氣體動(dòng)壓箔片徑向軸承工程應(yīng)用試驗(yàn)研究

徐剛，舒行軍，鄭越青，藍(lán)河

（中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

空氣動(dòng)壓軸承是一種無(wú)油支承技術(shù)，除了廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，近年來(lái)逐步應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如高速離心風(fēng)機(jī)、渦輪膨脹機(jī)［1］和微小型渦輪機(jī)械［2］。相比于油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，空氣動(dòng)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(diǎn)［3］。

我國(guó)對(duì)空氣動(dòng)壓軸承的相關(guān)理論研究早已開(kāi)展，文獻(xiàn)［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(jī)用低溫透平膨脹機(jī)上，轉(zhuǎn)速達(dá)到14.8×104r／min，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為 891 g。文獻(xiàn)［5］引入柔性箔片的動(dòng)靜變形，將軸承動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼的計(jì)算歸結(jié)為對(duì)動(dòng)態(tài)Reynolds方程和柔性支承結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析提供了一種方法。文獻(xiàn)［6］發(fā)明了一種箔片軸承耐高溫納米復(fù)合潤(rùn)滑表面涂層材料，并申請(qǐng)了專利，在進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，該涂層在室溫至350℃時(shí)，磨損量比現(xiàn)有的PS304涂層降低30%，而在350～650℃時(shí)，磨損量降低20%，不過(guò)其工程應(yīng)用情況尚未得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)［7-8］申請(qǐng)了2個(gè)箔片軸承的專利，通過(guò)對(duì)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(guò)由于對(duì)箔片及表面鍍層的材料和工藝沒(méi)有得到有效突破，在實(shí)際應(yīng)用中將箔片軸承的潤(rùn)滑劑改用黏度較低的油，且轉(zhuǎn)子重量較輕，約1 kg左右。國(guó)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(jiǎn)化成多個(gè)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(shí)際狀態(tài)存在較大差別，勢(shì)必影響分析精度。試驗(yàn)驗(yàn)證主要為常溫小負(fù)載情況，多數(shù)試驗(yàn)負(fù)載均不足1 kg，對(duì)于重載下箔片軸承的各項(xiàng)規(guī)律尚有待探索；對(duì)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(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)和各項(xiàng)性能的試驗(yàn)規(guī)律儲(chǔ)備比較匱乏；對(duì)箔片軸承表面鍍層的材料和工藝沒(méi)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(duì)其工程應(yīng)用的探索。

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

1 試驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

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

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

系統(tǒng)主機(jī)裝置采用2套空氣動(dòng)壓軸承和2套止推空氣動(dòng)壓軸承支承1根重量達(dá)12.5 kg的高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，其他主要參數(shù)見(jiàn)表1。

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

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用自行研制的高速永磁電動(dòng)機(jī)直連方式，電動(dòng)機(jī)功率75 kW，轉(zhuǎn)速30 000 r／min，采用高速變頻器直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。空氣動(dòng)壓軸承起飛前存在嚴(yán)重摩擦與碰撞，使得阻力矩較大且不穩(wěn)定，因此在啟動(dòng)階段采用開(kāi)環(huán)控制，短期輸入極大電流，強(qiáng)制拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(huì)帶來(lái)較大的發(fā)熱量，但由于提速很快，發(fā)熱量不會(huì)過(guò)度積累。當(dāng)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，控制器開(kāi)始采集位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流最小化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并降低電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量。

為深入了解箔片動(dòng)壓軸承的實(shí)際動(dòng)態(tài)性能，開(kāi)發(fā)全動(dòng)壓支承原型裝置測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)（圖2）實(shí)現(xiàn)了原型裝置的電力、溫度、轉(zhuǎn)速、力矩、振動(dòng)與位置共6類、15路信號(hào)的大數(shù)據(jù)量、多數(shù)據(jù)類型的同步采集。同時(shí)該系統(tǒng)很好地克服了工作環(huán)境的強(qiáng)電磁干擾問(wèn)題，確保了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定可靠。

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

2 動(dòng)壓軸承

動(dòng)壓軸承如圖3所示，單套軸承的承載為13 kg，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為30 000 r／min，軸承理論計(jì)算起飛轉(zhuǎn)速約為4 000 r／min，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

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

圖3 動(dòng)壓軸承組件Fig.3 The air foil bearing

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 軸承啟停壽命試驗(yàn)

對(duì)一套完好的空氣動(dòng)壓軸承進(jìn)行循環(huán)啟停壽命測(cè)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(yùn)行10 s后，在10 s內(nèi)降速至0，間歇5 s，重復(fù)啟停電動(dòng)機(jī)，直至啟停次數(shù)達(dá)到104次或軸承發(fā)生失效，整個(gè)過(guò)程由程序自動(dòng)控制。

試驗(yàn)成功實(shí)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(dòng)壓軸承觀察發(fā)現(xiàn)，具有固體潤(rùn)滑膜的平箔表面出現(xiàn)磨損（圖4），露出基底金屬材料；啟動(dòng)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(rùn)滑特性，動(dòng)壓軸承的工作狀態(tài)良好。另外，對(duì)嚴(yán)重磨損區(qū)的材料厚度損失進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)厚度損失不超過(guò)20μm（＜10%），遠(yuǎn)未達(dá)到使空氣動(dòng)壓軸承失效的厚度損失（25%）。因此可以說(shuō)明，動(dòng)壓軸承循環(huán)啟停壽命在104次以上。

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

圖5 啟停次數(shù)對(duì)箔片動(dòng)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(cè)試中發(fā)現(xiàn)，與大部分軸承類似，隨著動(dòng)壓軸承的磨損，軸承性能不但不會(huì)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?yàn)殡S著啟停次數(shù)的增多，空氣動(dòng)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(diǎn)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(dòng)壓氣膜更易形成，因此使軸承起飛更容易、運(yùn)行更穩(wěn)定、摩擦更小。

3.2 軸承運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)軸承運(yùn)行過(guò)程中的軸心軌跡變化進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子升速過(guò)程軸心軌跡如圖6所示。軸承啟動(dòng)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(shí)已經(jīng)形成有效的動(dòng)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(shì)并不明顯，即使在20 620 r／min時(shí)，軸心軌跡發(fā)散情況也得到很好地抑制，證明整體運(yùn)行是穩(wěn)定的。

圖6 動(dòng)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(yàn)

采用溫度成相儀對(duì)工作狀態(tài)的軸承進(jìn)行溫度測(cè)試（此時(shí)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有采用冷卻保護(hù)措施，以便測(cè)試軸承耐溫情況），穩(wěn)定運(yùn)行60 min后軸承溫度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖可知，最高溫度（124℃）出現(xiàn)在動(dòng)壓軸承區(qū)域，而止推軸承溫度較低。這是因?yàn)閯?dòng)壓軸承承受全部載荷（轉(zhuǎn)子重力12.5 kg），而止推軸承承載很小（理論上不承載）。按主軸材料的熱膨脹系數(shù)為10-5量級(jí)計(jì)，動(dòng)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(dāng)增大軸承間隙是合理的，并且準(zhǔn)確獲得溫升數(shù)據(jù)對(duì)精確控制間隙是有益的。

圖7 軸承升溫測(cè)試Fig.7 Temperature test

3.4 軸承工程互換性試驗(yàn)

組裝3套動(dòng)壓軸承分別在相同工況下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證其互換性。軸承名義間隙為0.25 mm，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為20 000 r／min，互換性測(cè)試的溫度曲線如圖8所示。由圖可知，3套動(dòng)壓軸承均實(shí)現(xiàn)了動(dòng)壓起飛和穩(wěn)定運(yùn)行，雖然其在運(yùn)行初期表現(xiàn)的性能略有不同，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跑合后性能趨于一致，可以認(rèn)為研制的動(dòng)壓軸承具有良好互換性。

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

3.5 動(dòng)壓軸承與傳統(tǒng)軸承的比較試驗(yàn)

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

3.5.1 振動(dòng)比較

對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的徑向軸承座機(jī)殼最外處安裝加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，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(dòng)軸承支承的測(cè)試平臺(tái)的振動(dòng)是同轉(zhuǎn)速下動(dòng)壓軸承的3

圖9 機(jī)殼振動(dòng)比較Fig.9 Vibration of shell

倍以上。這是因?yàn)闈L動(dòng)軸承為硬支承，軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的不平衡量與電磁力沖擊會(huì)直接通過(guò)固體傳遞到支座上；動(dòng)壓軸承為軟支承，波箔結(jié)構(gòu)與空氣膜能夠緩沖來(lái)自軸頸的振動(dòng)沖擊，因此，同樣條件下，動(dòng)壓軸承支承系統(tǒng)的振動(dòng)比滾動(dòng)軸承支承系統(tǒng)的振動(dòng)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(shí)2種軸承的振動(dòng)都很小；高速時(shí)，動(dòng)壓軸承支承的振動(dòng)明顯較低，這體現(xiàn)了動(dòng)壓軸承在高速應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)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(dòng)壓軸承支承的試驗(yàn)平臺(tái)比滾動(dòng)軸承支承的試驗(yàn)平臺(tái)噪聲低；隨著轉(zhuǎn)速的增加，動(dòng)壓軸承支承的試驗(yàn)平臺(tái)噪聲增加緩慢，而滾動(dòng)軸承支承的試驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)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(rùn)滑油脂變質(zhì)；而動(dòng)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(dòng)力矩更小，起飛轉(zhuǎn)速更低，溫升更小。另外，滾動(dòng)軸承無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而動(dòng)壓軸承連續(xù)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)還沒(méi)有失效，由此證明動(dòng)壓軸承在使用壽命上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用工程試驗(yàn)的方法，測(cè)試了動(dòng)壓軸承的啟停壽命、運(yùn)行穩(wěn)定性、溫升特性、軸承互換性等性能指標(biāo)。結(jié)果表明：研制的動(dòng)壓軸承具有104次以上的啟停壽命，在高速下運(yùn)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(zhǎng)壽命等特性。但是，長(zhǎng)時(shí)間的工程可靠性試驗(yàn)還有待做進(jìn)一步的研究。