸承的潤滑性能，檢測加工樣機的尺寸和缺陷，搭建氣體軸承測試系統(tǒng)，進行相關(guān)的實驗研究和結(jié)果分析。

1 軸承系統(tǒng)的潤滑性能分析及樣機加工

1.1 螺旋槽氣體動靜壓混合推力潤滑性能分析

圖2為螺旋槽動靜壓混合推力軸承的結(jié)構(gòu)示意圖，具體的潤滑模型和相關(guān)的計算流程可參見文獻［9］，應(yīng)用于微渦輪發(fā)動機軸承系統(tǒng)的推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)為:內(nèi)、外供氣孔個數(shù)分別為12個，內(nèi)孔直徑0.3 mm，外孔直徑0.2 mm，螺旋槽槽臺數(shù)為10對，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。

在本文中重點分析推力軸承的潤滑性能，圖3給出了靜壓節(jié)流孔直徑Dori和軸承間隙hL對供氣流量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，節(jié)流孔直徑對供氣流量的影響不大;間隙較大時，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對承載力WD的影響。從曲線可以看出:節(jié)流孔直徑一定時，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，節(jié)流孔直徑大的，承載力大，這是因為節(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)動機軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點，采用數(shù)控機床來加工測試樣機，加工時所選用的銑刀直徑為0.2 mm，機床最小進給量為0.1 mm，加工精度為0.1 mm。圖5所示是兩樣機推力軸承部位的靜壓節(jié)流孔和螺旋槽的實際情況。其中圖5a樣機的節(jié)流孔直徑不均勻，測得的孔徑Dori分布在0.35～0.41 mm之間，且超過半數(shù)孔內(nèi)殘留較多的碎屑，影響供氣的通暢性;圖5b樣機的節(jié)流孔直徑均勻，測得的孔徑Dori分布在0.32～0.35 mm，孔內(nèi)幾乎沒有碎屑;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，兩個樣機加工的形狀幾乎相同，不存在較大的缺陷。經(jīng)過對比兩樣機的加工參數(shù)，選擇圖5b樣機進行測試。

2 氣體軸承測試系統(tǒng)

根據(jù)微渦輪發(fā)動機軸承系統(tǒng)的工作要求，搭建了一套氣體軸承測試系統(tǒng)，包括3個部分:氣體控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測量系統(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)動機軸承系統(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驅(qū)動微轉(zhuǎn)子運動。如圖6所示，主路上由高壓氣源、過濾器、壓力表和截止閥組成，各支路上由調(diào)壓閥、壓力表、計量閥、流量計以及壓力傳感器等組成，各個支路連接到對應(yīng)樣機封裝的供氣通道上。

2.2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)是采用光纖位移傳感器來檢測微轉(zhuǎn)子上設(shè)置的標記位移變化來記錄轉(zhuǎn)速的。如圖7所示，在微渦輪發(fā)動機軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子上設(shè)置有4個標記，將光纖探針對準標記，檢測探針尖端到標記的距離，在微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，探針檢測到的位移信號呈方波，每4個波峰表示轉(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，可用于測量位移和振動，其輸出信號與反射率有關(guān)，并具有遠端和近端雙向功能，輸出信號正比于傳感器探針至目標表面的距離和目標表面的反射率。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是用來采集和處理氣體控制系統(tǒng)中的壓力傳感器和流量計的壓力、流量信號以及光纖位移傳感器的位移信號。其主要流程是:通過數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采集、隔離、濾波、放大等處理，進入計算機后，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)π盘栠M行顯示、處理及存儲等處理，指導操作者控制整個測試系統(tǒng)，系統(tǒng)存儲的數(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到1.25×106數(shù)據(jù)/s，32位計數(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、零點設(shè)置、壓力信號與位移信號顯示以及壓力與轉(zhuǎn)速瞬時值。

3 測試結(jié)果及分析

圖8是主渦輪供氣從0～10 kPa過程中轉(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)就是位移信號前半段所示，轉(zhuǎn)速不高，但軸向穩(wěn)定。當主渦輪供氣壓力增大到一定值，轉(zhuǎn)子就失穩(wěn)，位移信號變成一條直線，可能是轉(zhuǎn)子徑向承載力不夠。此時給徑向軸承和平衡室供氣，轉(zhuǎn)子逐漸恢復旋轉(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，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的位移信號，轉(zhuǎn)速為653 r/min。在調(diào)整主渦輪供氣壓力過程當中，發(fā)現(xiàn)位移信號幅值基本保持不變，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)子渦動幅度太大，導致轉(zhuǎn)子與定子側(cè)壁接觸，進而停止轉(zhuǎn)動。目前所能達到的最高轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，但實驗仍在進行中，預期可能達到更高的轉(zhuǎn)速。

綜上所述，螺旋槽動靜壓混合推力軸承能夠為微渦輪發(fā)動機軸承系統(tǒng)樣機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致的，但通過調(diào)整，轉(zhuǎn)子又能恢復轉(zhuǎn)動，說明推力軸承具有優(yōu)異的自恢復能力。但目前缺乏對徑向軸承潤滑性能的認識，不能對徑向軸承供氣有較好的控制，這對提高微渦輪發(fā)動機軸承系統(tǒng)的性能也是非常重要的。

4 結(jié)語

本文分析了螺旋槽氣體動靜壓混合推力軸承中靜壓節(jié)流孔直徑和軸承間隙對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，軸承間隙越大，承載力越小。搭建了一套氣體軸承測試系統(tǒng)，并進行了相關(guān)的實驗研究。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)子能很快恢復穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

［1］甘霖，李偉，楊燦軍，等.Power MEMS 研究現(xiàn)狀及展望［J］.機床與液壓，2004（9）:5－9.

［2］Epstein AH，et al.Power MEMS and micro－engines［C］.IEEE Conference on Solid State Sensors and Actuators，Chicago，1997:26 －32.

［3］馬文琦，于賀春，孫昂.氣體軸承－轉(zhuǎn)子系統(tǒng)研究現(xiàn)狀［J］.潤滑與密封，2010，35（6）:121 －124.

［4］Epstein AH.Millimeter－scale，micro－electro－mechanical systems gas turbine engines［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2004，126（2）:205 －226.

［5］Teo CJ，Spakovszky ZS.Modeling and experimental investigation of micro－ hydrostatic gas thrust bearings for micro － turbo machines［J］.Journal of Turbomachinery，2006，128（4）:597 －605.

［6］Liu LX，Teo CJ，Epstein AH，et al.Hydrostatic gas journal bearings for micro － turbomachinery［J］.Journal of Vibration and Acoustics，2005，127（2）:157－164.

［7］Shan XC，Zhang QD，Sun YF，et al.Studies on a micro turbine device with both journal－ and thrust－ air bearings［J］.Microsystem Technology，2007，13（11 －12）:1501 －1508.

［8］Piljoong Kang，Shuji Tanaka，Masayoshi Esashi.Demonstration of a MEMS － based turbocharger on a single rotor［J］.Journal of Micromech and Microeng，2004，15（5）:1076 －1087.

［9］Liu R，Wang X L.Dynamic characteristics analysis of micro air spiral grooved thrust bearing－rotor system［C］.NEMS 2011－6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems，Taiwan，2011:719 －723.