气体箔片轴承的发展

气体箔片轴承由气体润滑，属于滑动轴承。气体箔片轴承具有适用转速高、无需辅助设备、耐高温、结构简单、可靠性高、免维护等优点，被高速小功率旋转机械选用。目前已广泛应用于空气循环机(ACM)、燃料电池空气压缩机、鼓风机、微型燃气轮机、涡轮发电机等无油高速旋转机械中。一、气体箔片轴承原理常见的气体箔片轴承如图1所示，主要由轴承套、波箔片和顶箔片组成。原理如图2所示。由于旋转轴和轴承之间的偏心，在旋转轴和轴承顶部箔片的表面之间存在楔形空间。在转轴旋转运动过程中，转轴表面不断将周围环境中的气体驱入楔形槽内，从而在楔形槽内形成具有一定压力的动态气膜。当气膜压力大到足以支撑载荷时，转轴就会悬空，摩擦力就消失了。图片1图片2二、气体箔片轴承的发展气体箔片轴承的起源可以追溯到1906，Sundberg。箔片轴承的理论研究最早始于1953。Blok和Van Rossum[4]发表了一篇关于油润滑箔片轴承的论文，首次提出了“箔片轴承”这个术语。随后Patel，Cameron[5]和Ma[6]发表论文对气体箔片轴承进行了初步的理论研究，Licht[7-9]在1966和1969之间对气体箔片轴承进行了大量的实验研究。加勒特·艾尔塞西尔对气体箔片轴承的研究做出了重要贡献。20世纪60年代，建立了气体箔片轴承试验台，制作了气体轴承支承的旋转机械样机。1969年，气体箔片轴承首次应用于空气循环机。随着气体箔片轴承的应用环境越来越复杂和苛刻，其弹性支撑结构也在不断发展。气体箔片径向轴承结构的发展历程和主要形式如下:(1)拉力型气体箔片轴承A.A.Pollock在20世纪20年代末提出拉力型轴承，随后Jones等人改进了轴承结构如图3所示[11]轴承的主要部件是拉力销、导向销、箔片、轴承套和调节螺栓。箔片由导向销和张紧销张紧。转轴转动时，转轴与箔片之间会因偏心而产生动压效应，使转轴悬空。当时，这种类型的轴承广泛用于录音机。而拉伸径向轴承的箔片长期处于拉伸状态，箔片容易疲劳失效，导致轴承寿命短，承载能力不理想，制造难度大。后来逐渐被其他种类的箔片轴承取代[12]。照片图3拉伸径向轴承示意图[11] (2)平箔片气体箔片轴承1987这种箔片轴承是大阪产业大学提出的。平箔径向轴承在轴承套筒中具有多层平箔，并具有封闭的轴承内表面[13]。许多铜线放置在平箔片之间，为轴承提供支撑刚度。实验结果表明，由这种轴承支撑的转子系统可以在89000 r/min [14]下稳定运行。(3)多叶气体箔片轴承在美国国家航空航天局的支持下，多叶轴承被研制出来，如图4所示。多叶轴承有许多叶状的箔片，其一端固定在轴承套上，另一端挂在相邻的箔片上。旋转轴旋转时，由于楔块的存在产生动压效应，翼型箔片会在气压的作用下径向膨胀，从而在轴承内表面和旋转轴之间形成稳定的气膜[15]。图4多叶气体箔片轴承(4)波箔片气体箔片轴承这种气体箔片轴承是目前研究最多、应用最成功的轴承。波箔径向轴承主要分为三部分:轴承套、波箔和顶箔。顶部箔片和波形箔片提供刚性和阻尼。这种轴承具有加工工艺简单、使用寿命长、稳定性好、承载能力大等优点，广泛应用于现代高速轻载旋转机械中。根据轴承波纹箔片刚度分布，可分为三代[16-18]。20世纪60年代，美国研制出第一级波纹箔片气体箔片轴承[3]。这种波箔式气体箔片轴承的顶箔片是一个完整的箔片，波箔片上有许多圆形波纹，为轴承提供弹性支撑，如图5所示。Gray等人[19]对第一级波纹箔片径向气体箔片轴承进行了优化，在1981中提出了第二级箔片径向轴承。这一代轴承的波箔由三种波箔带沿轴向组成，如图6所示。通过改变这三种箔片的结构，使轴承不同部位的刚度不同，从而使轴承的气膜分布更加合理。在此基础上，Heshmat[20]提出了第三代波纹箔片径向轴承，这种波纹箔片轴承的箔片向各个方向变化，如图7所示。第三级波纹箔片径向轴承由轴向和轴向的各种波纹箔条组成，轴承刚度分布更加合理，显著提高了轴承的性能[21]。图片图5第一代波纹箔片径向轴承示意图图片图6第二代波纹箔片径向轴承示意图图片图7第三代波纹箔片径向轴承示意图(5)丝网气体箔片轴承Lee[22]在21世纪初公开了一种丝网代替波纹箔片的气体轴承，如图8所示。这个箔片轴承的顶箔片和轴承套之间有一个环形的金属丝网，给轴承带来刚性和阻尼。SanAndres和Chirathadam [23]对此类轴承进行了优化，后期的实验表明，丝网气体箔片轴承具有良好的阻尼，可以吸收轴承转子系统的振动能量，显著提高系统的稳定性[24-26]。照片图8金属丝网径向气体箔片轴承(6)气泡气体箔片轴承气泡轴承的部件较少，其弹性支撑结构为带有气泡突起的箔片，如图9所示。Kaneko[27]对鼓泡轴承进行了一些实验研究。冯和Kaneko等人[28-29]通过建立仿真模型对此轴承进行了系统的静动态分析。图9气泡式气体箔片轴承(7)弹簧式气体箔片轴承Ju-hoSong[30]在2006年提出了以螺旋弹簧作为柔性支撑结构的箔片轴承。通过改变弹簧的钢丝直径、螺距和周向分布的数量，可以方便地改变轴承的结构刚度。金虎[31]通过将弹簧相互嵌入增加了轴承圆周弹簧的数量。实验和理论结果证明，嵌入式弹簧箔片轴承具有良好的结构刚度和阻尼特性。图10弹簧式气体箔片轴承(8)多悬臂气体箔片轴承冯和赵等人[32]在2014中提出了一种多悬臂波箔片气体箔片轴承，其结构如图11所示。通过静态和动态分析得出结论:启动阶段波纹箔片变形区刚度小，从而降低了轴承的启动摩擦力矩；然而，在重载荷下，箔片的变形区域是坚硬的，这增加了承载能力。图11多悬臂径向气体箔片轴承示意图1995 Bosley[33]提出的悬臂箔片轴承，被Capstone公司广泛应用于微型燃气轮机设备中。2017年，胡晓强等人[34]研究了顶点悬臂箔片轴承的静动态特性，如图12所示，表明该轴承具有良好的刚度和阻尼特性。照片12悬臂式箔片轴承III。气体箔片轴承技术构建了可压缩流体-弹性结构和全维流固热耦合模型，揭示了弹性结构变形条件下箔片动压轴承的湿气液两相混合润滑机理，提出了时变耦合主机性能和状态的箔片动压轴承-转子系统动态匹配方法，从而形成了复杂多相工质润滑下的箔片动压轴承及其转子匹配技术。详见下图示意图:图片13图片14图片15 (1)气体浮压轴承及高速转子系统转子动力学计算分析。气体箔片轴承属于动压轴承，其刚度和阻尼分布对轴承转子系统的性能起着至关重要的作用。通过优化箔片轴承的支撑结构，为轴承提供合适的刚度和阻尼分布，建立气浮箔片轴承的动力学理论模型，计算轴承的动态刚度和阻尼特性，是轴承-转子动态特性分析的基础。具有不同刚度和阻尼特性的轴承适用于不同的轴承-转子系统。结合各系列产品的结构特点，利用传递矩阵法和有限元法建立轴承-转子的动力学模型，并进行如下分析:转子的临界转速:质量偏心的转子在临界转速运行时，会产生剧烈的振动。一般当发电机组的转速在起动和加速过程中上升到一定值时，会引起发电机组产生强烈的振动，称为临界转速，即转子及其支承系统的固有振动频率和此时转速的激励频率。为了使转子稳定安全运行，转子的临界转速应远离工作转速15%~20%。不平衡响应:稳态不平衡响应的分析也可用于确定系统的临界转速，但其更重要的任务是求解转子系统中可能存在不平衡时转子-支承系统的稳态不平衡响应，分析研究如何采取措施限制最大不平衡响应，减小不平衡响应。瞬态响应:瞬态响应分析主要是指转子系统不平衡量突然变化，作用在转子系统上的外载荷突然变化，或转子系统变速工作时，转子系统的响应分析，包括转子系统的位移和变形以及支承结构的传递载荷。起步加速是最常见的瞬态过程。模态分析:计算转子系统在不同临界转速下的正反进动模态，评估转子在不同正反进动模态和不同气动交叉刚度下的对数耗散，保证系统运行的稳定性。稳定性分析:绘制临界速度图、坎贝尔图等。，并介绍了转子系统的陀螺效应和叶轮机械气动交叉刚度的影响，结合API要求进行稳定性分析，确定空气轴承-转子系统的运行稳定性。(2)气浮压力轴承的运行耐久性和使用寿命控制技术气浮压力箔片轴承的耐久性和使用寿命决定了该轴承能否稳定应用于高速旋转设备，轴承结构设计和制造技术是关键手段。通过一系列轴承结构设计优化，保证了转子轴承系统在热平衡下的有效匹配，实现了机器转子系统反复拆卸后运行的一致性和重复性。通过制造工艺的改进，包括轴承材料的选择和热处理、箔片冲压、箔片激光切割、表面耐磨和润滑涂层的优化，保证了轴承刚度和阻尼的一致性和重复性，提高了气体轴承的耐久性和寿命。目前，气体动力轴承(包括径向轴承和推力轴承)已经在制冷离心压缩机设备上完成了120000次重复启停寿命试验，模拟了最恶劣的工况。气体动压轴承的理论不间断工作寿命可达20年以上。画