波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速試驗(yàn)研究

劉江，杜發(fā)榮

(北京航空航天大學(xué) a.交通科學(xué)與工程學(xué)院；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191)

小型化、高速化是近年旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)之一[1]，隨著轉(zhuǎn)速不斷提高，對(duì)支承轉(zhuǎn)子的軸承提出了越來越高的要求。波箔空氣軸承是一種新型彈性支承動(dòng)壓氣體軸承，可很好地滿足超高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的要求。波箔空氣軸承出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末[2-3]，隨著研究工作的深入，波箔徑向空氣軸承的性能不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、電腦硬盤、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)和飛機(jī)空氣循環(huán)機(jī)中都能發(fā)現(xiàn)其身影[4-6]。

波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速是一項(xiàng)重要性能參數(shù)。文獻(xiàn)[7]對(duì)多片式波箔徑向空氣軸承進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了起飛轉(zhuǎn)速的測(cè)定方法，但是試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速較低，不能精確測(cè)量起飛轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[8]對(duì)單片式波箔徑向空氣軸承阻力矩及起飛轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)研究，給出了起飛轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，但是測(cè)量范圍較窄，不能全面反映起飛轉(zhuǎn)速特性。并且上述研究都沒有給出軸承各參數(shù)與起飛轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

下文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)一系列單片式波箔徑向空氣軸承進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了軸承進(jìn)入完全懸浮狀態(tài)時(shí)起飛轉(zhuǎn)速的測(cè)定方法，并且明確了軸承各參數(shù)對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響。

1 波箔徑向空氣軸承

波箔徑向空氣軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要由軸承外殼、波箔和平箔組成。波箔和平箔組成軸承的彈性支承結(jié)構(gòu)，波箔與平箔在同一端固定在軸承外殼上，另一端處于自由狀態(tài)。

圖1 波箔徑向空氣軸承結(jié)構(gòu)

為了試驗(yàn)分析波箔徑向空氣軸承各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響，設(shè)計(jì)并制造了6套外形尺寸完全相同(直徑32 mm，寬度48 mm)，配置不同彈性支承結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)軸承。所有試驗(yàn)軸承的彈性支承結(jié)構(gòu)由3種不同參數(shù)的波箔和2種厚度分別為0.1和0.12 mm的平箔組合而成。所有箔片均使用Inconel X750高溫合金鋼制作而成。為了使波箔和平箔在高溫下也能具有足夠的彈性，必須對(duì)箔片進(jìn)行熱處理。采用的方法是將箔片在650 ℃恒溫爐中加熱4 h后在空氣中冷卻至室溫，此方法處理的箔片可在370 ℃內(nèi)保持彈性。為了準(zhǔn)確測(cè)量波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速，所有試驗(yàn)軸承與轉(zhuǎn)軸之間的名義半徑間隙控制在45 μm以內(nèi)。

波箔結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義如圖2所示。3種波箔的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。最終制作完成的6套試驗(yàn)軸承的箔片配置情況見表2。

圖2 波箔結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表1 波箔參數(shù)

表2 試驗(yàn)軸承箔片配置

2 波箔徑向空氣軸承試驗(yàn)臺(tái)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

波箔徑向空氣軸承試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸固定，軸承在轉(zhuǎn)軸上懸浮工作，如圖3所示。整個(gè)試驗(yàn)裝置布置在一個(gè)800 mm×800 mm的鑄鐵平臺(tái)上，如圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)可在不影響軸承正常工作的情況下對(duì)軸承施加載荷并測(cè)量軸承阻力矩及位移。試驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)120MD60Y6電主軸驅(qū)動(dòng)，最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min。試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸使用螺紋固定在電主軸的連接端。

圖3 波箔徑向空氣軸承試驗(yàn)臺(tái)原理圖

圖4 波箔徑向空氣軸承試驗(yàn)臺(tái)

關(guān)于波箔徑向空氣軸承試驗(yàn)臺(tái)的詳細(xì)內(nèi)容見文獻(xiàn)[9]。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)

波箔徑向空氣軸承試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的與本研究相關(guān)的物理量包括轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速及軸承阻力矩。

試驗(yàn)臺(tái)采用量程為0.5 mm的電渦流位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。傳感器安裝在電主軸的輸出軸處，如圖5所示，由于輸出軸上有2個(gè)用于扳手?jǐn)Q緊的平臺(tái)，隨著轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，傳感器與轉(zhuǎn)軸之間的距離發(fā)生周期性變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得周期信號(hào)的頻率后便可精確測(cè)量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。

圖5 轉(zhuǎn)速傳感器的安裝及轉(zhuǎn)速信號(hào)

試驗(yàn)臺(tái)對(duì)軸承阻力矩的測(cè)量是通過一個(gè)固定在軸承座上的測(cè)量桿，將軸承阻力矩的測(cè)量轉(zhuǎn)化成拉力的測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示。通過BK-2測(cè)力傳感器對(duì)測(cè)量鋼索中拉力的變化進(jìn)行測(cè)量。將拉力數(shù)據(jù)與測(cè)量力臂長度相乘便可得到軸承阻力矩。

圖6 阻力矩測(cè)量機(jī)構(gòu)

3 起飛轉(zhuǎn)速的測(cè)定方法

通過分析波箔徑向空氣軸承在啟動(dòng)過程中的阻力矩確定其起飛轉(zhuǎn)速。為了準(zhǔn)確測(cè)定起飛轉(zhuǎn)速，特在試驗(yàn)過程中延長了加速時(shí)間。1#軸承啟動(dòng)及停車過程轉(zhuǎn)速與阻力曲線如圖7所示。轉(zhuǎn)軸開始旋轉(zhuǎn)的瞬間阻力達(dá)到最大值，隨著轉(zhuǎn)速的上升，軸承阻力逐漸下降。當(dāng)轉(zhuǎn)軸達(dá)到某一轉(zhuǎn)速后，軸承阻力達(dá)到穩(wěn)定值，不隨轉(zhuǎn)速而變化。文中定義軸承阻力達(dá)到穩(wěn)定值那一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速為起飛轉(zhuǎn)速(使用同樣方法可同時(shí)測(cè)定停車接觸轉(zhuǎn)速)。此方法測(cè)定的起飛轉(zhuǎn)速為軸承形成穩(wěn)定氣膜，完全進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)速，對(duì)波箔徑向空氣軸承的實(shí)際應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。

圖7 1#軸承啟動(dòng)及停車過程轉(zhuǎn)速與阻力

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 軸承載荷對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響

以5#軸承為例，軸承載荷與起飛轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，如圖8所示。軸承載荷每增加10 N，起飛轉(zhuǎn)速相應(yīng)上升10%左右。軸承載荷與停車接觸轉(zhuǎn)速之間同樣符合線性規(guī)律，并且由于軸承停車時(shí)的溫度高于啟動(dòng)時(shí)的溫度，軸承內(nèi)的間隙由于轉(zhuǎn)軸的熱膨脹而減小，所以停車接觸轉(zhuǎn)速比同載荷的起飛轉(zhuǎn)速平均高出2 000 r/min左右。

圖8 5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速及停車接觸轉(zhuǎn)速

4.2 波箔凸起寬度對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響

分別配置1#～3#波箔的1#～6#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速如圖9所示。隨著波箔凸起寬度的增大，軸承彈性支承結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，造成起飛轉(zhuǎn)速逐漸升高。并且起飛轉(zhuǎn)速的增幅隨波箔凸起寬度的增大而增大，配置1#波箔的1#和4#軸承比配置2#波箔的2#和5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速提高了5 000 r/min左右，而配置3#波箔的3#和6#軸承比2#和5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速提高了10 000 r/min左右。

圖9 1#～6#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速

4.3 平箔厚度對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響

采用厚度為0.1 mm平箔的1#～3#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速高于采用厚度為0.12 mm平箔的4#～6#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速，如圖9所示。此結(jié)果與波箔凸起寬度對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響分析相符合，即具有更高支承剛度的軸承在相同載荷條件下具有更低的起飛轉(zhuǎn)速。由圖9還可知，1#和4#軸承的起飛轉(zhuǎn)速比較接近，因此對(duì)于波箔凸起寬度較大的軸承，平箔厚度對(duì)起飛轉(zhuǎn)速的影響更大。

4.4 試驗(yàn)誤差分析

由1#～6#軸承的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，1#，2#，4#和5#軸承各載荷起飛轉(zhuǎn)速呈較好的線性規(guī)律，而3#和6#軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。這是由于6套軸承采用單件試制造的方法制作，受制作條件所限且工藝經(jīng)驗(yàn)不足，從波箔的成形到軸承的組裝過程中的誤差控制有所欠缺，所以造成軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。然而試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)正確，仍可反映波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速特性。

5 結(jié)論

(1)波箔徑向空氣軸承載荷與起飛轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，起飛轉(zhuǎn)速隨載荷的增大而升高。

(2)波箔徑向空氣軸承停車接觸轉(zhuǎn)速比同載荷的起飛轉(zhuǎn)速平均高出2 000 r/min左右。

(3)波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速隨波箔凸起寬度的增大而升高，并且增幅逐漸變大。

(4)波箔徑向空氣軸承起飛轉(zhuǎn)速隨平箔厚度的增大而降低，并且波箔凸起寬度較大則起飛轉(zhuǎn)速降幅較大。