馮凱,關(guān)汗青
(1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082;2.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411104)
旋轉(zhuǎn)機(jī)械在石化、冶金、精密加工、能源、環(huán)保和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。為了滿足高功率密度和高效率的要求,旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)備小型化的同時(shí)提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。箔片氣體軸承(Gas Foil Bearings,GFBs)由箔片結(jié)構(gòu)和軸承套組成,基于軸頸與頂箔之間的楔形空間和氣體動(dòng)壓效應(yīng),通過(guò)泵將環(huán)境氣體送入楔形空間產(chǎn)生氣膜,以支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。因其潤(rùn)滑劑為低黏度的環(huán)境氣體且無(wú)需潤(rùn)滑系統(tǒng),箔片氣體軸承支承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備理論上具有超高轉(zhuǎn)速和緊湊結(jié)構(gòu)。箔片氣體軸承可以極大提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械的dn值(軸頸直徑與轉(zhuǎn)速的乘積),已廣泛應(yīng)用于空氣循環(huán)機(jī)[1-5]、無(wú)油壓縮機(jī)[6-8]、小型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)[9-10]、無(wú)機(jī)油渦輪增壓器[11-13]、微型燃?xì)廨啓C(jī)[14-16]、無(wú)燃油渦輪鼓風(fēng)機(jī)[17-19]和氫燃料電池壓縮機(jī)[20-25]。
本文回顧了箔片氣體軸承的起源、發(fā)展、應(yīng)用和研究成果,總結(jié)了箔片氣體軸承靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的力學(xué)模型的相關(guān)研究,介紹了用于高轉(zhuǎn)速工況下提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的特定軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),討論了將主動(dòng)結(jié)構(gòu)引入箔片氣體軸承并實(shí)現(xiàn)軸承性能的研究成果,為箔片氣體軸承的發(fā)展帶來(lái)新思路。
箔片氣體軸承起源于20世紀(jì)初。文獻(xiàn)[26-28]分別在1903年、1906年和1921年申請(qǐng)了不同箔片結(jié)構(gòu)的軸承專利。1953年,文獻(xiàn)[29]提出了箔片氣體軸承的概念,并詳細(xì)討論了軸承的結(jié)構(gòu)。在過(guò)去的幾十年中,研究者提出了具有不同箔片結(jié)構(gòu)的軸承:文獻(xiàn)[30]于1989年申請(qǐng)了可調(diào)張力的箔片氣體軸承專利,其軸承間隙可通過(guò)多個(gè)張緊銷和導(dǎo)向銷進(jìn)行調(diào)整,如圖1a所示;文獻(xiàn)[31]在1979年提出了附加徑向預(yù)載的葉型箔片氣體軸承,如圖1b所示;文獻(xiàn)[32]研究了由鼓泡型箔片氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子的特性,如圖1c所示,鼓泡型箔片氣體軸承由多個(gè)分布在一側(cè)的半球形鼓泡的箔片和軸承套組成;文獻(xiàn)[33-34]對(duì)鼓泡型箔片氣體軸承的性能進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[35]對(duì)鼓泡型箔片氣體軸承的庫(kù)侖阻尼作用進(jìn)行了量化分析。
(a)可調(diào)張力的箔片氣體軸承[30]1
波箔型箔片氣體軸承由頂箔、波箔和軸承套組成[36-40],具有阻尼大,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。第一代波箔型箔片氣體軸承由文獻(xiàn)[41-43]在20世紀(jì)60年代末提出,如圖2a所示,波箔被壓成波浪形并被彎曲成環(huán)形,頂箔被彎曲成環(huán)形,將兩者裝配在軸承套中,沿圓周方向一端固定,一端自由,波箔支承頂箔并構(gòu)成箔片結(jié)構(gòu)。為了提高軸承性能,文獻(xiàn)[44]提出了第二代波箔型箔片氣體軸承,波箔沿軸向被劃分為多條箔片,每條箔片的寬度可根據(jù)設(shè)備工況進(jìn)行調(diào)整,如圖2b所示。第三代波箔型箔片氣體軸承如圖2c所示,其可以添加箔片或沿徑向和軸向同時(shí)優(yōu)化波箔結(jié)構(gòu)和波箔剛度[45-46],進(jìn)而可以減小軸承起飛扭矩,提高軸承承載能力和穩(wěn)定性。
(a)第一代[42]2
4類軸承在不同轉(zhuǎn)速和不同設(shè)備功率的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用如圖3所示。由于高黏度潤(rùn)滑油對(duì)dn值的限制,滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承支承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械通常具有低轉(zhuǎn)速、大功率、大體積和低功率密度等特點(diǎn),如燃?xì)廨啓C(jī)、電主軸、螺桿式壓縮機(jī)和核電主泵等。由箔片氣體軸承支承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械通常具有高dn值和高功率密度,能夠滿足能源高效轉(zhuǎn)換的需求和節(jié)能減排的趨勢(shì)。因此,箔片氣體軸承已成為引領(lǐng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)型的最有前途的軸承選項(xiàng)之一。
圖3 4類軸承在不同轉(zhuǎn)速和功率旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用
用“箔片氣體軸承”作為搜索主題,截止至2022年7月7日,基于WEB of SCIENCE網(wǎng)站檢索的全球范圍內(nèi)箔片氣體軸承相關(guān)研究成果的數(shù)量、分布及趨勢(shì)如圖4所示,其中,與箔片氣體軸承主題相關(guān)的研究成果總數(shù)為8 765篇。由圖4中的柱狀圖可知,1962年之前幾乎沒(méi)有發(fā)表箔片氣體軸承相關(guān)的研究成果;從1962年到2007年,箔片氣體軸承相關(guān)的研究逐漸增加;從2007年至今,箔片氣體軸承相關(guān)的研究近乎呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng),迅速成為了研究熱點(diǎn)。由圖4中的餅狀圖可知,專利、期刊論文和會(huì)議論文構(gòu)成了箔片氣體軸承研究成果的主體;箔片氣體軸承相關(guān)專利的占比(76.51%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于期刊論文(15.8%),體現(xiàn)出箔片氣體軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。
圖4 基于WEB of SCIENCE網(wǎng)站檢索的箔片氣體軸承
為了提高箔片氣體軸承的性能并指導(dǎo)其設(shè)計(jì)過(guò)程,研究者提出了多種力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)軸承性能,并解釋箔片結(jié)構(gòu)變形對(duì)軸承性能的影響。由于波箔的存在以及箔片結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜相互作用,波箔型箔片氣體軸承的理論模型一直是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
文獻(xiàn)[47-48]提出一種柔度系數(shù)模型來(lái)計(jì)算波箔的剛度,該模型考慮了波箔的節(jié)距、厚度和寬度,分析了箔片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)軸承性能的影響,并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;然而,該模型假設(shè)每個(gè)波箔的剛度相同,頂箔變形完全跟隨波箔變形,忽略了波箔剛度的非線性以及受波箔變形影響的頂箔的相關(guān)變形。文獻(xiàn)[49]提出一種波箔的理論模型,該模型考慮了頂箔、波箔和軸承套三者之間的摩擦力、局部相互作用力、載荷分布輪廓和波箔形狀,可以計(jì)算不同載荷下波箔的等效摩擦因數(shù)和剛度,理論預(yù)測(cè)結(jié)果表明,固定端附近的波箔比自由端附近的波箔具有更高的剛度,更小的變形和更容易粘貼(單個(gè)波箔兩端無(wú)法滑動(dòng));為了獲得更高的軸承剛度和阻尼,建議增大箔片結(jié)構(gòu)的摩擦因數(shù)。文獻(xiàn)[50]通過(guò)試驗(yàn)記錄了不同條件下的波箔的二維變形數(shù)據(jù),進(jìn)而驗(yàn)證了理論模型的有效性;試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在載荷-變形曲線的線性區(qū)域內(nèi),試驗(yàn)與理論計(jì)算一致,指出相鄰波箔之間的間距是波箔型箔片氣體軸承最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[51-52]預(yù)測(cè)了波箔的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼系數(shù),發(fā)現(xiàn)其具有高度非線性和各向異性,并且很大程度上受載荷作用角度的影響,解釋了軸承耗散能量的來(lái)源,并對(duì)波箔非線性力學(xué)行為的機(jī)理進(jìn)行研究。
文獻(xiàn)[53]基于箔片結(jié)構(gòu)耦合氣體的動(dòng)力學(xué)直接求解方法,提出一種波箔型箔片氣體推力軸承的快速設(shè)計(jì)方法,該方法可以優(yōu)化波箔的幾何參數(shù)。文獻(xiàn)[54]改進(jìn)了柔度系數(shù)模型,并分析了波箔型箔片氣體軸承中的干摩擦作用,通過(guò)計(jì)算不同干摩擦因數(shù)消耗的能量表明優(yōu)化干摩擦因數(shù)可以改善軸承的動(dòng)態(tài)性能。
文獻(xiàn)[55]將箔片結(jié)構(gòu)視為整個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu),用一系列垂直彈簧表征沿徑向的波箔,同時(shí)用一系列水平彈簧表征沿周向的相鄰波箔的相互作用,以此表征徑向變形與周向變形的相互耦合作用,并討論了擾動(dòng)頻率、振幅和箔片結(jié)構(gòu)的摩擦因數(shù)對(duì)軸承動(dòng)態(tài)系數(shù)和能量耗散作用的影響。
文獻(xiàn)[56]使用三次多項(xiàng)式描述靜載荷試驗(yàn)中載荷與箔片結(jié)構(gòu)變形的非線性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在加載和卸載試驗(yàn)中存在一個(gè)特征性的滯后,且箔片的剛度隨徑向變形的增大而增大。文獻(xiàn)[57-58]將一維和二維頂箔的有限元模型添加到箔片結(jié)構(gòu)模型中,以此分析波箔型箔片氣體軸承的性能;與測(cè)量結(jié)果相比,二維有限元頂箔模型的預(yù)測(cè)結(jié)果高估了軸承中線處的最小氣膜厚度,低估了軸承軸向兩側(cè)邊緣處的最小氣膜厚度;一維有限元頂箔模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好,復(fù)現(xiàn)了因頂箔相關(guān)變形造成的氣膜周向波浪狀輪廓;與不考慮頂箔相關(guān)變形的模型相比,該模型考慮的兩類有限元頂箔模型預(yù)測(cè)的軸承直接剛度和阻尼系數(shù)略低。
為反映箔片結(jié)構(gòu)之間的相互作用,文獻(xiàn)[59- 60]使用多自由度系統(tǒng)描述箔片結(jié)構(gòu),該模型的每個(gè)波箔由3個(gè)彈簧單元組成,波箔剛度可根據(jù)波箔的尺寸參數(shù)和材料特性進(jìn)行調(diào)整,頂箔由多個(gè)彈簧單元組成,并考慮了箔片之間的摩擦,相鄰的2個(gè)波箔可以等效為8個(gè)彈簧單元,并結(jié)合能量法計(jì)算波箔剛度;將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與前述簡(jiǎn)化模型進(jìn)行對(duì)比,揭示了考慮箔片結(jié)構(gòu)之間的相互作用對(duì)正確預(yù)測(cè)軸承性能的重要性。文獻(xiàn)[61]簡(jiǎn)化了8個(gè)彈簧單元模型,提出使用連桿-彈簧模型計(jì)算波箔的剛度,其中,單個(gè)波箔等效于2個(gè)傾斜連桿和1個(gè)水平彈簧,同時(shí)考慮箔片結(jié)構(gòu)內(nèi)的接觸、摩擦和變形;通過(guò)受力分析和能量法計(jì)算波箔剛度,并將其集成到頂箔的有限元模型中;連桿-彈簧模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,在一定程度上驗(yàn)證了模型的有效性。文獻(xiàn)[62]基于連桿-彈簧模型提出一種箔片結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)模型,該模型考慮了箔片結(jié)構(gòu)中隨載荷變化的動(dòng)態(tài)摩擦力,使用彈性刷毛界面表示波箔與頂箔之間以及波箔與軸承套之間的接觸面,基于LUGRE模型[63]計(jì)算動(dòng)態(tài)摩擦力,可以模擬激勵(lì)頻率對(duì)箔片結(jié)構(gòu)內(nèi)部動(dòng)態(tài)摩擦力的影響。
隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅速提高,使用有限元方法表征箔片結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為已成為一種可行的手段。文獻(xiàn)[64]使用兩節(jié)點(diǎn)歐拉梁?jiǎn)卧?jì)算箔片的力學(xué)性能,并使用LUGRE模型捕捉波箔的黏滑狀態(tài),預(yù)測(cè)結(jié)果表明,波箔的黏滑狀態(tài)受摩擦因數(shù)和擾動(dòng)幅值的影響;比較了LUGRE模型和光滑摩擦模型,并強(qiáng)調(diào)了摩擦模型對(duì)準(zhǔn)確捕捉波箔黏滑狀態(tài)的重要性。文獻(xiàn)[65]提出了一種能夠表征箔片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜裝配形狀、非線性幾何輪廓和接觸摩擦的有限元模型,試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型在大范圍載荷下可用于預(yù)測(cè)不同徑向間隙和裝配方式的軸承的動(dòng)態(tài)性能。
預(yù)測(cè)箔片氣體軸承性能的力學(xué)模型匯總見(jiàn)表1。
表1 預(yù)測(cè)箔片氣體軸承性能的力學(xué)模型
箔片氣體軸承由氣膜和箔結(jié)構(gòu)共同支承軸頸,如圖5a所示。軸承的支承剛度K(軸承的支承阻尼C)由氣膜剛度KG(氣膜阻尼CG)和箔片結(jié)構(gòu)剛度KF(箔片結(jié)構(gòu)阻尼CF)串聯(lián)組成。由于氣膜與箔片結(jié)構(gòu)之間復(fù)雜的相互作用,高轉(zhuǎn)速下箔片氣體軸承的性能很難預(yù)測(cè),且難以測(cè)量。同時(shí),氣膜自身存在的動(dòng)態(tài)交叉剛度(圖5b)可能導(dǎo)致箔片氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下的次同步振動(dòng)。
針對(duì)小阻尼和非線性剛度的箔片結(jié)構(gòu)串聯(lián)連續(xù)的支承氣膜對(duì)箔片氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)帶來(lái)的劇烈的次同步振動(dòng)所引發(fā)的支承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問(wèn)題,很多學(xué)者從箔片結(jié)構(gòu)和支承氣膜兩方面入手提出了相應(yīng)的解決方案。部分學(xué)者從提高箔片結(jié)構(gòu)阻尼提出具有高阻尼特性的箔片氣體軸承結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[66-68]將金屬絲編織成網(wǎng)狀后通過(guò)模具沖壓得到環(huán)形金屬絲網(wǎng)塊,并將其放置在頂箔外側(cè)與軸承套內(nèi)側(cè)之間,裝配后獲得一種金屬絲網(wǎng)塊-箔片氣體軸承,如圖6a所示,靜態(tài)推拉試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)激振試驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)箔片氣體軸承相比,提出的金屬絲網(wǎng)塊-箔片氣體軸承能顯著提高軸承的結(jié)構(gòu)阻尼和動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù),且制造成本較低; 然而, 因?yàn)闆_壓模具的制造精度和金屬絲的回彈效應(yīng),軸承的精度難以控制, 實(shí)際的裝配間隙很難調(diào)節(jié), 從而在一定程度上限制了該結(jié)構(gòu)箔片氣體軸承的實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[69]將黏彈性箔片添加在頂箔的外側(cè)與波箔的內(nèi)側(cè)之間,裝配后獲得一種黏彈性箔片氣體軸承,如圖6b所示,針對(duì)該軸承進(jìn)行了動(dòng)態(tài)激振試驗(yàn),測(cè)量軸承的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼特性,進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)研究該軸承對(duì)支承的柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響;與傳統(tǒng)箔片氣體軸承對(duì)比,黏彈性箔片軸承在具有較大結(jié)構(gòu)阻尼的同時(shí)能有效減弱柔性轉(zhuǎn)子通過(guò)其柔性臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的同步響應(yīng)振幅并有效抑制柔性轉(zhuǎn)子在超臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的次同步響應(yīng)振動(dòng)。文獻(xiàn)[70-71]將聚合物層添加在波箔外側(cè)和軸承套內(nèi)側(cè)之間,裝配后獲得一種聚合物-箔片氣體軸承,如圖6c所示,針對(duì)該軸承進(jìn)行靜態(tài)推拉試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)激振試驗(yàn)和轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn):與傳統(tǒng)箔片氣體軸承相比,聚合物-箔片氣體軸承在靜態(tài)推拉試驗(yàn)中呈現(xiàn)更大面積的載荷-位移的滯回曲線,即具有較好的靜態(tài)結(jié)構(gòu)阻尼,在動(dòng)態(tài)激振試驗(yàn)中表現(xiàn)出更大的結(jié)構(gòu)損失因子,同時(shí)在多組降速試驗(yàn)數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出較小的次同步振動(dòng)幅值。文獻(xiàn)[72-73]使用水平橫置彈簧代替波箔結(jié)構(gòu)并耦合頂箔結(jié)構(gòu)和軸承套裝配得到一種新型嵌套壓縮彈簧-箔片氣體軸承,如圖6d所示,理論和試驗(yàn)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)軸承的剛度阻尼特性受彈簧數(shù)量和相鄰彈簧之間接觸作用的影響,與傳統(tǒng)箔片氣體軸承相比,該軸承具有較大的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)損失因子和優(yōu)越的動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)。文獻(xiàn)[74-75]將金屬絲網(wǎng)塊嵌套進(jìn)波箔結(jié)構(gòu)中,耦合頂箔結(jié)構(gòu)和軸承套裝配得到一種新型波箔-金屬絲網(wǎng)塊的箔片氣體軸承,如圖6e所示,從力學(xué)機(jī)理推導(dǎo)軸承的理論模型,同時(shí)結(jié)合靜態(tài)推拉試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)激振試驗(yàn)及轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)對(duì)軸承性能進(jìn)行詳細(xì)闡述,理論和試驗(yàn)結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)軸承比傳統(tǒng)箔片氣體軸承具有更大的阻尼和穩(wěn)定性更優(yōu),比金屬絲網(wǎng)塊-箔片氣體軸承具有較優(yōu)的支承剛度、裝配精度和更廣泛的應(yīng)用前景。
(a)箔片氣體軸承結(jié)構(gòu)示意圖 (b)軸承的動(dòng)態(tài)交叉剛度示意圖
(a)金屬絲網(wǎng)塊-箔片氣體軸承[66]2 (b)黏彈性箔片氣體軸承[69]680 (c)聚合物-箔片氣體軸承[71]3
有學(xué)者從改變支承氣膜形狀打斷支承氣膜的連續(xù)性入手,通過(guò)削弱支承氣膜的交叉剛度提高軸承的穩(wěn)定性,進(jìn)而提出具有多瓣結(jié)構(gòu)的箔片氣體軸承結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[76]研究了三瓣式的箔片氣體軸承,如圖7a所示,該軸承的波箔在周向上均勻劃分為3段并通過(guò)焊接方式將固定端固定,每瓣波箔的大小沿固定端向自由端方向逐漸增大,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣膜厚度由自由端向固定端方向逐漸增大,其波箔剛度沿自由端向固定端方向逐漸減小;這種周向的氣膜厚度分布和波箔剛度改變能有效增大每一瓣箔片上的氣體動(dòng)壓效應(yīng)和氣膜壓力,有效打斷支承氣膜的連續(xù)性,進(jìn)而提升支承轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性;通過(guò)透平驅(qū)動(dòng)三瓣式箔片氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子進(jìn)行多組不同不平衡質(zhì)量的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn),結(jié)果表明三瓣式箔片氣體軸承的穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)箔片氣體軸承,能實(shí)現(xiàn)在軸承直徑34.9 mm,最大轉(zhuǎn)速120 000 r/min的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[77]提出一種具有預(yù)載軸承套的三瓣式箔片氣體軸承,如圖7b所示,通過(guò)理論計(jì)算分析具有整周式頂箔、均勻剛度波箔和圓形軸承套,整周式頂箔、軸向變化剛度波箔和圓形軸承套,三瓣式頂箔、均勻剛度波箔和預(yù)載軸承套以及三瓣式頂箔、周向變化剛度波箔和預(yù)載軸承套等4種箔片氣體軸承的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性;計(jì)算結(jié)果表明軸向變化的波箔剛度對(duì)軸承承載能力的影響不大,三瓣式箔片結(jié)構(gòu)的軸承穩(wěn)定性明顯優(yōu)于整周式,但承載能力明顯弱于整周式。文獻(xiàn)[78]提出將金屬墊片添加在波箔外側(cè)與軸承套內(nèi)側(cè)之間,焊接頂箔固定端后獲得金屬墊片式箔片氣體軸承,如圖7c所示,金屬墊片與軸承軸向厚度一致且具有一定的周向角度;提出的軸承結(jié)構(gòu)中使用了3片周向角度選取為26°的金屬墊片,墊片的周向裝配角度分別為0°,120°和240°;通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)箔片氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,添加金屬墊片后,箔片氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速提高,次同步振動(dòng)出現(xiàn)的起始轉(zhuǎn)速提高且次同步振動(dòng)的幅值降低,轉(zhuǎn)子自由降速時(shí)間降低,金屬墊片式箔片氣體軸承能有效提升系統(tǒng)穩(wěn)定性,在低轉(zhuǎn)速區(qū)間轉(zhuǎn)子與軸承之間的摩擦損耗加劇。文獻(xiàn)[79]對(duì)添加了金屬墊片的箔片氣體軸承(圖7d)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究,在軸承結(jié)構(gòu)中使用3片與軸承軸向厚度一致且寬度為10 mm的金屬墊片,墊片的周向裝配角度分別為75°,195°和315°,通過(guò)激振器沿y方向(y方向正向周向角度為315°)施加具有一定頻率的動(dòng)態(tài)激振力,軸承同時(shí)受到x方向(x方向正向周向角度為225°)施加的靜態(tài)預(yù)載,試驗(yàn)結(jié)果表明激振頻率對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)剛度影響不大,靜態(tài)預(yù)載的增大和動(dòng)態(tài)位移的減小能產(chǎn)生更大的軸承動(dòng)態(tài)阻尼和動(dòng)態(tài)剛度,如圖7d所示,沿y軸負(fù)方向的動(dòng)態(tài)剛度隨頻率的增大緩慢增大,沿y軸正方向的動(dòng)態(tài)剛度不隨頻率的增大而改變,金屬墊片能產(chǎn)生更大的能量耗散。
(a)三瓣式箔片氣體軸承[76]150
傳統(tǒng)“被動(dòng)式”的解決方案在一定程度上能抑制箔片氣體軸承的次同步振動(dòng),然而作為一種“純被動(dòng)式軸承”,僅僅基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化所獲得的性能上的提升是極其有限的,且其在軸承性能上的“單一性”和“結(jié)構(gòu)依賴性”決定了傳統(tǒng)氣體動(dòng)壓軸承無(wú)法滿足設(shè)備在各種工況下對(duì)剛度和阻尼的要求,無(wú)法完美匹配動(dòng)態(tài)響應(yīng)復(fù)雜的軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。為了解決上述難題,有學(xué)者在箔片氣體軸承的主動(dòng)化上進(jìn)行了探索。
部分學(xué)者通過(guò)對(duì)箔片氣體軸承主動(dòng)施加外部供氣,從改變支承氣膜的潤(rùn)滑特性入手主動(dòng)改變軸承的性能。文獻(xiàn)[80-81]提出側(cè)端供氣的箔片氣體軸承結(jié)構(gòu),如圖8a所示,該軸承結(jié)構(gòu)能通過(guò)主動(dòng)控制側(cè)端供氣壓力Ps實(shí)現(xiàn)氣體動(dòng)壓軸承靜、動(dòng)態(tài)性能的主動(dòng)控制,通過(guò)建立軸承潤(rùn)滑模型對(duì)軸承靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè),通過(guò)搭建轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與外部供氣閥提供側(cè)端供氣進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn),測(cè)量軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)響應(yīng);研究結(jié)果表明,增大側(cè)端供氣壓力會(huì)減小支承氣膜的厚度,增大頂箔變形、氣膜壓力峰值和軸頸偏心;減小軸頸姿態(tài)角和軸頸運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦阻力矩;增大側(cè)端供氣壓力會(huì)增大軸承的動(dòng)態(tài)直接阻尼系數(shù)從而顯著增大軸承對(duì)軸頸振動(dòng)的抑制作用;隨著側(cè)端供氣壓力的增大,試驗(yàn)測(cè)量的次同步振動(dòng)振幅增大,次同步振動(dòng)的頻率略微增大。
有學(xué)者通過(guò)在箔片氣體軸承的外部添加可以主動(dòng)控制的磁懸浮軸承組成磁氣混合軸承,如圖8b所示,通過(guò)主動(dòng)控制磁懸浮軸承實(shí)現(xiàn)磁氣混合軸承性能的主動(dòng)改變,箔片氣體軸承在該混合軸承中被視為備用軸承:文獻(xiàn)[82]預(yù)測(cè)了箔片氣體軸承的性能,并對(duì)混合軸承的靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[83]通過(guò)搭建的磁氣混合軸承轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)磁軸承相比,磁氣混合軸承能顯著提升軸承的承載能力,且在磁軸承失效時(shí)轉(zhuǎn)子能無(wú)碰撞降速;文獻(xiàn)[84-87]推導(dǎo)磁氣混合軸承的力學(xué)模型,預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡,搭建磁氣混合軸承支承的轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)PID控制算法主動(dòng)控制磁軸承線圈的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性轉(zhuǎn)子振動(dòng)的主動(dòng)抑制;文獻(xiàn)[88-89]將磁氣混合軸承應(yīng)用于支承無(wú)油渦輪鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng),對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行升降速試驗(yàn)的同時(shí)控制磁氣混合軸承實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)的主動(dòng)抑制;文獻(xiàn)[90]對(duì)混合軸承的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析并針對(duì)混合軸承提出一種雙回路的控制算法,參照穩(wěn)態(tài)參考位置,使用PID控制算法對(duì)磁軸承進(jìn)行瞬態(tài)控制,使用穩(wěn)態(tài)控制算法找尋新的穩(wěn)態(tài)參考位置;文獻(xiàn)[91]使用磁氣混合軸承支承柔性轉(zhuǎn)子搭建柔性轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),使用比例和微分的控制算法主動(dòng)控制磁軸承線圈的電流,實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性轉(zhuǎn)子振動(dòng)的主動(dòng)抑制;文獻(xiàn)[92]計(jì)算了磁氣混合軸承在不同的負(fù)載比分配下的軸承動(dòng)態(tài)剛度系數(shù)和動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù);文獻(xiàn)[93]針對(duì)磁氣混合軸承提出非線性自適應(yīng)控制算法,預(yù)測(cè)結(jié)果表明非線性自適應(yīng)控制算法具有比PID控制算法更好的抗干擾能力;文獻(xiàn)[94]對(duì)磁氣混合軸承的穩(wěn)態(tài)控制開(kāi)展研究工作,提出一種以電磁軸承實(shí)際承載力與預(yù)分配承載力差值最小為控制目標(biāo),以等邊三角形為基本單元對(duì)磁氣混合軸承工作區(qū)域進(jìn)行劃分的軸承穩(wěn)態(tài)工作位置搜索算法;文獻(xiàn)[95]分析了磁氣混合軸承的布置形式、載荷分配和支承特性。
另有學(xué)者通過(guò)在箔片氣體軸承中添加壓電陶瓷和記憶合金等新型致動(dòng)材料,結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了主動(dòng)箔片氣體軸承。文獻(xiàn)[96-99]基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),結(jié)合柔性鉸鏈放大壓電陶瓷的變形,提出徑向預(yù)載主動(dòng)可控的壓電致動(dòng)-主動(dòng)箔片氣體軸承,如圖8c所示,該結(jié)構(gòu)軸承可以實(shí)現(xiàn)軸承徑向預(yù)載的實(shí)時(shí)控制,進(jìn)而改善支承轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況,提高其穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[100]基于鎳基記憶合金材料的熱效應(yīng),設(shè)計(jì)了嵌套壓縮彈簧結(jié)構(gòu)代替波箔,通過(guò)對(duì)金屬板通電加熱彈簧,并匹配了高壓空氣冷卻系統(tǒng),提出剛度阻尼實(shí)時(shí)可調(diào)的記憶合金-主動(dòng)箔片氣體軸承,如圖8d所示;分析了不同溫度下的軸承剛度和阻尼,結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了該主動(dòng)軸承的有效性。
(a)側(cè)端供氣的箔片氣體軸承[81]1 (b)磁氣混合軸承[92]272
本文回顧了箔片氣體軸承的起源、發(fā)展、應(yīng)用和研究成果,總結(jié)了預(yù)測(cè)箔片氣體軸承靜、動(dòng)態(tài)性能的力學(xué)模型的相關(guān)研究,介紹了用于高轉(zhuǎn)速工況下提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的特定軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并討論了將主動(dòng)結(jié)構(gòu)引入箔片氣體軸承的研究。主要的結(jié)論和今后的研究方向?yàn)椋?/p>
1)綜合考慮箔片氣體軸承箔片結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、材料特性、箔片結(jié)構(gòu)的相互作用和箔片內(nèi)、外部的動(dòng)態(tài)摩擦力作用,從不同角度完善軸承的性能預(yù)測(cè)模型,能行之有效地指導(dǎo)箔片氣體軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程。后續(xù)可以綜合考慮上述影響因素,基于有限元方法推導(dǎo)考慮全面因素的性能預(yù)測(cè)模型。
2)針對(duì)小阻尼和非線性剛度的箔片結(jié)構(gòu)串聯(lián)連續(xù)的支承氣膜對(duì)箔片氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)帶來(lái)的劇烈次同步振動(dòng)所引發(fā)的支承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問(wèn)題,從增大箔片結(jié)構(gòu)阻尼和打斷支承氣膜連續(xù)性兩方面入手,提出了多種改進(jìn)的軸承結(jié)構(gòu),在很大程度上提高了軸承支承轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。后續(xù)可以推導(dǎo)相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型,量化表征阻尼和預(yù)載對(duì)軸承支承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響。
3)通過(guò)主動(dòng)供氣、外界磁場(chǎng)、壓電陶瓷和記憶合金等主動(dòng)致動(dòng)方式,匹配合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提出了多種主動(dòng)箔片氣體軸承結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)軸承性能的實(shí)時(shí)可控,為解決傳統(tǒng)箔片氣體軸承性能上的“單一性”和“結(jié)構(gòu)依賴性”等問(wèn)題提供了新的研究思路。后續(xù)可以利用新材料、新結(jié)構(gòu)以及智能控制算法設(shè)計(jì)可以智能感知的軸承結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵支承部件的“智能化”。