氣體動壓箔片徑向軸承工程應用試驗研究

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，除了廣泛應用于軍工領域，近年來逐步應用于高速旋轉機械，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定性高、環境污染少、耐高溫和工作轉速高等優良特點［3］。

我國對空氣動壓軸承的相關理論研究早已開展，文獻［4］在多年研究的基礎上提出了一種新型結構的向心平箔型箔片軸承，并將其應用在150 m3／h制氧機用低溫透平膨脹機上，轉速達到14.8×104r／min，轉子質量為 891 g。文獻［5］引入柔性箔片的動靜變形，將軸承動態剛度和動態阻尼的計算歸結為對動態Reynolds方程和柔性支承結構動態彈性變形方程聯立求解，在線性范圍內為波箔型軸承支承的轉子系統動力學分析提供了一種方法。文獻［6］發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節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，在實際應用中將箔片軸承的潤滑劑改用黏度較低的油，且轉子重量較輕，約1 kg左右。國內的研究主要集中在理論研究方面，且大多數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，多數試驗負載均不足1 kg，對于重載下箔片軸承的各項規律尚有待探索；對箔片軸承各種性能規律的研究不夠豐富和深入，箔片軸承的設計、制造經驗和各項性能的試驗規律儲備比較匱乏；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，限制了對其工程應用的探索。

為此，針對特定結構的動壓箔片軸承，通過大量工程試驗，研究其性能參數，并將其應用于實際的工程產品中。

1 試驗平臺的構建

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

圖1 試驗平臺系統Fig.1 Experimental system

系統主機裝置采用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的高速電動機轉子，其他主要參數見表1。

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

驅動系統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，轉速30 000 r／min，采用高速變頻器直接控制電動機轉速。空氣動壓軸承起飛前存在嚴重摩擦與碰撞，使得阻力矩較大且不穩定，因此在啟動階段采用開環控制，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，可在短期內獲得高轉速。雖然大電流會帶來較大的發熱量，但由于提速很快，發熱量不會過度積累。當實現啟動且轉速達到一定值后，控制器開始采集位置信號，從而實現閉環控制，此時驅動電流最小化，實現節能并降低電動機發熱量。

為深入了解箔片動壓軸承的實際動態性能，開發全動壓支承原型裝置測試系統。該測試系統（圖2）實現了原型裝置的電力、溫度、轉速、力矩、振動與位置共6類、15路信號的大數據量、多數據類型的同步采集。同時該系統很好地克服了工作環境的強電磁干擾問題，確保了數據采集的穩定可靠。

圖2 測試系統示意圖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，設計轉速為30 000 r／min，軸承理論計算起飛轉速約為4 000 r／min，結構參數見表2。

表2 動壓軸承結構參數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啟停壽命測試，轉子在30 s內由靜止加速至設定轉速15 000 r／min，穩定運行10 s后，在10 s內降速至0，間歇5 s，重復啟停電動機，直至啟停次數達到104次或軸承發生失效，整個過程由程序自動控制。

試驗成功實現了104次啟停，中途軸承未發生失效。104次啟停后卸下動壓軸承觀察發現，具有固體潤滑膜的平箔表面出現磨損（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良好。另外，對嚴重磨損區的材料厚度損失進行測量，發現厚度損失不超過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

啟停測試中發現，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惡化反而逐漸優異，表現在起飛轉速略微降低，軸承溫升降低。這是因為隨著啟停次數的增多，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、運行更穩定、摩擦更小。

3.2 軸承運行穩定性試驗

對軸承運行過程中的軸心軌跡變化進行分析，轉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律基本一致，這表明此時已經形成有效的動壓氣膜。隨著轉速的增加，軸心軌跡在9 300 r／min附近出現略微發散，發散趨勢并不明顯，即使在20 620 r／min時，軸心軌跡發散情況也得到很好地抑制，證明整體運行是穩定的。

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），穩定運行60 min后軸承溫度測試結果如圖7所示。由圖可知，最高溫度（124℃）出現在動壓軸承區域，而止推軸承溫度較低。這是因為動壓軸承承受全部載荷（轉子重力12.5 kg），而止推軸承承載很小（理論上不承載）。按主軸材料的熱膨脹系數為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據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試驗，驗證其互換性。軸承名義間隙為0.25 mm，試驗轉速為20 000 r／min，互換性測試的溫度曲線如圖8所示。由圖可知，3套動壓軸承均實現了動壓起飛和穩定運行，雖然其在運行初期表現的性能略有不同，但經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 動壓軸承與傳統軸承的比較試驗

在相同試驗裝置下，通過改變轉子兩端支承方式，比較傳統滾動軸承（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，波箔結構與空氣膜能夠緩沖來自軸頸的振動沖擊，因此，同樣條件下，動壓軸承支承系統的振動比滾動軸承支承系統的振動小得多。

不同轉速下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種軸承的振動都很小；高速時，動壓軸承支承的振動明顯較低，這體現了動壓軸承在高速應用中的優勢。

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

3.5.2 空氣噪聲比較

不同轉速下2種軸承的噪聲如圖11所示。由圖可知，在相同轉速下，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

滾動軸承在經歷5 000次啟停后性能明顯下降而必須更換，表現為異常噪聲和潤滑油脂變質；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，起飛轉速更低，溫升更小。另外，滾動軸承無法實現長時間運行，而動壓軸承連續運行數十小時還沒有失效，由此證明動壓軸承在使用壽命上遠遠超過傳統的滾動軸承。

4 結束語

采用工程試驗的方法，測試了動壓軸承的啟停壽命、運行穩定性、溫升特性、軸承互換性等性能指標。結果表明：研制的動壓軸承具有104次以上的啟停壽命，在高速下運行穩定，且溫升在接受范圍之內，具有很好的互換性，與傳統軸承相比，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。