徐剛，舒行軍，鄭越青，藍河

（中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900）

空氣動壓軸承是一種無油支承技術(shù)，除了廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，近年來逐步應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機械，如高速離心風機、渦輪膨脹機［1］和微小型渦輪機械［2］。相比于油潤滑滑動軸承和滾動軸承，空氣動壓軸承具有穩(wěn)定性高、環(huán)境污染少、耐高溫和工作轉(zhuǎn)速高等優(yōu)良特點［3］。

我國對空氣動壓軸承的相關(guān)理論研究早已開展，文獻［4］在多年研究的基礎(chǔ)上提出了一種新型結(jié)構(gòu)的向心平箔型箔片軸承，并將其應(yīng)用在150 m3／h制氧機用低溫透平膨脹機上，轉(zhuǎn)速達到14.8×104r／min，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為 891 g。文獻［5］引入柔性箔片的動靜變形，將軸承動態(tài)剛度和動態(tài)阻尼的計算歸結(jié)為對動態(tài)Reynolds方程和柔性支承結(jié)構(gòu)動態(tài)彈性變形方程聯(lián)立求解，在線性范圍內(nèi)為波箔型軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學分析提供了一種方法。文獻［6］發(fā)明了一種箔片軸承耐高溫納米復合潤滑表面涂層材料，并申請了專利，在進行摩擦磨損試驗時，該涂層在室溫至350℃時，磨損量比現(xiàn)有的PS304涂層降低30%，而在350～650℃時，磨損量降低20%，不過其工程應(yīng)用情況尚未得到驗證。文獻［7-8］申請了2個箔片軸承的專利，通過對懸臂型和波箔型箔片軸承加裝自調(diào)節(jié)裝置降低了箔片軸承中高壓氣體的端泄，提高了箔片軸承的承載力。不過由于對箔片及表面鍍層的材料和工藝沒有得到有效突破，在實際應(yīng)用中將箔片軸承的潤滑劑改用黏度較低的油，且轉(zhuǎn)子重量較輕，約1 kg左右。國內(nèi)的研究主要集中在理論研究方面，且大多數(shù)也只是將箔片軸承簡化成多個彈簧與阻尼單元，忽略平箔與波箔之間的摩擦，這與箔片軸承實際狀態(tài)存在較大差別，勢必影響分析精度。試驗驗證主要為常溫小負載情況，多數(shù)試驗負載均不足1 kg，對于重載下箔片軸承的各項規(guī)律尚有待探索；對箔片軸承各種性能規(guī)律的研究不夠豐富和深入，箔片軸承的設(shè)計、制造經(jīng)驗和各項性能的試驗規(guī)律儲備比較匱乏；對箔片軸承表面鍍層的材料和工藝沒有得到有效的解決，使箔片軸承的工程使用壽命瓶頸未得到有效突破，限制了對其工程應(yīng)用的探索。

為此，針對特定結(jié)構(gòu)的動壓箔片軸承，通過大量工程試驗，研究其性能參數(shù)，并將其應(yīng)用于實際的工程產(chǎn)品中。

1 試驗平臺的構(gòu)建

為驗證空氣動壓軸承支承高速大質(zhì)量轉(zhuǎn)子的可行性與實際承載效能，開發(fā)了空氣動壓軸承支承的工程應(yīng)用原型裝置系統(tǒng)（圖1）。

圖1 試驗平臺系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

系統(tǒng)主機裝置采用2套空氣動壓軸承和2套止推空氣動壓軸承支承1根重量達12.5 kg的高速電動機轉(zhuǎn)子，其他主要參數(shù)見表1。

表1 主機裝置主要參數(shù)Tab.1 The parameters of mainframe

驅(qū)動系統(tǒng)采用自行研制的高速永磁電動機直連方式，電動機功率75 kW，轉(zhuǎn)速30 000 r／min，采用高速變頻器直接控制電動機轉(zhuǎn)速?？諝鈩訅狠S承起飛前存在嚴重摩擦與碰撞，使得阻力矩較大且不穩(wěn)定，因此在啟動階段采用開環(huán)控制，短期輸入極大電流，強制拖動電動機同步提速，采用大電流使加速度增大，可在短期內(nèi)獲得高轉(zhuǎn)速。雖然大電流會帶來較大的發(fā)熱量，但由于提速很快，發(fā)熱量不會過度積累。當實現(xiàn)啟動且轉(zhuǎn)速達到一定值后，控制器開始采集位置信號，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，此時驅(qū)動電流最小化，實現(xiàn)節(jié)能并降低電動機發(fā)熱量。

為深入了解箔片動壓軸承的實際動態(tài)性能，開發(fā)全動壓支承原型裝置測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)（圖2）實現(xiàn)了原型裝置的電力、溫度、轉(zhuǎn)速、力矩、振動與位置共6類、15路信號的大數(shù)據(jù)量、多數(shù)據(jù)類型的同步采集。同時該系統(tǒng)很好地克服了工作環(huán)境的強電磁干擾問題，確保了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定可靠。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of test system

2 動壓軸承

動壓軸承如圖3所示，單套軸承的承載為13 kg，設(shè)計轉(zhuǎn)速為30 000 r／min，軸承理論計算起飛轉(zhuǎn)速約為4 000 r／min，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 動壓軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameter of the air foil bearing

圖3 動壓軸承組件Fig.3 The air foil bearing

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 軸承啟停壽命試驗

對一套完好的空氣動壓軸承進行循環(huán)啟停壽命測試，轉(zhuǎn)子在30 s內(nèi)由靜止加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速15 000 r／min，穩(wěn)定運行10 s后，在10 s內(nèi)降速至0，間歇5 s，重復啟停電動機，直至啟停次數(shù)達到104次或軸承發(fā)生失效，整個過程由程序自動控制。

試驗成功實現(xiàn)了104次啟停，中途軸承未發(fā)生失效。104次啟停后卸下動壓軸承觀察發(fā)現(xiàn)，具有固體潤滑膜的平箔表面出現(xiàn)磨損（圖4），露出基底金屬材料；啟動與停車力矩變化不大（圖5），全速力矩也保持在非常低的水平，這表明104次啟停后平箔表面雖然有局部磨穿，但仍然保持著良好的潤滑特性，動壓軸承的工作狀態(tài)良好。另外，對嚴重磨損區(qū)的材料厚度損失進行測量，發(fā)現(xiàn)厚度損失不超過20μm（＜10%），遠未達到使空氣動壓軸承失效的厚度損失（25%）。因此可以說明，動壓軸承循環(huán)啟停壽命在104次以上。

圖4 104次啟停后的動壓軸承Fig.4 Air foil bearing after 104 start-up and pause test

圖5 啟停次數(shù)對箔片動壓軸承性能影響Fig.5 Start stop times effect of start-up and pause times on performance of air foil bearing

啟停測試中發(fā)現(xiàn)，與大部分軸承類似，隨著動壓軸承的磨損，軸承性能不但不會持續(xù)惡化反而逐漸優(yōu)異，表現(xiàn)在起飛轉(zhuǎn)速略微降低，軸承溫升降低。這是因為隨著啟停次數(shù)的增多，空氣動壓軸承逐漸磨損，其不是全部接觸面上的均勻磨損，而是某些局部高點優(yōu)先磨損，這使得軸承工作面逐漸趨于平滑，與軸頸表面“貼和”更好，使得動壓氣膜更易形成，因此使軸承起飛更容易、運行更穩(wěn)定、摩擦更小。

3.2 軸承運行穩(wěn)定性試驗

對軸承運行過程中的軸心軌跡變化進行分析，轉(zhuǎn)子升速過程軸心軌跡如圖6所示。軸承啟動初期的軸心軌跡與之后的軸心軌跡的變化規(guī)律基本一致，這表明此時已經(jīng)形成有效的動壓氣膜。隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸心軌跡在9 300 r／min附近出現(xiàn)略微發(fā)散，發(fā)散趨勢并不明顯，即使在20 620 r／min時，軸心軌跡發(fā)散情況也得到很好地抑制，證明整體運行是穩(wěn)定的。

圖6 動壓軸承軸心軌跡Fig.6 Orbit of the shaft center of air foil bearing

3.3 軸承溫升特性試驗

采用溫度成相儀對工作狀態(tài)的軸承進行溫度測試（此時電動機沒有采用冷卻保護措施，以便測試軸承耐溫情況），穩(wěn)定運行60 min后軸承溫度測試結(jié)果如圖7所示。由圖可知，最高溫度（124℃）出現(xiàn)在動壓軸承區(qū)域，而止推軸承溫度較低。這是因為動壓軸承承受全部載荷（轉(zhuǎn)子重力12.5 kg），而止推軸承承載很?。ɡ碚撋喜怀休d）。按主軸材料的熱膨脹系數(shù)為10-5量級計，動壓軸承工作中，將減少至少0.05 mm的軸承間隙（軸膨脹），因此適當增大軸承間隙是合理的，并且準確獲得溫升數(shù)據(jù)對精確控制間隙是有益的。

圖7 軸承升溫測試Fig.7 Temperature test

3.4 軸承工程互換性試驗

組裝3套動壓軸承分別在相同工況下進行運轉(zhuǎn)試驗，驗證其互換性。軸承名義間隙為0.25 mm，試驗轉(zhuǎn)速為20 000 r／min，互換性測試的溫度曲線如圖8所示。由圖可知，3套動壓軸承均實現(xiàn)了動壓起飛和穩(wěn)定運行，雖然其在運行初期表現(xiàn)的性能略有不同，但經(jīng)過長期跑合后性能趨于一致，可以認為研制的動壓軸承具有良好互換性。

圖8 互換性測試的溫度曲線Fig.8 Temperature curve of compatibility test

3.5 動壓軸承與傳統(tǒng)軸承的比較試驗

在相同試驗裝置下，通過改變轉(zhuǎn)子兩端支承方式，比較傳統(tǒng)滾動軸承（FAG 71902）與動壓軸承的性能差異。

3.5.1 振動比較

對電動機運行時的徑向軸承座機殼最外處安裝加速度傳感器進行振動檢測，結(jié)果如圖9所示。由圖可知，在幾乎相同的不平衡精度下，滾動軸承支承的測試平臺的振動是同轉(zhuǎn)速下動壓軸承的3

圖9 機殼振動比較Fig.9 Vibration of shell

倍以上。這是因為滾動軸承為硬支承，軸頸轉(zhuǎn)動時的不平衡量與電磁力沖擊會直接通過固體傳遞到支座上；動壓軸承為軟支承，波箔結(jié)構(gòu)與空氣膜能夠緩沖來自軸頸的振動沖擊，因此，同樣條件下，動壓軸承支承系統(tǒng)的振動比滾動軸承支承系統(tǒng)的振動小得多。

不同轉(zhuǎn)速下2種軸承的最大振幅如圖10所示。由圖可知，低速（9 000 r／min以下）時2種軸承的振動都很??；高速時，動壓軸承支承的振動明顯較低，這體現(xiàn)了動壓軸承在高速應(yīng)用中的優(yōu)勢。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的振動比較Fig.10 Comparison of vibration under different rotating speed

3.5.2 空氣噪聲比較

不同轉(zhuǎn)速下2種軸承的噪聲如圖11所示。由圖可知，在相同轉(zhuǎn)速下，由動壓軸承支承的試驗平臺比滾動軸承支承的試驗平臺噪聲低；隨著轉(zhuǎn)速的增加，動壓軸承支承的試驗平臺噪聲增加緩慢，而滾動軸承支承的試驗平臺噪聲增加迅速。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的噪聲比較Fig.12 Noise comparison under different rotating speed

3.5.3 壽命比較

滾動軸承在經(jīng)歷5 000次啟停后性能明顯下降而必須更換，表現(xiàn)為異常噪聲和潤滑油脂變質(zhì)；而動壓軸承在104次啟停后性能基本不變，甚至較首次啟停的啟動力矩更小，起飛轉(zhuǎn)速更低，溫升更小。另外，滾動軸承無法實現(xiàn)長時間運行，而動壓軸承連續(xù)運行數(shù)十小時還沒有失效，由此證明動壓軸承在使用壽命上遠遠超過傳統(tǒng)的滾動軸承。

4 結(jié)束語

采用工程試驗的方法，測試了動壓軸承的啟停壽命、運行穩(wěn)定性、溫升特性、軸承互換性等性能指標。結(jié)果表明：研制的動壓軸承具有104次以上的啟停壽命，在高速下運行穩(wěn)定，且溫升在接受范圍之內(nèi)，具有很好的互換性，與傳統(tǒng)軸承相比，還具有良好的減振、降噪和長壽命等特性。但是，長時間的工程可靠性試驗還有待做進一步的研究。