箔片气体轴承承载特性研究进展

赵琪，侯予，强铭琛，陈双涛，赖天伟

(西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049)

1 概述

轴承作为高速旋转机械设备的核心支承部件，广泛应用于氢能利用、航空航天、大科学装置、气体液化等工业领域，其性能对转子系统的可靠性和稳定性有极大影响[1-3]。由于实际使用过程中的高转速、润滑油污染以及热稳定等问题，导致传统的油润滑滚动轴承在实际应用方面有着诸多问题，箔片气体轴承具有高转速、无污染、低功耗等特点[4]，可以有效解决上述问题。经过几十年来的不断努力，箔片气体轴承的承载力有了大幅提高，且已商业化应用在许多领域，如空气循环系统、透平膨胀机、高速离心式空压机及鼓风机等转速较高的轻载透平机械设备中[5]。

国内外对箔片气体轴承的研究主要集中在轴承热分析[6]、稳定性[7]、动力学[8]以及承载力研究等方面[9-10]。尽管对箔片气体轴承的研究已经较为深入，但随着科技进步以及高速旋转机械的迅速发展，箔片气体轴承承载力研究仍面临巨大的挑战：1)由于更高功率密度透平机械的需求以及复杂环境适应性的要求，对箔片气体轴承承载能力提出了更为严苛的要求[11]；2)箔片支承结构之间的相互作用和非线性特性以及求解完全气弹耦合雷诺方程的复杂性，使箔片气体轴承承载力的数值预测困难。

箔片气体轴承主要包括波箔型、鼓泡型[12-13]、悬臂型[14]等，波箔型应用最为广泛，本文分别从理论和试验方面对波箔气体轴承的承载力进行分析与讨论。径向和止推波箔气体轴承结构如图1所示：径向波箔气体轴承由平箔和一片整体式波箔构成，波拱节距沿周向均匀分布；止推轴承由多片平箔和波箔组成，平箔和波箔的一端固定在轴承座上，另一端为自由状态，底部弹性支承结构提供了额外的阻尼，可以大幅提高轴承-转子系统的稳定性。径向和止推波箔气体轴承的工作原理基本相同，如图2所示，利用配合面的相对运动使润滑介质在黏性作用下于楔形空间内被压缩，从而在间隙内产生气膜承载力，起支承转子或平衡轴向力的作用。

1—平箔；2—波箔；3—轴承座；4—转子。

图2 波箔气体轴承工作原理

2 径向波箔气体轴承承载力研究

2.1 理论研究

在承载力解析计算方面：文献[15]率先提出了径向波箔气体轴承承载力的计算公式，将承载力视为轴承结构参数和转子运行参数的线性函数，稳态时轴承的最大承载力为

F=DbLD2ω，

(1)

式中：Db为承载力系数；L为轴承轴向长度；D为转子直径；ω为转子转速。

文献[16]基于可压缩雷诺方程的极限解，推导出径向波箔气体轴承的最大承载力为

(2)

在径向波箔气体轴承承载力数值模拟方面：文献[17]建立了轴承静态性能预测模型，分析了轴承的承载特性，在重载下轴承静态刚度几乎恒定，最大承载力由底层弹性支承结构的柔性决定；文献[18]建立了考虑平箔变形的轴承静态特性求解耦合模型，平箔变形产生的槽道会使气膜内切向阻力增大，导致更多的气体从轴向泄漏，轴承承载力降低；文献[19]采用弹簧连杆等效模拟波箔轴承，并分析了径向间隙对轴承承载力的影响，给出了最佳径向间隙；文献[20]建立了考虑波箔弯曲效应与薄膜效应耦合的弹性壳体单元模型，分析了转速和波箔厚度对轴承承载力的影响，随转速升高，轴承承载力增大，波箔厚度小于0.2 mm时，波箔厚度对承载力影响较大。

分析径向波箔气体轴承承载力时，还需要考虑气体黏性剪切作用发热的影响：文献[21]基于稀疏网格建立了气膜温度场分析模型，同时将冷却气通入空心转子以及波箔拱之间进行散热，分析了热变形对轴承承载力的影响，转子和波箔的热变形会使轴承径向间隙发生变化，显著影响轴承承载力，这可能是轴承承载力随环境温度上升而明显下降的主要原因。

在分析边界滑移对径向波箔气体轴承承载力的影响方面：文献[22]分析了边界滑移对轴承静态承载力的影响，考虑边界滑移时气膜高压区面积减小，低压区面积增大，轴承承载力降低，在低速、大偏心率的工况下该现象更明显；文献[23]分析了边界滑移对轴承静态承载力的影响，轴承座滑移会降低轴承承载力，波箔滑移会提高轴承承载力，2种情况下承载力最大偏差达到20%。

在分析波箔结构对径向波箔气体轴承承载力的影响方面：文献[24]对比分析了单片顶箔和三瓣顶箔轴承的承载力，三瓣顶箔轴承波箔弧长较小，承载力小；文献[25]对比分析了全波、上波、下波波箔轴承的承载力，下波波箔轴承的承载力最优；文献[26]分析了变周向波拱节距对轴承承载力的影响，周向节距变化的波箔轴承比传统波箔轴承承载力高；文献[27]提出了一种平波箔表面开槽的径向波箔气体轴承，新型轴承可有效减少气体泄漏，增强流体动压润滑效果，轴承承载力提高了约11.8 %。

在分析库仑摩擦力对径向波箔气体轴承承载力的影响方面：文献[28]分析了周向、轴向、径向3个方向上波箔结构刚度的变化对轴承承载力的影响，库仑摩擦力的增大会提高轴承结构刚度，进而提高轴承承载力；文献[29]建立了考虑平箔和波箔以及波箔和轴承座之间摩擦力的库仑摩擦模型，分析了最小气膜厚度随轴承承载力的变化规律以及承载力随轴承偏心率的变化规律，考虑摩擦力时轴承承载特性更趋向于刚性轴承。

此外，文献[30]分析了润滑介质和波箔材料属性对径向波箔气体轴承承载力的影响，润滑气体黏度从4.21×10-6Pa·s增加到4.6×10-5Pa·s时轴承承载力提升了约50%～75%，波箔材料弹性模量从70 GPa增加到340 GPa时轴承承载力提高了5%～10%，波箔材料泊松比从0.15增加到0.45时轴承承载力提高了30%～40%。文献[31]分析了环境压力对径向波箔气体轴承承载力的影响，环境压力从0.1 MPa提高到0.5 MPa时，在转速为60 000，100 000，200 000 r/min时轴承承载力分别提高了19.97%，28.89%，44.28%。文献[32]对比分析了3种波拱冷压成形工艺的径向波箔气体轴承和理想轴承的承载力，由于实际加工过程中波箔厚度和波箔线形不均，理想轴承承载力要明显优于实际加工轴承，说明可通过改善波箔加工工艺提高该类轴承的承载能力。

2.2 试验研究

文献[33]设计了一种直径为35 mm的径向波箔气体轴承，稳定运行转速达到132 000 r/min，承载力达到0.67 MPa，在室温20 ℃、正常环境压力、转子转速59 700 r/min时轴承承载力达到727.8 N。文献[34]又在文献[33]的基础上开发了一种单瓦块径向波箔气体轴承，在转速为68 000 r/min时轴承承载力达到0.35 MPa。

文献[35]通过试验分析了径向间隙对径向波箔气体轴承承载力的影响，存在一个最佳径向间隙使轴承承载力最大：当径向间隙小于最佳径向间隙时，轴承承载力增大，但易发热导致轴承失效；当径向间隙为最佳径向间隙的2倍时，承载力降低20%；此外，最佳径向间隙与轴颈大小和转速有关。

文献[36]通过试验分析了直径为47.75 mm的三瓣式径向波箔气体轴承的承载特性，转速为30 000，40 000，50 000，60 000 r/min时轴承承载力分别达到380，535，700，810 N；此外还分析了双层径向波箔气体轴承的承载特性，转速为51 000 r/min时轴承承载力达到1 020 N。

文献[37]通过试验分析了直径为80 mm的132 kW风机用径向波箔气体轴承的承载特性，转速为5 000 r/min时轴承承载力达到154 N，轴承最佳径向间隙为0.3 mm。

文献[38]通过试验分析了转速为14 000 r/min时主轴材料和波箔涂层技术对直径38.1 mm的径向波箔气体轴承承载力的影响，波箔表面涂层可以提高轴承的承载力，将几种涂层材料混合在一起使用比单一涂层材料效果更佳。

文献[39]通过试验分析了轴承座表面粗糙度对直径为19.82 mm的径向波箔气体轴承承载力的影响，转速10 000 r/min时表面粗糙度为0.4，1.6 μm时轴承承载力分别为15.5，10.9 N，转速20 000 r/min时表面粗糙度为0.4，1.6 μm时轴承承载力分别为42.3，29.6 N，说明波箔和轴承座之间摩擦增大会使轴承承载力减小。

3 止推波箔气体轴承承载力研究

3.1 理论研究

止推波箔气体轴承承载力解析计算方法与文献[16]类似，文献[40]又提出了一种简单方法，承载力可表示为

(3)

在止推波箔气体轴承承载力数值模拟方面：文献[41]基于刚性轴承假设提出了一种止推波箔气体轴承设计方法，该方法无需任何弹性力学计算，即可确定柔性波箔最初的变形情况，用该方法设计的外径80 mm、内径40 mm的止推波箔气体轴承在转速为50 000 r/min时承载力达到0.3 MPa。在文献[41]的基础上，文献[42]分析了结构参数对轴承承载力的影响，若要获得较高的承载力，轴承应保持较小的内外径比，即宽扇区，大的扇形角度，最佳的斜坡面、平直段过渡位置以及入口气膜厚度。文献[43]分析了稀薄气体对止推波箔气体轴承承载力的影响，考虑稀薄气体效应时止推波箔气体轴承的承载力减小，且稀薄气体效应的影响随转速和波箔柔度系数增大而逐渐减弱。

在改进止推波箔气体轴承结构方面：文献[44-45]开发了一种新型的平箔开槽型止推波箔气体轴承，如图3所示，平箔顶部的凹槽可以起到二次增压作用，增加凹槽后的轴承静态承载力从0.12 MPa提高到0.17 MPa。

图3 平箔开槽型止推波箔轴承

3.2 试验研究

文献[46]通过试验分析了内径30 mm、外径55 mm的止推波箔气体轴承的承载力，在转速为10 000，15 000，20 000 r/min时该轴承承载力分别达到146，173，223 N。

文献[47]设计了一种内径7 mm、外径14 mm的止推波箔气体轴承，在试验转速达到350 000 r/min，承载力达到0.045 MPa。

文献[48]通过试验分析了波箔节距、入口和出口气膜厚度、波箔刚度等对止推波箔气体轴承承载力的影响，结果表明：存在最佳波箔节距和最佳入口气膜厚度使轴承承载力最优；随出口气膜厚度增大，高压区气膜厚度增大，承载力降低；随波箔刚度增大，波箔变形减小，轴承承载力提高。

文献[49]设计了一种内径55 mm、外径110 mm的止推波箔气体轴承，在试验转速为15 000，20 000，25 000 r/min时该轴承承载力分别达到145，195，260 N，且承载力与气膜间隙呈非线性关系。

文献[50]提出了一种新的混合型止推波箔气体轴承，如图4所示，其外径为154 mm，轴承承载力达到0.223 MPa。该轴承启动和关闭过程中箔片与转子不接触，功率损耗较小。

图4 动静压混合型止推波箔轴承

4 展望

气体箔片轴承是高速透平机械的重要部件，轴承承载力不足易导致高速旋转机械运行时出现失稳骤停，如何提高气体箔片轴承承载力仍是该类轴承研究的核心问题。近年来，众多学者在气体箔片轴承承载力研究方面进行了深入的研究，轴承承载力有了一定提升；但随着高新技术和尖端技术发展的需要，更加迫切的需要研制和开发具有更高承载力的新型箔片气体轴承，还要考虑轴承可靠性以及制造工艺的可行性。本文归纳和整理了气体箔片轴承承载力的研究成果，经分析，气体箔片轴承承载力研究在以下方面仍有很大的提升空间：

1)气体箔片轴承承载力模型考虑因素不够全面，应建立气-弹-热完全耦合的箔片变形求解模型，以更精确预测轴承承载力。

2)现有气体箔片轴承冷却方式主要是空心转子内部供气冷却和箔片间通气冷却，为了防止轴承发热失效，需改进箔片轴承的冷却流道设计，如采用多层箔片设计增加散热流道面积，在轴承座、箔片上开孔或开槽引入冷却气体加快热量的耗散，或研发具有高热容量的弹性支承材料和波箔镀层材料。轴承散热能力的提高对轴承承载力的提升意义重大，可以极大提高轴承承载力的极限值。