动静压气体端面润滑技术研究现状*

(浙江工业大学机械工程过程装备及其再制造教育部工程研究中心 浙江杭州 310014)

1 动静压气体润滑工作原理

动静压气体润滑的基本结构包括在一定转速下可以产生动压效应的动压槽和具有节流效应的静压节流结构。设备运转时，在动压槽产生动压效应的基础上，具有一定压力的外供气体引入了静压效应，从而气膜端面可以获得更大的承载力。图1所示为动静压气体润滑的工作原理。图1(a)为流体静压润滑示意图，依靠外界稳定的流体压力源，可以强制在两摩擦副端面之间产生流体静压效应，即使两摩擦面没有相对滑动，也可以实现优良的流体润滑。图1(b)为流体动压润滑示意图，两摩擦副端面之间存在相对运动，摩擦副端面上的动压槽可使流体的流通面积逐渐减小，形成收敛间隙，从而产生如图1(b)所示的流体压力分布。

图1 动静压气体润滑工作原理Fig 1 Working principle of hydrostatic-dynamic gas lubrication

2 动静压气体密封/轴承节流结构研究现状

静压节流结构作为动静压气体密封/轴承的关键组成部分，对改善纯动压式气体密封/轴承的工作特性具有重要作用，不同节流形式对密封/轴承性能的影响一直是国内外学者研究的热点。

2.1 动静压气体密封节流结构研究

动静压密封是借鉴静压气体轴承技术发展起来的，其中静压节流形式与几何参数对动静压气体密封的密封性能有着很大影响，研究不同工况条件下动静压密封节流结构优化具有重要意义。

典型的动静压组合式密封有泵入式和泵出式(见图2)2种形式[1]。金朝旭等[2-3]采用有限元法求解了动静压端面间气膜的雷诺方程，研究了不同转速条件下泵入式、泵出式2种典型动静压组合式干气密封的密封性能，研究表明，泵出式密封具有更好的开启特性，但气膜刚度相对较弱，泵入式密封稳定性更佳。为寻找动静压结构最优设计过程，金朝旭[4]采用中心复合设计试验方案，得到了静压结构几何参数优选值范围。LI等[5]研究了纯静压结构中不同节流孔以及均压槽对密封性能的影响，结果显示，随着节流孔数量的增加，密封开启力不会显著增加，但泄漏率增加较为明显；均压槽可以显著提高密封性能，降低泄漏率。

图2 典型动静压气体密封结构Fig 2 Typical structures of hydrostatic-dynamic gas seals (apump in;(b) pump out

目前国内外对动静压密封的理论研究较少，密封端面的结构优化设计尚不完善。相对于发展比较成熟的静压轴承技术，动静压密封起步较晚，但其研究方法和关键技术可在一定程度上借鉴静压气体轴承技术。

2.2 动静压气体轴承节流结构研究

空气静压轴承的原理最早在1828年提出的，随着近代工业和军事工业的发展，迫切需要解决关键设备在某些特殊条件下的工作问题，静压气体轴承因此而得到迅速发展[6]。应用于静压轴承的节流结构主要有小孔节流、狭缝节流、多孔质节流和弹性节流器，其中小孔节流以其易加工、工作特性优异而被广泛应用。

节流孔作为小孔节流结构中的关键组成部分，其形状特点和排布形式一直被广大学者关注。温诗铸等[7]开展了静压止推轴承的实验和理论分析，研究了节流孔数目和直径、轴承间隙等参数对轴承承载力的影响，为静压轴承结构设计提供了理论和实验参考。BELFORTE、李祥等人[8-9]研究了节流孔边界形状对气膜压力分布的影响，结果显示，节流孔出口圆角半径值对轴承承载力具有重要影响，边界为尖角形状的节流孔会在出口处产生更大的压力降。FAN、YANG等[10-11]提出一种微阵列式节流结构，数值分析表明，微阵列式节流器具有更高的承载力和均匀的压力分布，稳定性良好。邹麒、李琦、王晓明等[12-15]

对微孔阵列式空气静压止推轴承静态稳定性进行了研究，结果表明，微孔阵列节流器可以显著减小气体轴承微振动。

在静压节流结构中，均压槽起着均压和二次节流作用，对轴承的性能有很大影响。SHARMA等[16]利用有限单元法对比了相同工况条件下圆形、矩形、椭圆形、三角形(如图3所示)等不同均压槽形状对轴承性能的影响，并得出相同工况条件下矩形均压槽能够提供最大气膜刚度和承载力的结论。SALEM、KASSAB等[17-18]对带有3种形式扇形均压槽的静压气体轴承承载特性进行了理论和实验研究，结果表明，均压槽长度对气膜压力分布影响显著。CHEN、BELFORTE等[19-21]先后研究了环形和圆形均压槽的外加压式气体轴承的承载力和气膜刚度，并对均压槽的几何参数进行了优化设计。杜建军等[22]分析了均压槽开设位置、周向开槽长度与静压轴承承载特性的关系，指出环形均压槽可显著提高气体轴承的承载能力。

图3 典型均压槽结构形式Fig 3 Typical pressure-equalizing groove structure(a) circular;(b) sector;(c)ellipse

上述孔槽结构组合而成的节流器均为固定型节流器，带有这类节流器的静压轴承气膜刚度和承载力有限，且其对转轴振摆扰动和工况波动的适应能力较弱，而采用可变节流器则有望解决上述问题。目前静压轴承中常用的可变节流器包括薄膜节流器和滑阀节流器等2种，其中以薄膜节流器最为常用(如图4所示)。

图4 可变节流器结构示意图Fig 4 Schematic diagram of controllable restrictor (a) diaphragm restrictor;(b) slide valve restrictor

薄膜节流器的弹性片型式对于气体流阻的控制和快速响应特性至关重要，张君安、刘暾等人[23-34]通过对新型均压槽可变静压气体轴承(如图5所示)进行了数值模拟和实验研究，结果表明，可变均压槽气体轴承的轴承刚度和动态特性得到大幅提升。YOSHIMOTO等[25]研究了带有自控节流器的矩形静压止推轴承的静态特性。齐乃明、张广辉、王元勋等[26-28]分别以金属薄板、压电晶体和弹性膜片作为薄膜节流器的弹性控制元件，获得了薄膜节流器中气体流量分配规律，对比分析了薄膜节流器与小孔节流、毛细管节流等固定式节流器的性能。SINGH等[29]分析了均压槽形状对薄膜节流静压气体轴承性能的影响，指出均压槽形状和节流补偿型式对轴承性能影响显著。LAI等[30]则以轴承静态刚度最大为优化目标，对薄膜节流器的2个重要设计参数——薄膜刚度和轴承系统节流比进行优化设计。KANG等[31-32]针对薄膜节流和滑阀节流2种典型可变节流器的静压轴承静态刚度进行分析，并探讨了节流器结构参数对其性能的影响规律。RENN等[33]提出了一种新型自适应滑阀式加压节流器，其相较于薄膜节流器具有调节精确度高、适应高载荷能力强的优点。薄膜式、滑阀式等可变节流器在静压气体轴承稳、动态特性方面表现出传统固定式节流器所无法比拟的性能优势，然而，目前对于可变节流器静压气体轴承的优化设计、节流机制和振动行为研究还较少，而采用可变节流器的动静压干气密封更是未见报道。

图5 可控型静压轴承结构Fig 5 Structure of controllable hydrostatic bearing

3 动静压气体密封/轴承性能研究

上述对动静压气体密封/轴承节流结构的研究均是为了使密封/轴承具有更好的工作性能，而对几何结构的优化需要以可靠的数值计算方法作为基础。近年来，国内外学者在动静压气体润滑数值计算方面做了大量研究工作，为改善密封/轴承的工作性能提供了理论基础，并开展了大量动静压密封/轴承动态特性和微尺度特性等方面的研究。

3.1 动静压气体密封性能研究

动静压气体端面润滑技术作为一种新型非接触式密封，国内外对其工作性能尤其是动态特性的研究较少。张树强[34]基于线性化摄动法，采用有限单元法求解了混合式密封的气膜微扰Reynolds方程，分析了补偿环扰动频率、密封结构参数以及操作参数对气膜动态性能的影响；研究了弹簧刚度以及辅助密封圈阻尼对混合式密封追随动态特性的影响。李双喜等[35]求解了动静压混合式密封和静压式端面间气膜的Reynolds方程，进而求解了密封的开启力、稳态刚度、泄漏率、摩擦功耗等性能参数，并分析了混合式密封及静压式密封在失去气源情况下的密封性能。刘飞[36]、周圣人[37]对静压干气密封端面开启特性、气膜压力及其承载力随静压结构参数的变化规律开展了大量研究，并通过软件模拟分析了密封环的热变形规律。宋鹏云和许恒杰[38]深入研究了静压气体润滑机械密封的刚度特性，采用解析法推导了气膜刚度的计算表达式，为气膜刚度的计算做了理论基础。尹源等人[39]分析了不同均压槽形式对外加压静压机械密封的动态特性的影响，指出分区均压槽具有比整周均压槽更好的刚度特性和追随性。

虽然国内对气体静压密封的密封性能已做了很多研究，但动静压混合密封工作特性研究仍比较欠缺。密封端面组合结构对气体流动状态的影响仍需进一步探索。

3.2 动静压气体轴承理论分析方法研究

相对于动静压气体密封技术，动静压气体轴承技术的理论发展更为完善。刘暾等人[40]对雷诺方程进行修正，将不同坐标系下的雷诺方程进行转换，简化了数值计算过程并探讨了小气膜厚度是方程出现发散的原因并提出了应对措施。刘暾等人[41]提出一种狭缝节流气体静压轴承基本方程式的相容变换条件，并给出了计算轴承承载特性的方法。于雪梅[42]建立了局部多孔质气体静压止推轴承静态特性的数学模型，为局部多孔质气体静压轴承的设计和工程应用奠定了理论基础。ETSION和FLEMING[43]提出气体润滑平面止推轴承的精确解法，对比分析了矩形面、扇形面等结构的轴承性能，发现矩形承载面的数值计算承载力偏高，并不适合实际安全设计。ZHENG[44]、CHANG和JENG[45]分别提出了变步长逐步逼近迭代算法和改进粒子群优化算法，以用于小孔节流静压气体止推轴承的性能求解，在保证计算精度的同时显著提高了计算效率。

上述数值计算方法在计算速度和收敛性等方面还存在一定的发展空间，而Fluent以其丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能而受到多数学者的青睐。朱鋆峰[46]、王盛业[47]应用Fluent软件建立了动静压止推轴承仿真模型，研究了轴承承载力和气膜刚度特性。孙昂等人[48]对微小间隙下狭缝节流止推轴承特性进行了流场仿真，分析了狭缝结构对轴承特性的而影响机制及规律。为更精确地计算静压轴承的静态特性，LU等[49]提出流固耦合方法，通过CFD计算了轴承端面的温升和压力分布，为静压轴承的的设计提供了有效信息。崔海龙等[50]建立了小孔节流双向流固耦合数值模拟模型，获取了轴承设计参数对承载力和刚度的影响规律，分析了微气膜间隙内三维流场特性，有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对轴承动态稳定性的影响。

3.3 静压气体轴承动态特性研究

由于气体轴承由具有可压缩的气膜支撑，因此具有工作稳定性差、易产生振动的缺点，其不稳定性就包括气体轴承中常见的“自激振动”现象。CHANG等[51]、STOWELL[52]、孔中科[53]研究了静压轴承气腔内的气锤自激特性，结果表明，随着供气压力的增大，系统发生气锤振动的概率会有所提升；一定间隙范围内，随着气膜间隙的减小，系统发生气锤振动的倾向性降低。MA等[54]建立了带有矩形阵列阻尼孔的静压轴承数学模型，对轴承内气锤自激特性进行了分析，指出气锤自激现象的产生与气腔内气体的流动状态紧密相关。LI等[55]采用大涡模拟分析静压空气轴承节流结构内的流体流场，指出气体漩涡的快速重复形成与消失会导致气体压力的波动，与轴承的自振有直接关系。CHEN等[56]对比分析了有无均压槽对静压轴承内部气体流动的影响，以及由此产生的轴承承载力和气膜刚度的变化，结果显示，随着均压槽深度的降低，气旋强度会有所增加；相对于柱形均压槽，球形均压槽可减弱轴承的微振动而不影响轴承承载力。

轴承气腔内气体的流动状态受节流孔出口处压力的突变影响较大，目前对节流孔口处流体的压力损失机制仍未有统一观点。JOSEPH等[57]提出静压轴承内小孔流量系数的概念，指出小孔流量系数与雷诺数高度相关，对流体的流动状态有重要影响。RENN等[58]研究了静压轴承中经过节流孔后气体的质量流量特性，指出理想喷嘴模型与实际小孔的流体流动特性存在很大差异。ELESHAKY[59]利用CFD软件模拟了静压轴承节流孔边界的压力衰减，描述了轴承内气体压力的变化规律，阐述了流体在节流结构中的再层流化原理。

根据前人研究，静压气体轴承内气体漩涡的形成以及由此引起的微振动问题已成为一个研究热点和难点问题。

3.4 静压气体轴承端面微尺度特性研究

气体端面润滑是通过在摩擦副端面形成具有一定刚度的气膜来承受载荷，由于气膜厚度在微米级，故气体的流动会出现微尺度范围内的特性。因此，研究微尺度效应对轴承性能的影响具有重要意义。

微尺度下的气膜流态往往会出现速度滑移，温度阶跃等常温常压下不会出现的特性，这主要是由气体稀薄效应引起的。CHEN等[60]推导了适用于可压缩稀薄气体的修正雷诺方程，对带有气体稀薄效应的空气静压止推轴承的气膜压力分布、承载力、气膜刚度进行了分析，指出在气膜滑移区，气体稀薄效应非常显著。陈冬菊等[61]分析了稀薄效应下轴承内部压强分布，并对轴承承载力和刚度变化进行了研究。FENG[62]探讨了动静压轴承中动压槽内表面粗糙度和气体滑移流对轴承性能的影响。LIN[63]、HSU[64]分析了表面粗糙度对气体润滑轴承的影响，结果表明，径向粗糙度可提高气膜压力和承载力，周向粗糙度则有相反的作用。WANG等[65]利用有限差方法求解雷诺方程，指出表面波纹的长度对轴承性能的影响并没有明显规律，而随着周向和径向波纹度在一定范围内的增加，气膜承载力、刚度和质量流量均有所减小。为微尺度下轴承性能的研究提供了一定的理论依据。

综上所述，气体稀薄效应、滑移流效应、动压槽表面粗糙度和波纹度等对动静压轴承的气膜压力、承载力等性能参数有重要影响且已引起国内外学者的广泛关注。

4 总结

目前，动静压气体端面润滑的结构优化方面已有广泛的研究，有限差分、有限元和Fluent软件模拟等理论分析方法已被广泛应用，其中有限元和Fluent软件模拟应用更为普遍。

目前动静压气体端面润滑技术在低速泵、搅拌釜等设备上的应用越来越多，该领域的研究方向也不断多样化。首先，研究低速工况条件下，如何对动压、静压同时作用下的端面结构进行协同优化设计是该课题的重要分支；此外，深入完善带有可控节流器的动静压气体密封/轴承的数学分析模型，是进行结构优化设计的理论基础；最后，开发新型节流结构抑制气体压力的衰减、预防节流气腔内气锤自激现象的产生，考虑表面粗糙度、滑移流效应等对动静压气体密封/轴承工作性能的影响，也是亟待完善的课题。