徑向氣體箔片軸承高速重載測(cè)試及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

馮凱　黃明　李成勤　呂鵬　伍奕樺　李乃宇　劉萬(wàn)輝

摘? ?要：設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)一種三瓣式氣體箔片軸承進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究. 測(cè)得該氣體箔片軸承起飛轉(zhuǎn)速和起飛轉(zhuǎn)矩均隨載荷增大而升高. 分別在轉(zhuǎn)速為30 000、40 000、50 000、60 000 r/min時(shí)采用溫度監(jiān)測(cè)法對(duì)該種氣體箔片軸承進(jìn)行承載能力測(cè)試，測(cè)得該氣體箔片軸承在不同轉(zhuǎn)速下的極限承載能力分別為380 、535 、700 和810 N. 實(shí)驗(yàn)期間，在70 000 r/min時(shí)對(duì)雙波箔氣體箔片軸承進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，并在51 000 r/min時(shí)實(shí)現(xiàn)1 020 N加載，驗(yàn)證了高速重載氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建成功.

關(guān)鍵詞：高速重載;徑向氣體箔片軸承;起飛轉(zhuǎn)速;起飛轉(zhuǎn)矩;承載能力

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133.35 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)械在冶金、航空和石化等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，常見(jiàn)的渦輪機(jī)械包括：微型燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)空氣循環(huán)機(jī)、渦輪增壓器等[1-3]. 渦輪機(jī)械的功率密度和效率隨著轉(zhuǎn)速的升高而顯著增加，這促使渦輪機(jī)械朝著高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展[4]. 隨著渦輪機(jī)械轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子的線速度以及軸承的DN值也在增加，現(xiàn)有的滾動(dòng)軸承和普通滑動(dòng)軸承已經(jīng)很難滿足設(shè)計(jì)要求. 在高速、高溫渦輪機(jī)械領(lǐng)域，國(guó)外研究者通常采用氣體箔片軸承來(lái)支撐轉(zhuǎn)子，并取得了不錯(cuò)的成就. 氣體箔片軸承由頂箔，波箔及軸承套三部分組成，當(dāng)具有一定偏心的軸旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后，由于氣體的動(dòng)壓效應(yīng)，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(zhuǎn)子. 氣體箔片軸承以空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，氣體箔片軸承具有質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速高、無(wú)需潤(rùn)滑油、耐高溫等特點(diǎn)[5]. 目前氣體箔片軸承已經(jīng)成功應(yīng)用于高速電機(jī)、渦輪增壓器、微型燃?xì)廨啓C(jī)和車(chē)用燃料電池空壓機(jī)等領(lǐng)域[6-8]. 劉江[9]設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min的徑向氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，為氣體箔片軸承高轉(zhuǎn)速的研究工作奠定了基礎(chǔ). 楊利花等[10]搭建一個(gè)徑向軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并采用摩擦力矩法和徑向位移響應(yīng)頻譜法測(cè)試軸承的起飛轉(zhuǎn)速. 馮凱等[11]在低于20 000 r/min的工況下，對(duì)軸承溫升隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行了研究. 由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)能力的限制，之前相關(guān)研究均未在高轉(zhuǎn)速下對(duì)氣體軸承進(jìn)行重載荷實(shí)驗(yàn).

本文詳細(xì)闡述高速重載氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及其搭建過(guò)程. 基于搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究氣體箔片軸承起飛轉(zhuǎn)速和起飛轉(zhuǎn)矩隨載荷的變化情況，進(jìn)一步研究氣體箔片軸承極限承載能力隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，為氣體箔片軸承產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ).

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(dòng)壓軸承. 其工作原理是基于動(dòng)壓效應(yīng)，如圖1所示. 在轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)下，軸承周?chē)臍怏w將被吸入到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行工作. 早在1983年，Heshmat等[12]提出柔性系數(shù)法來(lái)計(jì)算箔片軸承的箔片剛度. 經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展后，氣體箔片軸承的結(jié)構(gòu)型式在不斷地演變，出現(xiàn)了其他不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式的氣體箔片軸承，目前使用最多和最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是波箔型氣體箔片軸承，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是由一層或者多層頂箔和拱形狀的波箔構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2所示，軸承的頂箔和波箔結(jié)構(gòu)組合在一起為軸承提供彈性支承，同時(shí)還為軸承提供一定的阻尼.

本次實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(rùn)滑涂層，以減小啟停過(guò)程中干摩時(shí)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

2? ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)原理

設(shè)計(jì)、搭建的徑向氣體箔片軸承性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示. 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子及其支座、加載裝置以及測(cè)試軸承.

2.1? ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子兩端使用兩個(gè)背靠背放置的角接觸球軸承支撐. 球軸承采用油氣潤(rùn)滑，壓氣機(jī)提供的壓縮氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾裝置和干燥裝置后進(jìn)入油氣潤(rùn)滑裝置，將潤(rùn)滑油輸送至滾動(dòng)軸承，防止?jié)L珠在高速旋轉(zhuǎn)下失效損壞，提高滾動(dòng)軸承使用壽命. 轉(zhuǎn)子通過(guò)柔性聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相聯(lián)接. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)0 ～

70 000 r/min的任意穩(wěn)定轉(zhuǎn)速輸出. 被測(cè)軸承安裝在轉(zhuǎn)子的中間部位，通過(guò)拉力鋼絲繩與氣缸相連. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，在PC操作面板調(diào)節(jié)比例閥的輸入值控制氣缸拉力，實(shí)現(xiàn)氣缸從0～1 000 N輸出任意拉力值. 在被測(cè)徑向氣體箔片軸承上安裝測(cè)力矩桿，通過(guò)力傳感器乘以力矩桿長(zhǎng)度的方法得到氣體軸承摩擦力矩. 在軸承套上開(kāi)一小孔，使熱電偶靠近軸承套內(nèi)壁，通過(guò)熱電偶傳感器獲取軸承溫度信息，監(jiān)測(cè)軸承溫升是否異常.

2.2? ?數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)被測(cè)參數(shù)包括：氣體箔片軸承摩擦力矩、氣體箔片軸承溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、氣體箔片軸承載荷以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)殼體振動(dòng). 實(shí)驗(yàn)前對(duì)各傳感器進(jìn)行標(biāo)定. 通過(guò)NI數(shù)據(jù)采集卡PXIe-6363和熱電偶采集模塊PXIe-4353獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.3? ?測(cè)試原理

通過(guò)摩擦力矩法測(cè)試徑向氣體箔片軸承的起飛轉(zhuǎn)速，其原理為：初始階段，轉(zhuǎn)子與軸承之間為干摩擦，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)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(shí)軸承摩擦力矩突然變小，該瞬間的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為氣體軸承的起飛轉(zhuǎn)速. 考慮到本次實(shí)驗(yàn)期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)60 000 r/min、軸承載荷大于700 N，在進(jìn)行極限載荷實(shí)驗(yàn)時(shí)采用直接破壞軸承的方式會(huì)對(duì)操作人員帶來(lái)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(shí)的氣缸拉力為軸承的極限承載能力.

3? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1? ?軸承起飛轉(zhuǎn)速

氣體箔片軸承起飛前，轉(zhuǎn)子與軸承頂箔處于干摩狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值時(shí)，轉(zhuǎn)子與頂箔之間的楔形氣膜支撐起轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子與頂箔分離. 由于弱電信號(hào)一般有波動(dòng)，導(dǎo)致控制氣缸加載的比例閥輸出值跳動(dòng)，加載力不穩(wěn)定. 為了更好地模擬轉(zhuǎn)子自重，實(shí)驗(yàn)期間采用懸掛砝碼的方式對(duì)氣體箔片軸承進(jìn)行加載. 圖4為帶載210 N時(shí)軸承起飛實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，從中可以得出該三瓣式氣體箔片軸承負(fù)載210 N起飛時(shí)，起飛轉(zhuǎn)速約為17 600 r/min，起飛轉(zhuǎn)矩約為0.075 N·m，起飛時(shí)最大摩擦力矩約為1.233 N·m. 圖5為不同初始載荷下測(cè)得的該三瓣式氣體箔片軸承起飛轉(zhuǎn)速、起飛轉(zhuǎn)矩以及最大摩擦力矩. 測(cè)試結(jié)果表明，軸承起飛轉(zhuǎn)速與軸承載荷成正相關(guān);起飛轉(zhuǎn)矩與軸承載荷近似于線性關(guān)系;起飛過(guò)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(guān)鍵參數(shù). 此前相關(guān)研究受到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的限制，通常在30 000 r/min以下測(cè)量軸承的承載能力，然后通過(guò)低轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)估高轉(zhuǎn)速時(shí)軸承承載能力. 但是由于氣體箔片軸承在高速重載時(shí)的復(fù)雜性，這種預(yù)估方法往往是不可靠的. 本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速能達(dá)到70 000 r/min，可以在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行氣體軸承的加載實(shí)驗(yàn). 鑒于轉(zhuǎn)速超過(guò)64 000 r/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)維持低振動(dòng)的時(shí)間過(guò)短，不足以進(jìn)行數(shù)小時(shí)的極限加載實(shí)驗(yàn)，因此，本文最高在60 000 r/min下進(jìn)行極限加載實(shí)驗(yàn).

考慮到實(shí)驗(yàn)期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達(dá)60 000 r/min、軸承載荷大于800 N，采用直接破壞軸承的方式會(huì)對(duì)操作人員帶來(lái)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(shí)的加載力為軸承的極限承載能力. 由圖6可得：當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為380 N;當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為535 N;當(dāng)轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為700 N;當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為810 N. 氣體箔片軸承承載能力隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加.

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

3.3? ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)極限加載實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)是否成功，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行

1 000 N極限加載實(shí)驗(yàn). 本次加載實(shí)驗(yàn)采用承載能力更大的雙波箔氣體箔片軸承. 電機(jī)啟動(dòng)之前，通過(guò)氣缸給軸承施加120 N的拉力，然后啟動(dòng)電機(jī)，緩慢增大軸承載荷至1 020 N. 圖8為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠達(dá)到加載大于1 000 N的設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建成功. 圖9為實(shí)驗(yàn)后軸承照片.

4? ?結(jié)? ?論

成功設(shè)計(jì)并搭建高速、重載徑向氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成1 000 N加載實(shí)驗(yàn). 分別采用摩擦力矩法和軸承溫度法對(duì)徑向氣體箔片軸承的起飛過(guò)程和極限承載能力進(jìn)行測(cè)試，利用力傳感器、熱電偶、光電傳感器和便攜式測(cè)振儀對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 通過(guò)軸承起飛實(shí)驗(yàn)和極限加載實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）隨著載荷增加，氣體箔片軸承的起飛轉(zhuǎn)速升高.

2）隨著載荷增加，氣體箔片軸承的起飛轉(zhuǎn)矩升高.

3）隨著載荷增加，氣體箔片軸承起飛過(guò)程中的最大摩擦力矩增大.

4）隨著轉(zhuǎn)速升高，氣體箔片軸承的極限承載能力增大.

5）在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下完成軸承加載實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行1 000 N加載. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高速重載實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建成功.

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