气体动压箔片径向轴承工程应用试验研究

徐刚，舒行军，郑越青，蓝河

（中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900）

空气动压轴承是一种无油支承技术，除了广泛应用于军工领域，近年来逐步应用于高速旋转机械，如高速离心风机、涡轮膨胀机［1］和微小型涡轮机械［2］。相比于油润滑滑动轴承和滚动轴承，空气动压轴承具有稳定性高、环境污染少、耐高温和工作转速高等优良特点［3］。

我国对空气动压轴承的相关理论研究早已开展，文献［4］在多年研究的基础上提出了一种新型结构的向心平箔型箔片轴承，并将其应用在150 m3／h制氧机用低温透平膨胀机上，转速达到14.8×104r／min，转子质量为 891 g。文献［5］引入柔性箔片的动静变形，将轴承动态刚度和动态阻尼的计算归结为对动态Reynolds方程和柔性支承结构动态弹性变形方程联立求解，在线性范围内为波箔型轴承支承的转子系统动力学分析提供了一种方法。文献［6］发明了一种箔片轴承耐高温纳米复合润滑表面涂层材料，并申请了专利，在进行摩擦磨损试验时，该涂层在室温至350℃时，磨损量比现有的PS304涂层降低30%，而在350～650℃时，磨损量降低20%，不过其工程应用情况尚未得到验证。文献［7-8］申请了2个箔片轴承的专利，通过对悬臂型和波箔型箔片轴承加装自调节装置降低了箔片轴承中高压气体的端泄，提高了箔片轴承的承载力。不过由于对箔片及表面镀层的材料和工艺没有得到有效突破，在实际应用中将箔片轴承的润滑剂改用黏度较低的油，且转子重量较轻，约1 kg左右。国内的研究主要集中在理论研究方面，且大多数也只是将箔片轴承简化成多个弹簧与阻尼单元，忽略平箔与波箔之间的摩擦，这与箔片轴承实际状态存在较大差别，势必影响分析精度。试验验证主要为常温小负载情况，多数试验负载均不足1 kg，对于重载下箔片轴承的各项规律尚有待探索；对箔片轴承各种性能规律的研究不够丰富和深入，箔片轴承的设计、制造经验和各项性能的试验规律储备比较匮乏；对箔片轴承表面镀层的材料和工艺没有得到有效的解决，使箔片轴承的工程使用寿命瓶颈未得到有效突破，限制了对其工程应用的探索。

为此，针对特定结构的动压箔片轴承，通过大量工程试验，研究其性能参数，并将其应用于实际的工程产品中。

1 试验平台的构建

为验证空气动压轴承支承高速大质量转子的可行性与实际承载效能，开发了空气动压轴承支承的工程应用原型装置系统（图1）。

图1 试验平台系统Fig.1 Experimental system

系统主机装置采用2套空气动压轴承和2套止推空气动压轴承支承1根重量达12.5 kg的高速电动机转子，其他主要参数见表1。

表1 主机装置主要参数Tab.1 The parameters of mainframe

驱动系统采用自行研制的高速永磁电动机直连方式，电动机功率75 kW，转速30 000 r／min，采用高速变频器直接控制电动机转速。空气动压轴承起飞前存在严重摩擦与碰撞，使得阻力矩较大且不稳定，因此在启动阶段采用开环控制，短期输入极大电流，强制拖动电动机同步提速，采用大电流使加速度增大，可在短期内获得高转速。虽然大电流会带来较大的发热量，但由于提速很快，发热量不会过度积累。当实现启动且转速达到一定值后，控制器开始采集位置信号，从而实现闭环控制，此时驱动电流最小化，实现节能并降低电动机发热量。

为深入了解箔片动压轴承的实际动态性能，开发全动压支承原型装置测试系统。该测试系统（图2）实现了原型装置的电力、温度、转速、力矩、振动与位置共6类、15路信号的大数据量、多数据类型的同步采集。同时该系统很好地克服了工作环境的强电磁干扰问题，确保了数据采集的稳定可靠。

图2 测试系统示意图Fig.2 Diagram of test system

2 动压轴承

动压轴承如图3所示，单套轴承的承载为13 kg，设计转速为30 000 r／min，轴承理论计算起飞转速约为4 000 r／min，结构参数见表2。

表2 动压轴承结构参数Tab.2 Structure parameter of the air foil bearing

图3 动压轴承组件Fig.3 The air foil bearing

3 试验结果及分析

3.1 轴承启停寿命试验

对一套完好的空气动压轴承进行循环启停寿命测试，转子在30 s内由静止加速至设定转速15 000 r／min，稳定运行10 s后，在10 s内降速至0，间歇5 s，重复启停电动机，直至启停次数达到104次或轴承发生失效，整个过程由程序自动控制。

试验成功实现了104次启停，中途轴承未发生失效。104次启停后卸下动压轴承观察发现，具有固体润滑膜的平箔表面出现磨损（图4），露出基底金属材料；启动与停车力矩变化不大（图5），全速力矩也保持在非常低的水平，这表明104次启停后平箔表面虽然有局部磨穿，但仍然保持着良好的润滑特性，动压轴承的工作状态良好。另外，对严重磨损区的材料厚度损失进行测量，发现厚度损失不超过20μm（＜10%），远未达到使空气动压轴承失效的厚度损失（25%）。因此可以说明，动压轴承循环启停寿命在104次以上。

图4 104次启停后的动压轴承Fig.4 Air foil bearing after 104 start-up and pause test

图5 启停次数对箔片动压轴承性能影响Fig.5 Start stop times effect of start-up and pause times on performance of air foil bearing

启停测试中发现，与大部分轴承类似，随着动压轴承的磨损，轴承性能不但不会持续恶化反而逐渐优异，表现在起飞转速略微降低，轴承温升降低。这是因为随着启停次数的增多，空气动压轴承逐渐磨损，其不是全部接触面上的均匀磨损，而是某些局部高点优先磨损，这使得轴承工作面逐渐趋于平滑，与轴颈表面“贴和”更好，使得动压气膜更易形成，因此使轴承起飞更容易、运行更稳定、摩擦更小。

3.2 轴承运行稳定性试验

对轴承运行过程中的轴心轨迹变化进行分析，转子升速过程轴心轨迹如图6所示。轴承启动初期的轴心轨迹与之后的轴心轨迹的变化规律基本一致，这表明此时已经形成有效的动压气膜。随着转速的增加，轴心轨迹在9 300 r／min附近出现略微发散，发散趋势并不明显，即使在20 620 r／min时，轴心轨迹发散情况也得到很好地抑制，证明整体运行是稳定的。

图6 动压轴承轴心轨迹Fig.6 Orbit of the shaft center of air foil bearing

3.3 轴承温升特性试验

采用温度成相仪对工作状态的轴承进行温度测试（此时电动机没有采用冷却保护措施，以便测试轴承耐温情况），稳定运行60 min后轴承温度测试结果如图7所示。由图可知，最高温度（124℃）出现在动压轴承区域，而止推轴承温度较低。这是因为动压轴承承受全部载荷（转子重力12.5 kg），而止推轴承承载很小（理论上不承载）。按主轴材料的热膨胀系数为10-5量级计，动压轴承工作中，将减少至少0.05 mm的轴承间隙（轴膨胀），因此适当增大轴承间隙是合理的，并且准确获得温升数据对精确控制间隙是有益的。

图7 轴承升温测试Fig.7 Temperature test

3.4 轴承工程互换性试验

组装3套动压轴承分别在相同工况下进行运转试验，验证其互换性。轴承名义间隙为0.25 mm，试验转速为20 000 r／min，互换性测试的温度曲线如图8所示。由图可知，3套动压轴承均实现了动压起飞和稳定运行，虽然其在运行初期表现的性能略有不同，但经过长期跑合后性能趋于一致，可以认为研制的动压轴承具有良好互换性。

图8 互换性测试的温度曲线Fig.8 Temperature curve of compatibility test

3.5 动压轴承与传统轴承的比较试验

在相同试验装置下，通过改变转子两端支承方式，比较传统滚动轴承（FAG 71902）与动压轴承的性能差异。

3.5.1 振动比较

对电动机运行时的径向轴承座机壳最外处安装加速度传感器进行振动检测，结果如图9所示。由图可知，在几乎相同的不平衡精度下，滚动轴承支承的测试平台的振动是同转速下动压轴承的3

图9 机壳振动比较Fig.9 Vibration of shell

倍以上。这是因为滚动轴承为硬支承，轴颈转动时的不平衡量与电磁力冲击会直接通过固体传递到支座上；动压轴承为软支承，波箔结构与空气膜能够缓冲来自轴颈的振动冲击，因此，同样条件下，动压轴承支承系统的振动比滚动轴承支承系统的振动小得多。

不同转速下2种轴承的最大振幅如图10所示。由图可知，低速（9 000 r／min以下）时2种轴承的振动都很小；高速时，动压轴承支承的振动明显较低，这体现了动压轴承在高速应用中的优势。

图10 不同转速下的振动比较Fig.10 Comparison of vibration under different rotating speed

3.5.2 空气噪声比较

不同转速下2种轴承的噪声如图11所示。由图可知，在相同转速下，由动压轴承支承的试验平台比滚动轴承支承的试验平台噪声低；随着转速的增加，动压轴承支承的试验平台噪声增加缓慢，而滚动轴承支承的试验平台噪声增加迅速。

图11 不同转速下的噪声比较Fig.12 Noise comparison under different rotating speed

3.5.3 寿命比较

滚动轴承在经历5 000次启停后性能明显下降而必须更换，表现为异常噪声和润滑油脂变质；而动压轴承在104次启停后性能基本不变，甚至较首次启停的启动力矩更小，起飞转速更低，温升更小。另外，滚动轴承无法实现长时间运行，而动压轴承连续运行数十小时还没有失效，由此证明动压轴承在使用寿命上远远超过传统的滚动轴承。

4 结束语

采用工程试验的方法，测试了动压轴承的启停寿命、运行稳定性、温升特性、轴承互换性等性能指标。结果表明：研制的动压轴承具有104次以上的启停寿命，在高速下运行稳定，且温升在接受范围之内，具有很好的互换性，与传统轴承相比，还具有良好的减振、降噪和长寿命等特性。但是，长时间的工程可靠性试验还有待做进一步的研究。