氣體動壓箔片推力軸承仿真及試驗研究

余　睿，張　云，李子君，趙雪源，伍奕樺

氣體動壓箔片推力軸承仿真及試驗研究

余睿1，張云1，李子君1，趙雪源1*，伍奕樺2

(1.中車株洲電機有限公司，湖南，株洲，412001；2.湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南，長沙 410028)

為了減少燃料電池空壓機系統(tǒng)的體積和重量，系統(tǒng)需要滿足無油、高速、高功率密度等要求。基于此要求，氣體動壓箔片軸承成為其支承軸承的最佳選擇之一。為了研究氣體動壓箔片推力軸承(以下簡稱推力軸承)流體潤滑特性，基于ANSYS軟件采用流固耦合方法(FSI)對其進行了仿真分析，獲得了承載能力、溫升等靜態(tài)性能。試制了推力軸承樣品并進行了試驗測試。通過對比推力軸承承載能力仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可知，兩者的偏差僅為9.8%，驗證了FSI的有效性，可以為推力軸承的開發(fā)和研制提供一定的理論依據(jù)和設計指導。

氣體動壓箔片推力軸承；ANSYS；FSI；承載能力；靜態(tài)特性

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，高速軸承技術(shù)、變頻控制技術(shù)、高強度材料、鐵磁材料、絕緣材料以及加工制造新工藝等得到了迭代或升級，也同時推動機械制造裝備不斷地向高速、高精、高效、高可靠性的方向發(fā)展，其中又以高速永磁電機產(chǎn)品尤為突出。磁懸浮軸承技術(shù)和氣體懸浮軸承技術(shù)是目前高速電機應用領域中兩大主流軸承技術(shù)路線，兩者均是無油非接觸式軸承技術(shù)，后者較前者具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、轉(zhuǎn)速更高等優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應用于污水處理用鼓風機[1-4]、燃料電池空壓機[5-6]、微型燃氣輪機[7]、余熱回收發(fā)電機[8]等渦輪機械產(chǎn)品中。

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展與壯大，人們對燃料電池技術(shù)的關注度也在持續(xù)上升。燃料電池作為新一代環(huán)保、高效的發(fā)電裝置，為汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展注入了新的動力?？諝鈮嚎s機作為車載燃料電池系統(tǒng)中空氣循環(huán)系統(tǒng)的關鍵部件，其與燃料電池系統(tǒng)匹配程度對提升燃料電池的整體性能具有重要影響。采用箔片軸承支承的氣懸浮離心式空壓機由于具有無油潤滑、體積緊湊、噪聲小等特點，被視為燃料電池空壓機未來發(fā)展的主流技術(shù)路線。在空壓機中，由于渦輪或者壓縮葉輪的存在，不可避免地會產(chǎn)生軸向推力，為防止轉(zhuǎn)子軸向竄動，保持轉(zhuǎn)子的姿態(tài)，需要采用推力軸承來平衡軸向力[9]。在車輛啟動期間軸承將承受幾個g的沖擊載荷，為保證空氣壓縮機在外部不穩(wěn)定力下保持轉(zhuǎn)子動力學的穩(wěn)定，這就需要推力軸承具有更高的承載能力。

本實驗基于商用軟件ANSYS采用單向流固耦合方法(FSI)對推力軸承靜態(tài)性能進行仿真，同時試制了推力軸承并進行了試驗測試，試驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果偏差在10%以內(nèi)，驗證了仿真模型的有效性，可以為后續(xù)推力軸承的開發(fā)和研制提供一定的理論依據(jù)和設計指導。

1　軸承結(jié)構(gòu)

推力軸承是一種自作用的柔性表面流體動壓軸承,由三個主要部件組成：軸承座、波箔、頂箔。推力軸承圓周上分為若干個稱為瓦塊的扇形部分，每個瓦塊由波箔和頂箔組成，如圖1所示。波箔的彈性為頂層箔片提供支承力，主要由箔片推力軸承的剛度決定，波箔和頂箔構(gòu)成了推力軸承的柔性表面。頂箔的前緣與推力盤存在一定的角度，后緣與推力盤平行，從而形成一定的收斂間隙。當推力盤高速運轉(zhuǎn)時，推力盤與推力軸承之間由于氣體動壓效應而產(chǎn)生高壓，從而為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供軸向支承。圖2為推力軸承實物，在頂箔上涂覆的黑色涂層是一種固體潤滑涂層，可以顯著降低啟停階段轉(zhuǎn)子與軸承之間的干摩擦，提高轉(zhuǎn)子及軸承的使用壽命。圖3為推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，其中(a)為推力軸承剖面視圖，(b)為推力軸承頂箔的幾何尺寸圖；推力軸承具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1　推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖[11]

圖2　推力軸承實物

圖3　推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表1　軸承參數(shù)表

最小氣膜厚度是評估推力軸承承載能力的重要參數(shù)之一，對于特定推力軸承結(jié)構(gòu)，其承載能力隨著最小氣膜厚度的增大而迅速降低[10]。有研究學者[12]通過實驗測量了推力軸承的在不同工況下的最小氣膜厚度。實驗結(jié)果顯示最小氣膜厚度的實際測量值為幾個μm。由于轉(zhuǎn)子表面和軸承表面存在一定的光潔度，當潤滑氣膜厚度小于其最小氣膜厚度時，轉(zhuǎn)子表面和軸承表面間會發(fā)生局部接觸或磨損，最終會引起軸承的失效，如果想要得到較為正確的仿真計算結(jié)果，最小氣膜厚度的選取就顯得極為重要。

圖4　摩擦系數(shù)與潤滑系數(shù)λ關系曲線

2　Ansys仿真計算

2.1　CFD模型介紹

針對于推力軸承頂箔外形輪廓結(jié)構(gòu)尺寸，采用商用軟件ANSYS建立了推力軸承流體域三維流體動力學模型。推力軸承是6個推力瓦的形式，在滿足計算精度的前提下為了減小計算時間，本實驗采用1/6分段模型進行了解釋說明。網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時為了保證計算精度，在氣膜厚度方向至少生成了10個網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為1364577，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.95。在每塊推力瓦流體域兩端建立旋轉(zhuǎn)周期邊界，以模擬各推力瓦之間的流體循環(huán)。圖5為單塊推力瓦流體域的邊界條件設置，圖6為流體域網(wǎng)格劃分結(jié)果。

值得注意的是，由于軸承的動壓效應以及潤滑氣膜粘性摩擦作用產(chǎn)生的熱量會引起頂箔和波箔的彈性變形和熱變形，對軸承性能產(chǎn)生一定的影響，同時也增加了仿真計算的難度。為此，本實驗中推力軸承仿真采用單向流固耦合方法，通過流體域計算的壓力以及溫度數(shù)據(jù)只單向傳遞至固體域。

圖5　邊界條件設置

圖6　網(wǎng)格劃分

2.2　計算結(jié)果

采用層流模型進行推力軸承仿真計算時，選用的初始環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為1 atm，在轉(zhuǎn)速為18000 rpm下運行程序進行求解，得到推力軸承的壓力分布云圖和溫度分布云圖，如圖7、8所示。

從圖7可以看出，從軸承間隙的楔形區(qū)域入口開始，氣膜壓力逐漸上升，并在楔形區(qū)域和平面區(qū)域的分界處達到最大值，隨后逐漸減小。在平面區(qū)域的氣膜壓力分布相對均勻集中，該壓力區(qū)域也是推力軸承支撐載荷的主要來源。

從圖8可以看到，對于整個平面區(qū)域，氣膜溫度從內(nèi)徑側(cè)到外徑側(cè)有明顯的升高趨勢，且基本呈線性變化，這是推力盤從內(nèi)徑到外徑線速度線性增大，在氣體粘性效應的作用下，對相應區(qū)域的氣體產(chǎn)生剪切作用所致，這種現(xiàn)象于研究的結(jié)果是一致的，熱量在該區(qū)域的積累與外界冷卻氣流和氣膜內(nèi)加熱氣體之間的混合不良等因素有關[11]。

計算結(jié)果顯示單片推力瓦承載力為15.2 N，軸承總承載力為91.2 N，同時軸承最高溫度為65 ℃。

圖7　壓力分布云圖(18000rpm)

圖8　溫度分布云圖(18000rpm)

3　試驗測試

推力軸承性能測試試驗臺主要由驅(qū)動部分(驅(qū)動電機)和加載部分(氣缸及加載機構(gòu))組成，其中推力盤安裝在驅(qū)動電機的端部，推力軸承固定在推力軸承座(靜止件)內(nèi)，推力軸承座與氣缸及加載機構(gòu)軸向連接。試驗時通過調(diào)節(jié)氣缸壓力對推力軸承施加不同大小的軸向載荷，如圖9所示。試驗測試時采集的信號主要有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、軸承溫度、軸承負載以及軸承摩擦阻力矩，通過光電轉(zhuǎn)速傳感器和高速電機變頻器兩種方式可以監(jiān)測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；在測試推力軸承上圓周方向均布4個熱電偶傳感器可以監(jiān)測試驗過程中軸承的溫度；推力軸承座與氣缸之間的力傳感器監(jiān)測軸承施加的載荷；此外，在推力軸承座外徑側(cè)設計的推力桿用來測量軸承運行時的摩擦阻力矩。

圖9　推力軸承性能測試試驗臺示意圖

圖10為試驗過程中軸承溫度、摩擦阻力矩、加載力以及轉(zhuǎn)速隨時間變化關系曲線，圖11為截取的400～500s時間范圍內(nèi)軸承摩擦阻力矩隨時間變化曲線。試驗過程中，先對軸承施加38 N的預載荷，然后驅(qū)動電機升速至18 000 rpm，待軸承完全“起飛”[17]后，逐步增大載荷并維持該載荷穩(wěn)定運行一段時間，同時觀察摩擦阻力矩以及軸承溫升的變化趨勢，若摩擦阻力矩在該載荷下能保持穩(wěn)定且沒有明顯幅值波動，則繼續(xù)進行加載。值得注意的是，在轉(zhuǎn)速不變的情況下隨著載荷的逐漸增大，軸承的摩擦力矩隨之不斷增大；當施加載荷至83 N時，摩擦阻力矩開始出現(xiàn)波動，但是仍可以保持穩(wěn)定；隨著載荷的進一步增大，摩擦阻力矩突增，同時摩擦阻力矩幅值波動幅度增大(詳見圖11)，推測推力軸承與推力盤之間發(fā)生相對接觸，如果繼續(xù)加大載荷軸承將產(chǎn)生嚴重磨損，認為此時軸承與推力盤之間處于混合潤滑狀態(tài)。隨即停機并對測試推力軸承進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)推力軸承頂箔平面區(qū)域表面確實已經(jīng)出現(xiàn)明顯劃痕，同時局部位置有明顯磨損，如圖12所示。

圖10　軸承溫度、摩擦阻力矩、加載力以及轉(zhuǎn)速隨時間變化關系曲線

圖11　400～500s時間范圍內(nèi)摩擦阻力矩隨時間變化曲線

圖12　試驗后軸承

試驗結(jié)果顯示，在18000 rpm轉(zhuǎn)速條件下使得軸承不產(chǎn)生磨損的最大載荷為83 N，小于第2.2節(jié)中仿真計算結(jié)果91.2 N，偏差在10%內(nèi)，驗證了模型的可靠性，仿真結(jié)果大于試驗值的主要原因有以下2點。

(1)由于仿真計算時未考慮箔片熱彈性變形對推力軸承流體特性的影響，可以認為是一種剛性氣體軸承；

(2)由于加工以及裝配的誤差，推力盤與推力軸承之間還存在一定的傾斜，推力軸承每片推力瓦與推力盤之間的氣膜間隙并不一致。

4　性能預測

本實驗的推力軸承應用于單級燃料電池空氣壓縮機，其額定工作轉(zhuǎn)速為100000 rpm，校核額定轉(zhuǎn)速下氣動軸向力為68 N。采用等溫模型(流體溫度為20 ℃)對推力軸承進行了性能預測，預測推力軸承在額定轉(zhuǎn)速100000 rpm下承載力可達到489 N，推力軸承具備足夠的承載力安全裕度，額定轉(zhuǎn)速下推力軸承的壓力分布云圖如圖13所示。

圖13　壓力云圖(100000 rpm)

5　結(jié)論

(1)本實驗基于商用軟件ANSYS建立了推力軸承流體域三維模型，對推力軸承的靜態(tài)特性進行了仿真分析。并通過推力軸承性能測試實驗臺對推力軸承承載能力進行了測試，實驗測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果誤差在10%之內(nèi)，驗證了模型的有效性，可以成為后續(xù)推力軸承的開發(fā)和研制提供可靠的性能預測工具。

(2)基于仿真模型對實際轉(zhuǎn)速工況下推力軸承進行了性能預測，預測的承載能力大于需求值的7倍，設計的推力軸承具備足夠的安全裕度。

(3)在正常工況下，由于轉(zhuǎn)子推力盤和推力軸承表面間的氣膜中存在流動功和粘性剪切作用，會導致氣膜的溫度升高。氣膜溫升會引起潤滑氣體密度和粘度的變化，從而對軸承的性能產(chǎn)生較大的影響。此外，溫升會引起軸承元件的熱變形，如果缺乏完善的軸承熱管理，過高的溫度會使得軸承性能急劇降低甚至會導致軸承熱失效。本實驗的推力軸承仿真計算不考慮箔片的熱彈性變形，后續(xù)可以結(jié)合推力軸承座、波箔和頂箔的有限元模型，對推力軸承進行雙向流固熱耦合。通過理論較準確地預測軸承的內(nèi)部的溫度場可以為軸承的溫度管理提供設計指導。

[1] Oh J S, Lee H S. Development of High-Speed Industrial Turbo Blowers With Foil Air Bearings[C]//Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2003, 3686: 735-740.

[2] 舒行軍,徐剛,鄭越青,等.空氣懸浮鼓風機波箔軸承和高速永磁電機的關鍵技術(shù)研究[J].風機技術(shù),2017,59(2): 36-42.

[3] 張宏杰,楊柳.空氣懸浮高速永磁電機系列化設計及發(fā)展趨勢[J].風機技術(shù),2019,61(S1):87-90.

[4] 黃天旭.空氣懸浮單級高速離心風機節(jié)能可行性分析[J].風機技術(shù),2013,55(1):58-62.

[5] DaejongKim.應用于燃料電池的高速單級空氣壓縮機波箔軸承技術(shù)(英文)[J].風機技術(shù),2021,63(1):43-49.

[6] 燃料電池核心技術(shù)再突破，重塑科技與蓋瑞特達成戰(zhàn)略合作[J].汽車與配件,2020(19):22.

[7] 鄧建,胡連桃,黃昌華,等.箔片空氣軸承的新近技術(shù)突破與應用進展[J].軸承,2004(8):41-41.

[8] Yang Y M, Park B S, Lee S W, et al. Development of a turbo-generator for orc system with twin radial turbines and gas foil bearings[C]//Proceedings of the 3rd International Seminar on ORC Power Systems, Brussels, Belgium. 2015: 12-14.

[9] PARK D J, KIM C H, JANG G H, et al. Theoretical considerations of static and dynamic characteristics of air foil thrust bearing with tilt and slip flow[J]. Tribology International, 2008, 41(4): 282-295.

[10] 劉良軍.彈性箔片氣體動壓推力軸承的靜動態(tài)特性和熱特性研究[D].長沙:湖南大學,2015.

[11] DYKAS B, PRAHL J, DELLACORTE C, et al. Thermal management phenomena in foil gas thrust bearings[C]// Proceedings of ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea, and Air, May 8-11, 2006, Barcelona, Spain. 2008: 1417-1423.

[12] RUSCITTO D, MCCORMICK J, GRAY S. Hydrodynamic air lubricated compliant surface bearing for an automotive gas turbine engine. I. Journal bearing performance[R]. Office of Scientific and Technical Information (OSTI), 1978.

[13] Bayer. R.G. 1994. "Mechanical Wear Prediction and Prevention "Marcel Dekker, USA, 657 pp.

[14] Hutchings, I.M., 1992, "Tribology: friction and wear of engineering materials", Edward Arnold, Great Britain, 273 pp.

[15] Neale, M.J, 1997, "The Tribology Handbook", 2nd Ed., USA, Butterworth-Heinemann.

[16] Maru, M. M and Tanaka, D. K., 2007, " Consideration of Stribeck Diagram Parameters in the Investigation on Wear and Friction Behavior in Lubricated Sliding, & quot; ABCM J. Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng., 29, pp. 55-62.

[17] 謝永強.空氣動壓潤滑無油渦輪增壓器的設計與實驗研究[D].長沙:湖南大學,2015.

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，湖南婁底人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為氣體動壓箔片軸承技術(shù)研究及應用。

趙雪源（1989—），男，河南南陽人，博士研究生，工程師，主要研究方向為氣體動壓箔片軸承技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立