气体动压箔片推力轴承仿真及试验研究

余　睿，张　云，李子君，赵雪源，伍奕桦

气体动压箔片推力轴承仿真及试验研究

余睿1，张云1，李子君1，赵雪源1*，伍奕桦2

(1.中车株洲电机有限公司，湖南，株洲，412001；2.湖南农业大学机电工程学院，湖南，长沙 410028)

为了减少燃料电池空压机系统的体积和重量，系统需要满足无油、高速、高功率密度等要求。基于此要求，气体动压箔片轴承成为其支承轴承的最佳选择之一。为了研究气体动压箔片推力轴承(以下简称推力轴承)流体润滑特性，基于ANSYS软件采用流固耦合方法(FSI)对其进行了仿真分析，获得了承载能力、温升等静态性能。试制了推力轴承样品并进行了试验测试。通过对比推力轴承承载能力仿真结果与试验数据结果可知，两者的偏差仅为9.8%，验证了FSI的有效性，可以为推力轴承的开发和研制提供一定的理论依据和设计指导。

气体动压箔片推力轴承；ANSYS；FSI；承载能力；静态特性

随着科学技术的飞速发展，高速轴承技术、变频控制技术、高强度材料、铁磁材料、绝缘材料以及加工制造新工艺等得到了迭代或升级，也同时推动机械制造装备不断地向高速、高精、高效、高可靠性的方向发展，其中又以高速永磁电机产品尤为突出。磁悬浮轴承技术和气体悬浮轴承技术是目前高速电机应用领域中两大主流轴承技术路线，两者均是无油非接触式轴承技术，后者较前者具有结构简单、体积小、成本低、转速更高等优势，现已广泛应用于污水处理用鼓风机[1-4]、燃料电池空压机[5-6]、微型燃气轮机[7]、余热回收发电机[8]等涡轮机械产品中。

随着新能源汽车产业的不断发展与壮大，人们对燃料电池技术的关注度也在持续上升。燃料电池作为新一代环保、高效的发电装置，为汽车产业的转型与发展注入了新的动力。空气压缩机作为车载燃料电池系统中空气循环系统的关键部件，其与燃料电池系统匹配程度对提升燃料电池的整体性能具有重要影响。采用箔片轴承支承的气悬浮离心式空压机由于具有无油润滑、体积紧凑、噪声小等特点，被视为燃料电池空压机未来发展的主流技术路线。在空压机中，由于涡轮或者压缩叶轮的存在，不可避免地会产生轴向推力，为防止转子轴向窜动，保持转子的姿态，需要采用推力轴承来平衡轴向力[9]。在车辆启动期间轴承将承受几个g的冲击载荷，为保证空气压缩机在外部不稳定力下保持转子动力学的稳定，这就需要推力轴承具有更高的承载能力。

本实验基于商用软件ANSYS采用单向流固耦合方法(FSI)对推力轴承静态性能进行仿真，同时试制了推力轴承并进行了试验测试，试验测试结果与仿真结果偏差在10%以内，验证了仿真模型的有效性，可以为后续推力轴承的开发和研制提供一定的理论依据和设计指导。

1　轴承结构

推力轴承是一种自作用的柔性表面流体动压轴承,由三个主要部件组成：轴承座、波箔、顶箔。推力轴承圆周上分为若干个称为瓦块的扇形部分，每个瓦块由波箔和顶箔组成，如图1所示。波箔的弹性为顶层箔片提供支承力，主要由箔片推力轴承的刚度决定，波箔和顶箔构成了推力轴承的柔性表面。顶箔的前缘与推力盘存在一定的角度，后缘与推力盘平行，从而形成一定的收敛间隙。当推力盘高速运转时，推力盘与推力轴承之间由于气体动压效应而产生高压，从而为转子系统提供轴向支承。图2为推力轴承实物，在顶箔上涂覆的黑色涂层是一种固体润滑涂层，可以显著降低启停阶段转子与轴承之间的干摩擦，提高转子及轴承的使用寿命。图3为推力轴承结构参数示意图，其中(a)为推力轴承剖面视图，(b)为推力轴承顶箔的几何尺寸图；推力轴承具体的结构参数见表1。

图1　推力轴承结构示意图[11]

图2　推力轴承实物

图3　推力轴承结构参数示意图

表1　轴承参数表

最小气膜厚度是评估推力轴承承载能力的重要参数之一，对于特定推力轴承结构，其承载能力随着最小气膜厚度的增大而迅速降低[10]。有研究学者[12]通过实验测量了推力轴承的在不同工况下的最小气膜厚度。实验结果显示最小气膜厚度的实际测量值为几个μm。由于转子表面和轴承表面存在一定的光洁度，当润滑气膜厚度小于其最小气膜厚度时，转子表面和轴承表面间会发生局部接触或磨损，最终会引起轴承的失效，如果想要得到较为正确的仿真计算结果，最小气膜厚度的选取就显得极为重要。

图4　摩擦系数与润滑系数λ关系曲线

2　Ansys仿真计算

2.1　CFD模型介绍

针对于推力轴承顶箔外形轮廓结构尺寸，采用商用软件ANSYS建立了推力轴承流体域三维流体动力学模型。推力轴承是6个推力瓦的形式，在满足计算精度的前提下为了减小计算时间，本实验采用1/6分段模型进行了解释说明。网格采用六面体结构化网格，同时为了保证计算精度，在气膜厚度方向至少生成了10个网格，网格总数为1364577，平均网格质量为0.95。在每块推力瓦流体域两端建立旋转周期边界，以模拟各推力瓦之间的流体循环。图5为单块推力瓦流体域的边界条件设置，图6为流体域网格划分结果。

值得注意的是，由于轴承的动压效应以及润滑气膜粘性摩擦作用产生的热量会引起顶箔和波箔的弹性变形和热变形，对轴承性能产生一定的影响，同时也增加了仿真计算的难度。为此，本实验中推力轴承仿真采用单向流固耦合方法，通过流体域计算的压力以及温度数据只单向传递至固体域。

图5　边界条件设置

图6　网格划分

2.2　计算结果

采用层流模型进行推力轴承仿真计算时，选用的初始环境温度为20 ℃，环境压力为1 atm，在转速为18000 rpm下运行程序进行求解，得到推力轴承的压力分布云图和温度分布云图，如图7、8所示。

从图7可以看出，从轴承间隙的楔形区域入口开始，气膜压力逐渐上升，并在楔形区域和平面区域的分界处达到最大值，随后逐渐减小。在平面区域的气膜压力分布相对均匀集中，该压力区域也是推力轴承支撑载荷的主要来源。

从图8可以看到，对于整个平面区域，气膜温度从内径侧到外径侧有明显的升高趋势，且基本呈线性变化，这是推力盘从内径到外径线速度线性增大，在气体粘性效应的作用下，对相应区域的气体产生剪切作用所致，这种现象于研究的结果是一致的，热量在该区域的积累与外界冷却气流和气膜内加热气体之间的混合不良等因素有关[11]。

计算结果显示单片推力瓦承载力为15.2 N，轴承总承载力为91.2 N，同时轴承最高温度为65 ℃。

图7　压力分布云图(18000rpm)

图8　温度分布云图(18000rpm)

3　试验测试

推力轴承性能测试试验台主要由驱动部分(驱动电机)和加载部分(气缸及加载机构)组成，其中推力盘安装在驱动电机的端部，推力轴承固定在推力轴承座(静止件)内，推力轴承座与气缸及加载机构轴向连接。试验时通过调节气缸压力对推力轴承施加不同大小的轴向载荷，如图9所示。试验测试时采集的信号主要有转子转速、轴承温度、轴承负载以及轴承摩擦阻力矩，通过光电转速传感器和高速电机变频器两种方式可以监测转子转速；在测试推力轴承上圆周方向均布4个热电偶传感器可以监测试验过程中轴承的温度；推力轴承座与气缸之间的力传感器监测轴承施加的载荷；此外，在推力轴承座外径侧设计的推力杆用来测量轴承运行时的摩擦阻力矩。

图9　推力轴承性能测试试验台示意图

图10为试验过程中轴承温度、摩擦阻力矩、加载力以及转速随时间变化关系曲线，图11为截取的400～500s时间范围内轴承摩擦阻力矩随时间变化曲线。试验过程中，先对轴承施加38 N的预载荷，然后驱动电机升速至18 000 rpm，待轴承完全“起飞”[17]后，逐步增大载荷并维持该载荷稳定运行一段时间，同时观察摩擦阻力矩以及轴承温升的变化趋势，若摩擦阻力矩在该载荷下能保持稳定且没有明显幅值波动，则继续进行加载。值得注意的是，在转速不变的情况下随着载荷的逐渐增大，轴承的摩擦力矩随之不断增大；当施加载荷至83 N时，摩擦阻力矩开始出现波动，但是仍可以保持稳定；随着载荷的进一步增大，摩擦阻力矩突增，同时摩擦阻力矩幅值波动幅度增大(详见图11)，推测推力轴承与推力盘之间发生相对接触，如果继续加大载荷轴承将产生严重磨损，认为此时轴承与推力盘之间处于混合润滑状态。随即停机并对测试推力轴承进行外观检查，发现推力轴承顶箔平面区域表面确实已经出现明显划痕，同时局部位置有明显磨损，如图12所示。

图10　轴承温度、摩擦阻力矩、加载力以及转速随时间变化关系曲线

图11　400～500s时间范围内摩擦阻力矩随时间变化曲线

图12　试验后轴承

试验结果显示，在18000 rpm转速条件下使得轴承不产生磨损的最大载荷为83 N，小于第2.2节中仿真计算结果91.2 N，偏差在10%内，验证了模型的可靠性，仿真结果大于试验值的主要原因有以下2点。

(1)由于仿真计算时未考虑箔片热弹性变形对推力轴承流体特性的影响，可以认为是一种刚性气体轴承；

(2)由于加工以及装配的误差，推力盘与推力轴承之间还存在一定的倾斜，推力轴承每片推力瓦与推力盘之间的气膜间隙并不一致。

4　性能预测

本实验的推力轴承应用于单级燃料电池空气压缩机，其额定工作转速为100000 rpm，校核额定转速下气动轴向力为68 N。采用等温模型(流体温度为20 ℃)对推力轴承进行了性能预测，预测推力轴承在额定转速100000 rpm下承载力可达到489 N，推力轴承具备足够的承载力安全裕度，额定转速下推力轴承的压力分布云图如图13所示。

图13　压力云图(100000 rpm)

5　结论

(1)本实验基于商用软件ANSYS建立了推力轴承流体域三维模型，对推力轴承的静态特性进行了仿真分析。并通过推力轴承性能测试实验台对推力轴承承载能力进行了测试，实验测试结果与仿真计算结果误差在10%之内，验证了模型的有效性，可以成为后续推力轴承的开发和研制提供可靠的性能预测工具。

(2)基于仿真模型对实际转速工况下推力轴承进行了性能预测，预测的承载能力大于需求值的7倍，设计的推力轴承具备足够的安全裕度。

(3)在正常工况下，由于转子推力盘和推力轴承表面间的气膜中存在流动功和粘性剪切作用，会导致气膜的温度升高。气膜温升会引起润滑气体密度和粘度的变化，从而对轴承的性能产生较大的影响。此外，温升会引起轴承元件的热变形，如果缺乏完善的轴承热管理，过高的温度会使得轴承性能急剧降低甚至会导致轴承热失效。本实验的推力轴承仿真计算不考虑箔片的热弹性变形，后续可以结合推力轴承座、波箔和顶箔的有限元模型，对推力轴承进行双向流固热耦合。通过理论较准确地预测轴承的内部的温度场可以为轴承的温度管理提供设计指导。

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Simulation and experimental study on aerodynamic foil thrust bearing

YU Rui1, ZHANG Yun1, LI Zijun1, ZHAO Xueyuan1*,WU Yihua2

(1.CRRC Zhuzhou Electric Motor Co., LTD., Zhuzhou, Hunan 412001, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

In order to reduce the volume and weight of the fuel cell air compressor system, the system needs to meet the requirements of oil-free, high-speed, high-power-density, and so on. Based on these requirements, the gas dynamic pressure foil bearing becomes one of the best choices for its support bearings. This paper adopts the fluid-structure coupling method (FSI) to conduct simulation analysis and obtain its static performance such as load capacity and temperature. Based on software ANSYS, to research the fluid lubrication characteristics of the gas foil thrust bearing. The manufactured thrust bearing was made and tested. Comparing the simulation results with the experimental data, the deviation is only 9.8%, which verifies the effectiveness of the FSI method, and provides a solid theoretical basis and design guidance for the development of thrust bearings.

gas foil thrust bearing; ANSYS; FSI; load capacity; static characteristic

TH133

A

2096–8736(2021)06–0043–06

余睿（1990—），男，湖南娄底人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为气体动压箔片轴承技术研究及应用。

赵雪源（1989—），男，河南南阳人，博士研究生，工程师，主要研究方向为气体动压箔片轴承技术研究及产品开发。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立