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摘要：箔片氣體動壓軸承是一種利用空氣作為潤滑介質(zhì)，利用箔片結(jié)構(gòu)作為彈性支撐的氣體動壓滑動軸承。箔片軸承氣動壓力產(chǎn)生的機(jī)理是比較簡單 的，在轉(zhuǎn)子和箔片內(nèi)壁面間的空氣楔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)氣動壓力，用來支撐轉(zhuǎn)子欺負(fù)并承載加給軸承的載荷。與傳統(tǒng)意義上的空氣軸承相比，其本質(zhì)區(qū)別便是采 用了有彈性的箔片作為支撐元件，工作時(shí)能夠自動吸入空氣產(chǎn)生動壓承載力，不需要額外的供壓系統(tǒng);并且箔片的變形和相互之間摩擦力的作用，還可使 軸承具有高的穩(wěn)定性和耐振動沖擊能力。

關(guān)鍵詞：軸承;箔片;氣體;動壓

1、箔片式氣體動壓軸承技術(shù)原理

箔片氣體軸承是一種利用空氣作為潤滑介質(zhì)，利用箔片結(jié)構(gòu)作為彈性?支承的氣體動壓滑動軸承。箔片軸承氣動壓力產(chǎn)生的機(jī)理是比較簡單的，當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于箔片結(jié)構(gòu)運(yùn)動時(shí)，在轉(zhuǎn)子和箔片內(nèi)壁面間的空氣楔內(nèi)產(chǎn)生一?個(gè)氣動壓力，用來支承轉(zhuǎn)子起浮并承載施加給軸承的載荷。最早的空氣軸?承是于 1969年由 Garrett AiResearch應(yīng)用于飛機(jī)空氣循環(huán)裝置的高速轉(zhuǎn)子上?的。運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，箔片軸承的性能要好于之前被廣泛應(yīng)用的滾動軸承。經(jīng)過數(shù)十年的改進(jìn)，相對于傳統(tǒng)的滾動軸承，安裝有箔片軸承的高速透平?機(jī)械的穩(wěn)定性要提高了十倍以上。使用這種透平機(jī)械的空氣制冷機(jī)（Air?Cycle Machine ）被 廣 泛 的應(yīng) 用 于 軍 用 和 民用 飛 機(jī) 的 環(huán)境控制 系 統(tǒng)?（Environmental Control System）。如圖 1 是最有代表性的懸臂式和波箔式箔?片氣體軸承。

2、箔片式氣體動壓軸承技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

箔片氣體軸承相對于傳統(tǒng)軸承有著很大的性能優(yōu)勢，是發(fā)展高轉(zhuǎn)速，復(fù)雜工況和輕型化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的迫切需要。長久以來，采用空氣潤滑原理的 氣體靜壓軸承和氣體動壓剛性表面軸承發(fā)展迅速，但兩者在簡化轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 同時(shí)也帶來了新的技術(shù)問題和應(yīng)用困難。比起傳統(tǒng)的空氣軸承，箔片氣體 軸承具有以下特點(diǎn)：

（1） 較高的承載力：一般的軸承當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時(shí)，轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)失穩(wěn)并受 到破壞。而箔片軸承由于箔片結(jié)構(gòu)的存在，轉(zhuǎn)子在最小氣膜厚度為幾微米 的情況下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速可以增加到幾十萬轉(zhuǎn)，使軸承具有較大 的承載力。

（2）較高的穩(wěn)定性：箔片結(jié)構(gòu)不僅能為軸承系統(tǒng)提供足夠的剛度和阻 尼，并且能自適應(yīng)轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形及離心力作用，從而使箔片軸承的穩(wěn) 定性要高于傳統(tǒng)的剛性表面氣體軸承。

（3） 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：由于潤滑介質(zhì)為空氣，其物性參數(shù)對溫度、輻射 等不敏感，環(huán)境中的飛塵和沙粒也不會在軸承內(nèi)部堆積，所以在高溫、低 溫、受污染或存在輻射等情況下依然能夠提供穩(wěn)定的承載力。

（4） 使用壽命長：滾動軸承在高轉(zhuǎn)速下磨損大，壽命短。箔片氣體軸 承由于使用空氣作為潤滑介質(zhì)，磨損小，壽命長。軸承的使用壽命和運(yùn)行 時(shí)間無關(guān)，只和啟停次數(shù)相關(guān)。

（5）高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行：低剛度的箔片與較之箔片軸承有更火剛度的 軸相配合，能使得軸系在第一、第二臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子振型呈剛體型。與轉(zhuǎn) 子設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速相比一、二階臨界轉(zhuǎn)速是非常低的，但第三階臨界轉(zhuǎn)速卻比設(shè) 計(jì)轉(zhuǎn)速高得多。這樣轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)足運(yùn)行區(qū)間較大，在高轉(zhuǎn)速下可以穩(wěn)記運(yùn)行。

到目前為止，對于箔片軸承的研究依然面臨三大難題：

（1）足夠的承載力;軸承的承載力是和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)的，轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)子表面和軸承內(nèi)壁面的相對速度越大，動壓效應(yīng)越強(qiáng)，則承載力越大。但是轉(zhuǎn)速的提高是要足夠的穩(wěn)定性，如果軸承穩(wěn)定性不好，轉(zhuǎn)子在提高轉(zhuǎn) 速的時(shí)候會出現(xiàn)失穩(wěn)，氣膜遭到損壞，使承載力下降。

（2）高溫下的啟停潤滑特性;箔片氣體軸承的箔片結(jié)構(gòu)會隨著溫度的?升高逐漸變軟，從而導(dǎo)致剛度降低、承載力下降。在高轉(zhuǎn)速作用下，會出?現(xiàn)在箔片表面氣體粘性的不均勻，從而導(dǎo)致表面受熱不均勻，最終出現(xiàn)受?熱過度的箔片。也就是說，隨著溫度提高的粘性會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的熱不穩(wěn)定性。

（3）可靠的、 可控的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;在箔片軸承技術(shù)的發(fā)展中，國外偏重于對軸承內(nèi)部機(jī)理的分析。包括軸承穩(wěn)定性，承載力以及結(jié)構(gòu)特?點(diǎn)的分析，并通過大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，大大推動了箔片軸承技術(shù)的發(fā)展。由于國內(nèi)的研究相對較晚，現(xiàn)在主要是在一個(gè)實(shí)驗(yàn)探索的階段，雖然對軸?承內(nèi)部的物理問題有了一定的理解，但還缺少對軸承綜合性能的把握。

3、箔片式氣體動壓軸承專利技術(shù)路線分析

3.1 對箔片式氣體動壓軸承技術(shù)的檢索主要依賴于分類號，相關(guān)的分類 號包括：

F16C27/00 專用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的彈性或或柔性軸承或軸承支撐件

F16C27/02 ·滑動接觸軸承

3.2 波箔式箔片氣體軸承發(fā)展趨勢

作為箔片軸承的特殊組成部分，箔片結(jié)構(gòu)在箔片軸承的研究和發(fā)展中 受到極大地關(guān)注，基于對箔片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化使軸承的整體性能在不斷 提高，在過去的四十年中，大致可以將箔片軸承的發(fā)展分為四個(gè)階段。

3.2.1 第一代箔片氣體軸承

第一代箔片軸承主要是波箔型和懸臂型，箔片結(jié)構(gòu)裝配時(shí)的預(yù)緊力很 小，導(dǎo)致箔片在氣膜力的作用下變形較大，承載力較低。對于波箔式軸承，頂層平箔提供軸承內(nèi)壁面，安裝在波箔片上。波箔片沿軸承內(nèi)壁面安裝，為平箔提供彈性支承，其-端固定在軸承殼體上，另一端由伸展。由于沿周 向采用相同參數(shù)的波紋單元，支承剛度沿周向存在不匹配的問題，另外邊 緣部分氣體會出現(xiàn)泄露，其承載力不高。懸臂式是采用懸臂箔片作為轉(zhuǎn)子 的支承結(jié)構(gòu)。兩種箔片結(jié)構(gòu)在軸向是沒有變化的，支承波箔沿箔片結(jié)構(gòu)對 箔片氣體軸承性能影響的分析周向的兒何尺寸具有周期性，不利于形成高 承載力的動壓氣楔，一般只應(yīng)用于高速輕載的場合。

3.2.2 第二代箔片氣體軸承

根據(jù)箔片結(jié)構(gòu)裝配的特點(diǎn)，箔片一端固定在軸頸上，一端自由。在同 定端存在緊固力，此處箔片結(jié)構(gòu)所受的靜摩擦力較大;在自由端，由于波 箔直接搭接在軸承上，所受靜摩擦力較小。從固定端到自由端由丁-所受的 摩擦力不同，必然導(dǎo)致波箔波紋處的剛度分布不均，而轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)部做 渦動，其運(yùn)動狀態(tài)受到動壓效應(yīng)的影響。如果箔片結(jié)構(gòu)剛度沿周向變化太 大，會影響動壓效應(yīng)，最終影響轉(zhuǎn)子的運(yùn)行穩(wěn)定性及軸承的承載力。所以 有必要改變箔片結(jié)構(gòu)用來減小軸承剛度沿周向的不均勻性，第二代箔片軸 承就是根據(jù)這個(gè)原理產(chǎn)生的，承載力系數(shù)可以達(dá)到 0.5N/m3Tpm。

3.2.3 第三代箔片氣體軸承

高效地將空氣控制在軸承內(nèi)是箔片軸承承載性能提高的重要手段?；?于第二代箔片氣體軸承對箔片結(jié)構(gòu)剛度的改變，第三代軸承考慮了平箔變 形對于軸承性能的影響。通過將波箔帶在軸向錯(cuò)開，改變由于軸向剛度變 化較小而導(dǎo)致的平箔變形較大，有效地防止了高壓氣體的端部泄露。第三 代箔片軸承的改進(jìn)保證了軸承在整個(gè)承載面上結(jié)構(gòu)剛度的一致性，增加了 軸承的結(jié)構(gòu)阻尼，最大限度地提高了承載力。

3.2.4 第四代箔片氣體軸承

第四代箔片氣體軸承在箔片的裝配技術(shù)上加了預(yù)緊力，同時(shí)在箔片表 面鍍上了金屬耐磨涂層。第三代軸承雖然能有效提高最小氣膜間隙內(nèi)的壓 力，但是由于箔片結(jié)構(gòu)間是搭接的狀態(tài)，在大氣膜處會有大量氣體流失，而加了預(yù)緊后，箔片結(jié)構(gòu)受到預(yù)緊力的作用而出現(xiàn)變形，可以使動壓氣膜 在全周向都減小，有效地增大了動壓效應(yīng)。但是，由于氣膜間隙減小，箔 片和轉(zhuǎn)子間的摩擦?xí)龆?，所以提高箔片表面的耐磨性是非常必要的。?以在第四代箔片軸承的發(fā)展中，出現(xiàn)了大量研究箔片表面耐磨涂層的研究成果。

4、結(jié)語

由上述專利分析可知，箔片式氣體動壓軸承的主要類型有波箔式和懸 臂式兩種結(jié)構(gòu)，其中，最早出現(xiàn)的是較為簡單的懸臂式，之后出現(xiàn)了較為?先進(jìn)的承載效率更高的波箔式氣體軸承，再之后各申請人又對這兩種類型 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合性多元化發(fā)展與完善，都是為了提高軸承的承載能力，實(shí)現(xiàn)該軸承在其應(yīng)用的系統(tǒng)中穩(wěn)定、高效的支撐高速轉(zhuǎn)軸。該技術(shù)的專利 申請還是以歐美、日本為主，這也是因?yàn)楹娇展I(yè)以及渦輪機(jī)技術(shù)的最為 主要和先進(jìn)的制造和研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)都位于歐美與日本，世界上述航空工?業(yè)和渦輪機(jī)先進(jìn)技術(shù)以及制造技術(shù)也都被這些國家所掌控，其中又以美國 的標(biāo)準(zhǔn)信號公司、老牌的 Garrent 公司與日本的 NTN 株式會社為主要申請 人代表，而中國的相關(guān)技術(shù)雖然起步較晚，但近些年得到了一個(gè)較快的發(fā) 展，涌現(xiàn)了一批以高校、科研院所和企業(yè)為主的技術(shù)研發(fā)和專利申請單位，中國申請人也應(yīng)多研究和借鑒重要申請人在該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，增強(qiáng)我國 該方面技術(shù)的競爭實(shí)力。