趙琪，侯予，強銘琛，陳雙濤，賴天偉

(西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

1 概述

軸承作為高速旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的核心支承部件，廣泛應(yīng)用于氫能利用、航空航天、大科學裝置、氣體液化等工業(yè)領(lǐng)域，其性能對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有極大影響[1-3]。由于實際使用過程中的高轉(zhuǎn)速、潤滑油污染以及熱穩(wěn)定等問題，導致傳統(tǒng)的油潤滑滾動軸承在實際應(yīng)用方面有著諸多問題，箔片氣體軸承具有高轉(zhuǎn)速、無污染、低功耗等特點[4]，可以有效解決上述問題。經(jīng)過幾十年來的不斷努力，箔片氣體軸承的承載力有了大幅提高，且已商業(yè)化應(yīng)用在許多領(lǐng)域，如空氣循環(huán)系統(tǒng)、透平膨脹機、高速離心式空壓機及鼓風機等轉(zhuǎn)速較高的輕載透平機械設(shè)備中[5]。

國內(nèi)外對箔片氣體軸承的研究主要集中在軸承熱分析[6]、穩(wěn)定性[7]、動力學[8]以及承載力研究等方面[9-10]。盡管對箔片氣體軸承的研究已經(jīng)較為深入，但隨著科技進步以及高速旋轉(zhuǎn)機械的迅速發(fā)展，箔片氣體軸承承載力研究仍面臨巨大的挑戰(zhàn)：1)由于更高功率密度透平機械的需求以及復雜環(huán)境適應(yīng)性的要求，對箔片氣體軸承承載能力提出了更為嚴苛的要求[11]；2)箔片支承結(jié)構(gòu)之間的相互作用和非線性特性以及求解完全氣彈耦合雷諾方程的復雜性，使箔片氣體軸承承載力的數(shù)值預(yù)測困難。

箔片氣體軸承主要包括波箔型、鼓泡型[12-13]、懸臂型[14]等，波箔型應(yīng)用最為廣泛，本文分別從理論和試驗方面對波箔氣體軸承的承載力進行分析與討論。徑向和止推波箔氣體軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示：徑向波箔氣體軸承由平箔和一片整體式波箔構(gòu)成，波拱節(jié)距沿周向均勻分布；止推軸承由多片平箔和波箔組成，平箔和波箔的一端固定在軸承座上，另一端為自由狀態(tài)，底部彈性支承結(jié)構(gòu)提供了額外的阻尼，可以大幅提高軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。徑向和止推波箔氣體軸承的工作原理基本相同，如圖2所示，利用配合面的相對運動使?jié)櫥橘|(zhì)在黏性作用下于楔形空間內(nèi)被壓縮，從而在間隙內(nèi)產(chǎn)生氣膜承載力，起支承轉(zhuǎn)子或平衡軸向力的作用。

1—平箔；2—波箔；3—軸承座；4—轉(zhuǎn)子。

圖2 波箔氣體軸承工作原理

2 徑向波箔氣體軸承承載力研究

2.1 理論研究

在承載力解析計算方面：文獻[15]率先提出了徑向波箔氣體軸承承載力的計算公式，將承載力視為軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)子運行參數(shù)的線性函數(shù)，穩(wěn)態(tài)時軸承的最大承載力為

F=DbLD2ω，

(1)

式中：Db為承載力系數(shù)；L為軸承軸向長度；D為轉(zhuǎn)子直徑；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

文獻[16]基于可壓縮雷諾方程的極限解，推導出徑向波箔氣體軸承的最大承載力為

(2)

在徑向波箔氣體軸承承載力數(shù)值模擬方面：文獻[17]建立了軸承靜態(tài)性能預(yù)測模型，分析了軸承的承載特性，在重載下軸承靜態(tài)剛度幾乎恒定，最大承載力由底層彈性支承結(jié)構(gòu)的柔性決定；文獻[18]建立了考慮平箔變形的軸承靜態(tài)特性求解耦合模型，平箔變形產(chǎn)生的槽道會使氣膜內(nèi)切向阻力增大，導致更多的氣體從軸向泄漏，軸承承載力降低；文獻[19]采用彈簧連桿等效模擬波箔軸承，并分析了徑向間隙對軸承承載力的影響，給出了最佳徑向間隙；文獻[20]建立了考慮波箔彎曲效應(yīng)與薄膜效應(yīng)耦合的彈性殼體單元模型，分析了轉(zhuǎn)速和波箔厚度對軸承承載力的影響，隨轉(zhuǎn)速升高，軸承承載力增大，波箔厚度小于0.2 mm時，波箔厚度對承載力影響較大。

分析徑向波箔氣體軸承承載力時，還需要考慮氣體黏性剪切作用發(fā)熱的影響：文獻[21]基于稀疏網(wǎng)格建立了氣膜溫度場分析模型，同時將冷卻氣通入空心轉(zhuǎn)子以及波箔拱之間進行散熱，分析了熱變形對軸承承載力的影響，轉(zhuǎn)子和波箔的熱變形會使軸承徑向間隙發(fā)生變化，顯著影響軸承承載力，這可能是軸承承載力隨環(huán)境溫度上升而明顯下降的主要原因。

在分析邊界滑移對徑向波箔氣體軸承承載力的影響方面：文獻[22]分析了邊界滑移對軸承靜態(tài)承載力的影響，考慮邊界滑移時氣膜高壓區(qū)面積減小，低壓區(qū)面積增大，軸承承載力降低，在低速、大偏心率的工況下該現(xiàn)象更明顯；文獻[23]分析了邊界滑移對軸承靜態(tài)承載力的影響，軸承座滑移會降低軸承承載力，波箔滑移會提高軸承承載力，2種情況下承載力最大偏差達到20%。

在分析波箔結(jié)構(gòu)對徑向波箔氣體軸承承載力的影響方面：文獻[24]對比分析了單片頂箔和三瓣頂箔軸承的承載力，三瓣頂箔軸承波箔弧長較小，承載力??；文獻[25]對比分析了全波、上波、下波波箔軸承的承載力，下波波箔軸承的承載力最優(yōu)；文獻[26]分析了變周向波拱節(jié)距對軸承承載力的影響，周向節(jié)距變化的波箔軸承比傳統(tǒng)波箔軸承承載力高；文獻[27]提出了一種平波箔表面開槽的徑向波箔氣體軸承，新型軸承可有效減少氣體泄漏，增強流體動壓潤滑效果，軸承承載力提高了約11.8 %。

在分析庫侖摩擦力對徑向波箔氣體軸承承載力的影響方面：文獻[28]分析了周向、軸向、徑向3個方向上波箔結(jié)構(gòu)剛度的變化對軸承承載力的影響，庫侖摩擦力的增大會提高軸承結(jié)構(gòu)剛度，進而提高軸承承載力；文獻[29]建立了考慮平箔和波箔以及波箔和軸承座之間摩擦力的庫侖摩擦模型，分析了最小氣膜厚度隨軸承承載力的變化規(guī)律以及承載力隨軸承偏心率的變化規(guī)律，考慮摩擦力時軸承承載特性更趨向于剛性軸承。

此外，文獻[30]分析了潤滑介質(zhì)和波箔材料屬性對徑向波箔氣體軸承承載力的影響，潤滑氣體黏度從4.21×10-6Pa·s增加到4.6×10-5Pa·s時軸承承載力提升了約50%～75%，波箔材料彈性模量從70 GPa增加到340 GPa時軸承承載力提高了5%～10%，波箔材料泊松比從0.15增加到0.45時軸承承載力提高了30%～40%。文獻[31]分析了環(huán)境壓力對徑向波箔氣體軸承承載力的影響，環(huán)境壓力從0.1 MPa提高到0.5 MPa時，在轉(zhuǎn)速為60 000，100 000，200 000 r/min時軸承承載力分別提高了19.97%，28.89%，44.28%。文獻[32]對比分析了3種波拱冷壓成形工藝的徑向波箔氣體軸承和理想軸承的承載力，由于實際加工過程中波箔厚度和波箔線形不均，理想軸承承載力要明顯優(yōu)于實際加工軸承，說明可通過改善波箔加工工藝提高該類軸承的承載能力。

2.2 試驗研究

文獻[33]設(shè)計了一種直徑為35 mm的徑向波箔氣體軸承，穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速達到132 000 r/min，承載力達到0.67 MPa，在室溫20 ℃、正常環(huán)境壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速59 700 r/min時軸承承載力達到727.8 N。文獻[34]又在文獻[33]的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種單瓦塊徑向波箔氣體軸承，在轉(zhuǎn)速為68 000 r/min時軸承承載力達到0.35 MPa。

文獻[35]通過試驗分析了徑向間隙對徑向波箔氣體軸承承載力的影響，存在一個最佳徑向間隙使軸承承載力最大：當徑向間隙小于最佳徑向間隙時，軸承承載力增大，但易發(fā)熱導致軸承失效；當徑向間隙為最佳徑向間隙的2倍時，承載力降低20%；此外，最佳徑向間隙與軸頸大小和轉(zhuǎn)速有關(guān)。

文獻[36]通過試驗分析了直徑為47.75 mm的三瓣式徑向波箔氣體軸承的承載特性，轉(zhuǎn)速為30 000，40 000，50 000，60 000 r/min時軸承承載力分別達到380，535，700，810 N；此外還分析了雙層徑向波箔氣體軸承的承載特性，轉(zhuǎn)速為51 000 r/min時軸承承載力達到1 020 N。

文獻[37]通過試驗分析了直徑為80 mm的132 kW風機用徑向波箔氣體軸承的承載特性，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時軸承承載力達到154 N，軸承最佳徑向間隙為0.3 mm。

文獻[38]通過試驗分析了轉(zhuǎn)速為14 000 r/min時主軸材料和波箔涂層技術(shù)對直徑38.1 mm的徑向波箔氣體軸承承載力的影響，波箔表面涂層可以提高軸承的承載力，將幾種涂層材料混合在一起使用比單一涂層材料效果更佳。

文獻[39]通過試驗分析了軸承座表面粗糙度對直徑為19.82 mm的徑向波箔氣體軸承承載力的影響，轉(zhuǎn)速10 000 r/min時表面粗糙度為0.4，1.6 μm時軸承承載力分別為15.5，10.9 N，轉(zhuǎn)速20 000 r/min時表面粗糙度為0.4，1.6 μm時軸承承載力分別為42.3，29.6 N，說明波箔和軸承座之間摩擦增大會使軸承承載力減小。

3 止推波箔氣體軸承承載力研究

3.1 理論研究

止推波箔氣體軸承承載力解析計算方法與文獻[16]類似，文獻[40]又提出了一種簡單方法，承載力可表示為

(3)

在止推波箔氣體軸承承載力數(shù)值模擬方面：文獻[41]基于剛性軸承假設(shè)提出了一種止推波箔氣體軸承設(shè)計方法，該方法無需任何彈性力學計算，即可確定柔性波箔最初的變形情況，用該方法設(shè)計的外徑80 mm、內(nèi)徑40 mm的止推波箔氣體軸承在轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時承載力達到0.3 MPa。在文獻[41]的基礎(chǔ)上，文獻[42]分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承承載力的影響，若要獲得較高的承載力，軸承應(yīng)保持較小的內(nèi)外徑比，即寬扇區(qū)，大的扇形角度，最佳的斜坡面、平直段過渡位置以及入口氣膜厚度。文獻[43]分析了稀薄氣體對止推波箔氣體軸承承載力的影響，考慮稀薄氣體效應(yīng)時止推波箔氣體軸承的承載力減小，且稀薄氣體效應(yīng)的影響隨轉(zhuǎn)速和波箔柔度系數(shù)增大而逐漸減弱。

在改進止推波箔氣體軸承結(jié)構(gòu)方面：文獻[44-45]開發(fā)了一種新型的平箔開槽型止推波箔氣體軸承，如圖3所示，平箔頂部的凹槽可以起到二次增壓作用，增加凹槽后的軸承靜態(tài)承載力從0.12 MPa提高到0.17 MPa。

圖3 平箔開槽型止推波箔軸承

3.2 試驗研究

文獻[46]通過試驗分析了內(nèi)徑30 mm、外徑55 mm的止推波箔氣體軸承的承載力，在轉(zhuǎn)速為10 000，15 000，20 000 r/min時該軸承承載力分別達到146，173，223 N。

文獻[47]設(shè)計了一種內(nèi)徑7 mm、外徑14 mm的止推波箔氣體軸承，在試驗轉(zhuǎn)速達到350 000 r/min，承載力達到0.045 MPa。

文獻[48]通過試驗分析了波箔節(jié)距、入口和出口氣膜厚度、波箔剛度等對止推波箔氣體軸承承載力的影響，結(jié)果表明：存在最佳波箔節(jié)距和最佳入口氣膜厚度使軸承承載力最優(yōu)；隨出口氣膜厚度增大，高壓區(qū)氣膜厚度增大，承載力降低；隨波箔剛度增大，波箔變形減小，軸承承載力提高。

文獻[49]設(shè)計了一種內(nèi)徑55 mm、外徑110 mm的止推波箔氣體軸承，在試驗轉(zhuǎn)速為15 000，20 000，25 000 r/min時該軸承承載力分別達到145，195，260 N，且承載力與氣膜間隙呈非線性關(guān)系。

文獻[50]提出了一種新的混合型止推波箔氣體軸承，如圖4所示，其外徑為154 mm，軸承承載力達到0.223 MPa。該軸承啟動和關(guān)閉過程中箔片與轉(zhuǎn)子不接觸，功率損耗較小。

圖4 動靜壓混合型止推波箔軸承

4 展望

氣體箔片軸承是高速透平機械的重要部件，軸承承載力不足易導致高速旋轉(zhuǎn)機械運行時出現(xiàn)失穩(wěn)驟停，如何提高氣體箔片軸承承載力仍是該類軸承研究的核心問題。近年來，眾多學者在氣體箔片軸承承載力研究方面進行了深入的研究，軸承承載力有了一定提升；但隨著高新技術(shù)和尖端技術(shù)發(fā)展的需要，更加迫切的需要研制和開發(fā)具有更高承載力的新型箔片氣體軸承，還要考慮軸承可靠性以及制造工藝的可行性。本文歸納和整理了氣體箔片軸承承載力的研究成果，經(jīng)分析，氣體箔片軸承承載力研究在以下方面仍有很大的提升空間：

1)氣體箔片軸承承載力模型考慮因素不夠全面，應(yīng)建立氣-彈-熱完全耦合的箔片變形求解模型，以更精確預(yù)測軸承承載力。

2)現(xiàn)有氣體箔片軸承冷卻方式主要是空心轉(zhuǎn)子內(nèi)部供氣冷卻和箔片間通氣冷卻，為了防止軸承發(fā)熱失效，需改進箔片軸承的冷卻流道設(shè)計，如采用多層箔片設(shè)計增加散熱流道面積，在軸承座、箔片上開孔或開槽引入冷卻氣體加快熱量的耗散，或研發(fā)具有高熱容量的彈性支承材料和波箔鍍層材料。軸承散熱能力的提高對軸承承載力的提升意義重大，可以極大提高軸承承載力的極限值。