徑向氣體箔片軸承高速重載測試及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

馮凱，黃明，李成勤，呂鵬，伍奕樺，李乃宇，劉萬輝

（1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410082；2.新奧能源動(dòng)力科技（上海）有限公司，上海201400）

渦輪機(jī)械在冶金、航空和石化等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，常見的渦輪機(jī)械包括：微型燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)空氣循環(huán)機(jī)、渦輪增壓器等[1-3].渦輪機(jī)械的功率密度和效率隨著轉(zhuǎn)速的升高而顯著增加，這促使渦輪機(jī)械朝著高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展[4].隨著渦輪機(jī)械轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子的線速度以及軸承的DN值也在增加，現(xiàn)有的滾動(dòng)軸承和普通滑動(dòng)軸承已經(jīng)很難滿足設(shè)計(jì)要求.在高速、高溫渦輪機(jī)械領(lǐng)域，國外研究者通常采用氣體箔片軸承來支撐轉(zhuǎn)子，并取得了不錯(cuò)的成就.氣體箔片軸承由頂箔，波箔及軸承套三部分組成，當(dāng)具有一定偏心的軸旋轉(zhuǎn)起來之后，由于氣體的動(dòng)壓效應(yīng)，軸與軸承之間形成一層連續(xù)的具有一定壓力的氣膜，從而支承起轉(zhuǎn)子.氣體箔片軸承以空氣作為潤滑介質(zhì)，相對于傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承，氣體箔片軸承具有質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速高、無需潤滑油、耐高溫等特點(diǎn)[5].目前氣體箔片軸承已經(jīng)成功應(yīng)用于高速電機(jī)、渦輪增壓器、微型燃?xì)廨啓C(jī)和車用燃料電池空壓機(jī)等領(lǐng)域[6-8].劉江[9]設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min的徑向氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，為氣體箔片軸承高轉(zhuǎn)速的研究工作奠定了基礎(chǔ).楊利花等[10]搭建一個(gè)徑向軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并采用摩擦力矩法和徑向位移響應(yīng)頻譜法測試軸承的起飛轉(zhuǎn)速.馮凱等[11]在低于20 000 r/min的工況下，對軸承溫升隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行了研究.由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)能力的限制，之前相關(guān)研究均未在高轉(zhuǎn)速下對氣體軸承進(jìn)行重載荷實(shí)驗(yàn).

本文詳細(xì)闡述高速重載氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)及其搭建過程.基于搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究氣體箔片軸承起飛轉(zhuǎn)速和起飛轉(zhuǎn)矩隨載荷的變化情況，進(jìn)一步研究氣體箔片軸承極限承載能力隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，為氣體箔片軸承產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ).

1 徑向氣體箔片軸承

與傳統(tǒng)軸承不同的是，氣體箔片軸承是一種彈性支承的動(dòng)壓軸承.其工作原理是基于動(dòng)壓效應(yīng)，如圖1所示.在轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)下，軸承周圍的氣體將被吸入到轉(zhuǎn)軸與軸承頂箔之間的楔形間隙中，從而形成氣膜壓力支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行工作.早在1983年，Heshmat等[12]提出柔性系數(shù)法來計(jì)算箔片軸承的箔片剛度.經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展后，氣體箔片軸承的結(jié)構(gòu)型式在不斷地演變，出現(xiàn)了其他不同結(jié)構(gòu)型式的箔片軸承，比如懸臂式、纏繞式、波箔型、葉片狀等[13-14]，這些結(jié)構(gòu)型式的軸承在承載能力和穩(wěn)定性等方面都有所提高.相比于其他結(jié)構(gòu)型式的氣體箔片軸承，目前使用最多和最常見的結(jié)構(gòu)是波箔型氣體箔片軸承，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，是由一層或者多層頂箔和拱形狀的波箔構(gòu)成的，并具有良好的加工性和工作特性[15].波箔型氣體箔片軸承的軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，軸承的頂箔和波箔結(jié)構(gòu)組合在一起為軸承提供彈性支承，同時(shí)還為軸承提供一定的阻尼.

圖1 氣體箔片軸承工作原理示意圖Fig.1 Working principle diagram of gas foil bearing

圖2 波箔型氣體箔片軸承示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas foil bearing structure

本次實(shí)驗(yàn)所用三瓣式氣體箔片軸承由三瓣波箔，一瓣頂箔組成.軸承箔片材料為Inconel X-750，箔片進(jìn)行熱處理.波箔厚度為0.1 mm，頂箔厚度為0.2 mm，并且在頂箔的表面噴有厚度為0.025 mm的固體潤滑涂層，以減小啟停過程中干摩時(shí)轉(zhuǎn)子與軸承頂箔接觸面間的摩擦，從而降低摩擦損耗，提高軸承壽命.該三瓣式氣體箔片軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 三瓣式氣體箔片軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Three pad gas foil bearing structure parameters

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)原理

設(shè)計(jì)、搭建的徑向氣體箔片軸承性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示.本實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)子及其支座、加載裝置以及測試軸承.

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片F(xiàn)ig.3 Photograph of the test rig

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子兩端使用兩個(gè)背靠背放置的角接觸球軸承支撐.球軸承采用油氣潤滑，壓氣機(jī)提供的壓縮氣體經(jīng)過過濾裝置和干燥裝置后進(jìn)入油氣潤滑裝置，將潤滑油輸送至滾動(dòng)軸承，防止?jié)L珠在高速旋轉(zhuǎn)下失效損壞，提高滾動(dòng)軸承使用壽命.轉(zhuǎn)子通過柔性聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相聯(lián)接.驅(qū)動(dòng)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)0～70 000 r/min的任意穩(wěn)定轉(zhuǎn)速輸出.被測軸承安裝在轉(zhuǎn)子的中間部位，通過拉力鋼絲繩與氣缸相連.實(shí)驗(yàn)時(shí)，在PC操作面板調(diào)節(jié)比例閥的輸入值控制氣缸拉力，實(shí)現(xiàn)氣缸從0～1 000 N輸出任意拉力值.在被測徑向氣體箔片軸承上安裝測力矩桿，通過力傳感器乘以力矩桿長度的方法得到氣體軸承摩擦力矩.在軸承套上開一小孔，使熱電偶靠近軸承套內(nèi)壁，通過熱電偶傳感器獲取軸承溫度信息，監(jiān)測軸承溫升是否異常.

2.2 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)被測參數(shù)包括：氣體箔片軸承摩擦力矩、氣體箔片軸承溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、氣體箔片軸承載荷以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)殼體振動(dòng).實(shí)驗(yàn)前對各傳感器進(jìn)行標(biāo)定.通過NI數(shù)據(jù)采集卡PXIe-6363和熱電偶采集模塊PXIe-4353獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.3 測試原理

通過摩擦力矩法測試徑向氣體箔片軸承的起飛轉(zhuǎn)速，其原理為：初始階段，轉(zhuǎn)子與軸承之間為干摩擦，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子與軸承頂箔之間的楔形形成足以克服外界載荷的氣膜壓力，此時(shí)軸承摩擦力矩突然變小，該瞬間的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為氣體軸承的起飛轉(zhuǎn)速.考慮到本次實(shí)驗(yàn)期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過60 000 r/min、軸承載荷大于700 N，在進(jìn)行極限載荷實(shí)驗(yàn)時(shí)采用直接破壞軸承的方式會(huì)對操作人員帶來安全隱患.因此，摒棄前人慣用的摩擦力矩法，采用軸承溫度作為判斷依據(jù)，以軸承溫度突然增大時(shí)的氣缸拉力為軸承的極限承載能力.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 軸承起飛轉(zhuǎn)速

氣體箔片軸承起飛前，轉(zhuǎn)子與軸承頂箔處于干摩狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值時(shí)，轉(zhuǎn)子與頂箔之間的楔形氣膜支撐起轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子與頂箔分離.由于弱電信號(hào)一般有波動(dòng)，導(dǎo)致控制氣缸加載的比例閥輸出值跳動(dòng)，加載力不穩(wěn)定.為了更好地模擬轉(zhuǎn)子自重，實(shí)驗(yàn)期間采用懸掛砝碼的方式對氣體箔片軸承進(jìn)行加載.圖4為帶載210 N時(shí)軸承起飛實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果，從中可以得出該三瓣式氣體箔片軸承負(fù)載210 N起飛時(shí)，起飛轉(zhuǎn)速約為17 600 r/min，起飛轉(zhuǎn)矩約為0.075 N·m，起飛時(shí)最大摩擦力矩約為1.233 N·m.圖5為不同初始載荷下測得的該三瓣式氣體箔片軸承起飛轉(zhuǎn)速、起飛轉(zhuǎn)矩以及最大摩擦力矩.測試結(jié)果表明，軸承起飛轉(zhuǎn)速與軸承載荷成正相關(guān)；起飛轉(zhuǎn)矩與軸承載荷近似于線性關(guān)系；起飛過程中最大摩擦力矩隨軸承載荷的增大而線性增大.

圖4 軸承帶載210 N起飛實(shí)驗(yàn)Fig.4 Bearing take-off test with load 210 N

圖5 軸承各載荷起飛實(shí)驗(yàn)Fig.5 Bearing take-off test with series load

3.2 軸承承載能力

承載能力是衡量軸承性能的關(guān)鍵參數(shù).此前相關(guān)研究受到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的限制，通常在30 000 r/min以下測量軸承的承載能力，然后通過低轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)估高轉(zhuǎn)速時(shí)軸承承載能力.但是由于氣體箔片軸承在高速重載時(shí)的復(fù)雜性，這種預(yù)估方法往往是不可靠的.本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速能達(dá)到70 000 r/min，可以在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行氣體軸承的加載實(shí)驗(yàn).鑒于轉(zhuǎn)速超過64 000 r/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)維持低振動(dòng)的時(shí)間過短，不足以進(jìn)行數(shù)小時(shí)的極限加載實(shí)驗(yàn)，因此，本文最高在60 000 r/min下進(jìn)行極限加載實(shí)驗(yàn).圖6為該氣體箔片軸承分別在30 000、40 000、50 000、60 000 r/min下的極限加載實(shí)驗(yàn).

考慮到實(shí)驗(yàn)期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達(dá)60 000 r/min、軸承載荷大于800 N，采用直接破壞軸承的方式會(huì)對操作人員帶來安全隱患.因此，摒棄前人慣用的摩擦力矩法，采用軸承溫度作為判斷依據(jù)，以軸承溫度突然增大時(shí)的加載力為軸承的極限承載能力.由圖6可得：當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為380 N；當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為535 N；當(dāng)轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為700 N；當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時(shí)，軸承承載能力約為810 N.氣體箔片軸承承載能力隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加.

圖6 加載力和軸承溫度隨時(shí)間變化測試結(jié)果Fig.6 Loading and temperature results versus time

隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸承失效形式從低轉(zhuǎn)速的氣膜坍塌向高轉(zhuǎn)速的箔片磨損轉(zhuǎn)變.圖7為該三瓣式氣體箔片軸承分別在轉(zhuǎn)速為30 000、40 000、50 000、60 000 r/min極限加載實(shí)驗(yàn)后的照片.

圖7 加載實(shí)驗(yàn)后軸承照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the bearing after loading test

3.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)極限加載實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)是否成功，對實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行1 000 N極限加載實(shí)驗(yàn).本次加載實(shí)驗(yàn)采用承載能力更大的雙波箔氣體箔片軸承.電機(jī)啟動(dòng)之前，通過氣缸給軸承施加120 N的拉力，然后啟動(dòng)電機(jī)，緩慢增大軸承載荷至1 020 N.圖8為實(shí)驗(yàn)過程中測得的該雙波箔氣體箔片軸承加載力與摩擦力矩.圖8表明，實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠達(dá)到加載大于1 000 N的設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建成功.圖9為實(shí)驗(yàn)后軸承照片.

圖8 實(shí)驗(yàn)臺(tái)極限加載實(shí)驗(yàn)Fig.8 Limit loading test of the test rig

圖9 軸承照片F(xiàn)ig.9 Photograph of the bearing

4 結(jié)論

成功設(shè)計(jì)并搭建高速、重載徑向氣體箔片軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成1 000 N加載實(shí)驗(yàn).分別采用摩擦力矩法和軸承溫度法對徑向氣體箔片軸承的起飛過程和極限承載能力進(jìn)行測試，利用力傳感器、熱電偶、光電傳感器和便攜式測振儀對實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測.通過軸承起飛實(shí)驗(yàn)和極限加載實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）隨著載荷增加，氣體箔片軸承的起飛轉(zhuǎn)速升高.

2）隨著載荷增加，氣體箔片軸承的起飛轉(zhuǎn)矩升高.

3）隨著載荷增加，氣體箔片軸承起飛過程中的最大摩擦力矩增大.

4）隨著轉(zhuǎn)速升高，氣體箔片軸承的極限承載能力增大.

5）在轉(zhuǎn)速不變的情況下，氣體箔片軸承的摩擦力矩隨著載荷的增大而增大.

6）在60 000 r/min轉(zhuǎn)速下完成軸承加載實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行1 000 N加載.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高速重載實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建成功.