馮凱　黃明　李成勤　呂鵬　伍奕樺　李乃宇　劉萬輝

摘? ?要：設計了一款帶有氣缸加載裝置的高速重載徑向氣體箔片軸承實驗臺，并對一種三瓣式氣體箔片軸承進行實驗研究. 測得該氣體箔片軸承起飛轉速和起飛轉矩均隨載荷增大而升高. 分別在轉速為30 000、40 000、50 000、60 000 r/min時采用溫度監(jiān)測法對該種氣體箔片軸承進行承載能力測試，測得該氣體箔片軸承在不同轉速下的極限承載能力分別為380 、535 、700 和810 N. 實驗期間，在70 000 r/min時對雙波箔氣體箔片軸承進行加載實驗，并在51 000 r/min時實現(xiàn)1 020 N加載，驗證了高速重載氣體箔片軸承實驗臺搭建成功.

關鍵詞：高速重載;徑向氣體箔片軸承;起飛轉速;起飛轉矩;承載能力

中圖分類號：TH133.35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：A high speed and heavy load gas foil journal bearing test rig with cylinder loading device was designed and manufactured，and the three-pad gas foil journal bearing was tested. It is measured that both the lift-off speed and the lift-off torque of the bearing increase as the load increases. The bearing load capacity at the speed of 30 000，

40 000，50 000，60 000 r/min was measured by using temperature method. The test gas foil journal bearing can achieve 380，535，700，810 N respectively at these different speeds. During the test，the test rig can run up to 70 000 r/min，and 1 020 N was loaded at 51 000 r/min. The results showed that test rig was set up successfully.

Key words：high speed and heavy load;gas foil journal bearing;lift-off speed;lift-off torque;load capacity

渦輪機械在冶金、航空和石化等行業(yè)具有廣泛應用，常見的渦輪機械包括：微型燃氣輪機、航空發(fā)動機、飛機空氣循環(huán)機、渦輪增壓器等[1-3]. 渦輪機械的功率密度和效率隨著轉速的升高而顯著增加，這促使渦輪機械朝著高轉速的方向發(fā)展[4]. 隨著渦輪機械轉速的升高，轉子的線速度以及軸承的DN值也在增加，現(xiàn)有的滾動軸承和普通滑動軸承已經很難滿足設計要求. 在高速、高溫渦輪機械領域，國外研究者通常采用氣體箔片軸承來支撐轉子，并取得了不錯的成就. 氣體箔片軸承由頂箔，波箔及軸承套三部分組成，當具有一定偏心的軸旋轉起來之后，由于氣體的動壓效應，軸與軸承之間形成一層連續(xù)的具有一定壓力的氣膜，從而支承起轉子. 氣體箔片軸承以空氣作為潤滑介質，相對于傳統(tǒng)的滑動軸承和滾動軸承，氣體箔片軸承具有質量輕、體積小、轉速高、無需潤滑油、耐高溫等特點[5]. 目前氣體箔片軸承已經成功應用于高速電機、渦輪增壓器、微型燃氣輪機和車用燃料電池空壓機等領域[6-8]. 劉江[9]設計了一個轉速為60 000 r/min的徑向氣體箔片軸承實驗臺，為氣體箔片軸承高轉速的研究工作奠定了基礎. 楊利花等[10]搭建一個徑向軸承實驗臺，并采用摩擦力矩法和徑向位移響應頻譜法測試軸承的起飛轉速. 馮凱等[11]在低于20 000 r/min的工況下，對軸承溫升隨載荷和轉速的變化進行了研究. 由于實驗臺能力的限制，之前相關研究均未在高轉速下對氣體軸承進行重載荷實驗.

本文詳細闡述高速重載氣體箔片軸承實驗臺的結構及其搭建過程. 基于搭建的實驗臺研究氣體箔片軸承起飛轉速和起飛轉矩隨載荷的變化情況，進一步研究氣體箔片軸承極限承載能力隨轉速變化的關系，為氣體箔片軸承產業(yè)化奠定基礎.

1? ?徑向氣體箔片軸承

與傳統(tǒng)軸承不同的是，氣體箔片軸承是一種彈性支承的動壓軸承. 其工作原理是基于動壓效應，如圖1所示. 在轉軸的高速旋轉下，軸承周圍的氣體將被吸入到轉軸與軸承頂箔之間的楔形間隙中，從而形成氣膜壓力支承轉子系統(tǒng)進行工作. 早在1983年，Heshmat等[12]提出柔性系數(shù)法來計算箔片軸承的箔片剛度. 經過幾十年的快速發(fā)展后，氣體箔片軸承的結構型式在不斷地演變，出現(xiàn)了其他不同結構型式的箔片軸承，比如懸臂式、纏繞式、波箔型、葉片狀等[13-14]，這些結構型式的軸承在承載能力和穩(wěn)定性等方面都有所提高. 相比于其他結構型式的氣體箔片軸承，目前使用最多和最常見的結構是波箔型氣體箔片軸承，它的結構比較簡單，是由一層或者多層頂箔和拱形狀的波箔構成的，并具有良好的加工性和工作特性[15]. 波箔型氣體箔片軸承的軸承結構如圖2所示，軸承的頂箔和波箔結構組合在一起為軸承提供彈性支承，同時還為軸承提供一定的阻尼.

本次實驗所用三瓣式氣體箔片軸承由三瓣波箔，一瓣頂箔組成. 軸承箔片材料為Inconel X-750，箔片進行熱處理. 波箔厚度為0.1 mm，頂箔厚度為0.2 mm，并且在頂箔的表面噴有厚度為0.025 mm的固體潤滑涂層，以減小啟停過程中干摩時轉子與軸承頂箔接觸面間的摩擦，從而降低摩擦損耗，提高軸承壽命. 該三瓣式氣體箔片軸承結構參數(shù)如表1所示.

2? ?實驗臺設計與實驗原理

設計、搭建的徑向氣體箔片軸承性能測試實驗臺如圖3所示. 本實驗臺包括：驅動電機、聯(lián)軸器、轉子及其支座、加載裝置以及測試軸承.

2.1? ?實驗臺結構

實驗臺轉子兩端使用兩個背靠背放置的角接觸球軸承支撐. 球軸承采用油氣潤滑，壓氣機提供的壓縮氣體經過過濾裝置和干燥裝置后進入油氣潤滑裝置，將潤滑油輸送至滾動軸承，防止?jié)L珠在高速旋轉下失效損壞，提高滾動軸承使用壽命. 轉子通過柔性聯(lián)軸器與驅動電機相聯(lián)接. 驅動電機可實現(xiàn)0 ～

70 000 r/min的任意穩(wěn)定轉速輸出. 被測軸承安裝在轉子的中間部位，通過拉力鋼絲繩與氣缸相連. 實驗時，在PC操作面板調節(jié)比例閥的輸入值控制氣缸拉力，實現(xiàn)氣缸從0～1 000 N輸出任意拉力值. 在被測徑向氣體箔片軸承上安裝測力矩桿，通過力傳感器乘以力矩桿長度的方法得到氣體軸承摩擦力矩. 在軸承套上開一小孔，使熱電偶靠近軸承套內壁，通過熱電偶傳感器獲取軸承溫度信息，監(jiān)測軸承溫升是否異常.

2.2? ?數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)

實驗臺被測參數(shù)包括：氣體箔片軸承摩擦力矩、氣體箔片軸承溫度、轉子轉速、氣體箔片軸承載荷以及實驗臺殼體振動. 實驗前對各傳感器進行標定. 通過NI數(shù)據(jù)采集卡PXIe-6363和熱電偶采集模塊PXIe-4353獲取實驗數(shù)據(jù).

2.3? ?測試原理

通過摩擦力矩法測試徑向氣體箔片軸承的起飛轉速，其原理為：初始階段，轉子與軸承之間為干摩擦，隨著轉子轉速升高，轉子與軸承頂箔之間的楔形形成足以克服外界載荷的氣膜壓力，此時軸承摩擦力矩突然變小，該瞬間的轉子轉速為氣體軸承的起飛轉速. 考慮到本次實驗期間，轉子轉速超過60 000 r/min、軸承載荷大于700 N，在進行極限載荷實驗時采用直接破壞軸承的方式會對操作人員帶來安全隱患. 因此，摒棄前人慣用的摩擦力矩法，采用軸承溫度作為判斷依據(jù)，以軸承溫度突然增大時的氣缸拉力為軸承的極限承載能力.

3? ?實驗結果與分析

3.1? ?軸承起飛轉速

氣體箔片軸承起飛前，轉子與軸承頂箔處于干摩狀態(tài)，當轉子轉速達到某一值時，轉子與頂箔之間的楔形氣膜支撐起轉子，使轉子與頂箔分離. 由于弱電信號一般有波動，導致控制氣缸加載的比例閥輸出值跳動，加載力不穩(wěn)定. 為了更好地模擬轉子自重，實驗期間采用懸掛砝碼的方式對氣體箔片軸承進行加載. 圖4為帶載210 N時軸承起飛實驗的測試結果，從中可以得出該三瓣式氣體箔片軸承負載210 N起飛時，起飛轉速約為17 600 r/min，起飛轉矩約為0.075 N·m，起飛時最大摩擦力矩約為1.233 N·m. 圖5為不同初始載荷下測得的該三瓣式氣體箔片軸承起飛轉速、起飛轉矩以及最大摩擦力矩. 測試結果表明，軸承起飛轉速與軸承載荷成正相關;起飛轉矩與軸承載荷近似于線性關系;起飛過程中最大摩擦力矩隨軸承載荷的增大而線性增大.

3.2? ?軸承承載能力

承載能力是衡量軸承性能的關鍵參數(shù). 此前相關研究受到實驗臺的限制，通常在30 000 r/min以下測量軸承的承載能力，然后通過低轉速的實驗數(shù)據(jù)來預估高轉速時軸承承載能力. 但是由于氣體箔片軸承在高速重載時的復雜性，這種預估方法往往是不可靠的. 本次設計的實驗臺轉速能達到70 000 r/min，可以在高轉速下進行氣體軸承的加載實驗. 鑒于轉速超過64 000 r/min時，實驗臺維持低振動的時間過短，不足以進行數(shù)小時的極限加載實驗，因此，本文最高在60 000 r/min下進行極限加載實驗.

考慮到實驗期間，轉子轉速高達60 000 r/min、軸承載荷大于800 N，采用直接破壞軸承的方式會對操作人員帶來安全隱患. 因此，摒棄前人慣用的摩擦力矩法，采用軸承溫度作為判斷依據(jù)，以軸承溫度突然增大時的加載力為軸承的極限承載能力. 由圖6可得：當轉速為30 000 r/min時，軸承承載能力約為380 N;當轉速為40 000 r/min時，軸承承載能力約為535 N;當轉速為50 000 r/min時，軸承承載能力約為700 N;當轉速為60 000 r/min時，軸承承載能力約為810 N. 氣體箔片軸承承載能力隨著轉速的增大而增加.

隨著轉速的增大，軸承失效形式從低轉速的氣膜坍塌向高轉速的箔片磨損轉變. 圖7為該三瓣式氣體箔片軸承分別在轉速為30 000、40 000、50 000、60 000 r/min極限加載實驗后的照片.

3.3? ?實驗臺極限加載實驗

為了檢驗實驗臺設計是否成功，對實驗臺進行

1 000 N極限加載實驗. 本次加載實驗采用承載能力更大的雙波箔氣體箔片軸承. 電機啟動之前，通過氣缸給軸承施加120 N的拉力，然后啟動電機，緩慢增大軸承載荷至1 020 N. 圖8為實驗過程中測得的該雙波箔氣體箔片軸承加載力與摩擦力矩. 圖8表明，實驗臺能夠達到加載大于1 000 N的設計指標，實驗臺搭建成功. 圖9為實驗后軸承照片.

4? ?結? ?論

成功設計并搭建高速、重載徑向氣體箔片軸承實驗臺，完成1 000 N加載實驗. 分別采用摩擦力矩法和軸承溫度法對徑向氣體箔片軸承的起飛過程和極限承載能力進行測試，利用力傳感器、熱電偶、光電傳感器和便攜式測振儀對實驗臺進行實時監(jiān)測. 通過軸承起飛實驗和極限加載實驗得出如下結論：

1）隨著載荷增加，氣體箔片軸承的起飛轉速升高.

2）隨著載荷增加，氣體箔片軸承的起飛轉矩升高.

3）隨著載荷增加，氣體箔片軸承起飛過程中的最大摩擦力矩增大.

4）隨著轉速升高，氣體箔片軸承的極限承載能力增大.

5）在轉速不變的情況下，氣體箔片軸承的摩擦力矩隨著載荷的增大而增大.

6）在60 000 r/min轉速下完成軸承加載實驗，并對實驗臺進行1 000 N加載. 實驗結果表明，高速重載實驗臺搭建成功.

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