新型弹性箔片动压气体止推轴承启停性能的研究

在多功能气体轴承试验台上对西安交通大学制冷与低温工程研究所开发的新型弹性箔片动压气体止推轴承进行了启停性能的试验研究。分析了箔片材料的选择和表面的处理对新型弹性箔片动压气体轴承启停性能的影响。试验结果表明经过表面处理的新型弹性箔片动压气体止推轴承具有较好的启停性能和稳定性。     

高速动压气体轴承箔片材料表面处理的探讨

针对高速透平机械动压气体轴承——箔片式气体轴承金属箔片材料的表面处理问题进行了一定的探讨。对箔片式气体轴承箔片材料的选择、材料的表面处理方法以及该轴承的启停性能和稳定性进行了实验研究。分析表明：通过对箔片材料及表面处理方法的合理选择，可以显著改善箔片式动压气体轴承的启停性能。     

箔片气体动压轴承研究进展综述

箔片气体动压轴承具有转速高、摩擦功耗低、无油润滑以及良好的减振性能等优势,已在飞机换气系统和曝气鼓风机等领域广泛应用。近年来随着全球“碳达峰碳中和”战略的提出和实施,氢燃料电池汽车等成为产业热点,箔片气体动压轴承在燃料电池空压机领域的应用呈现“井喷”态势,但箔片轴承在适应燃料电池汽车复杂工况所必须具备的长寿命、高抗振性及高可靠性等方面,还远远没有得到充分验证,目前仍处于路况验证和技术迭代阶段。因此有必要在新工况和新性能需求大背景下,对箔片气体动压轴承的现有研究成果进行系统梳理和深入分析。介绍了箔片气体动压轴承的结构及在燃料电池空压机中的应用;评述了箔片气体动压轴承的高速特性、比承载能力、动力学稳定性以及启停寿命等关键性能指标及当前发展水平;分别从箔片气体动压轴承理论建模、气固耦合特性仿真算法、气膜热特性及温升控制、轴承转子系统动力学稳定性、箔片轴承抗振性及疲劳寿命、箔片表面涂层技术及启停寿命、箔片轴承动态性能测试与试验技术等方面,对箔片轴承关键技术进行了系统分析和综述;最后结合燃料电池汽车工况对高速离心式空压机的性能需求,对箔片气体轴承关键技术的发展趋势进行了预测和展望。     

高速透平箔片动压气体轴承固体润滑涂层研究进展

箔片动压气体轴承广泛应用于高速透平膨胀机、微小型燃气轮机、涡轮增压机等高速透平机械中。固体润滑涂层可为箔片动压气体轴承提供启停阶段的润滑保护,对保证箔片动压气体轴承稳定性与使用寿命至关重要。本文回顾了国内外箔片动压气体轴承固体润滑涂层的研究历史与现状;结合文献资料着重分析了PS系列、Korolon系列和DLC系列的固体润滑涂层特性,并对其应用场合和优缺点进行了探讨。     

空气动压箔片轴承启停性能的实验研究

为分析空气动压箔片轴承启停过程的内在机制,构建箔片轴承试验平台,采用连续启停和阶梯转速启停2种实验模式对箔片轴承的启停特性进行深入研究,获得箔片轴承启停过程中摩擦力矩的真实变化规律;结合气体润滑理论,预测箔片轴承摩擦力矩在全转速范围内的变化规律,从工程角度给出了箔片轴承起飞转速的合理定义。结果表明:体接触摩擦力矩和气膜剪切摩擦力矩组成,在全转速范围内,箔片轴承的合成力矩随着转速的升高先降低后升高;工程角度看,当箔片轴承在设定转速下工作时,只要测量合成力矩相对于启动时最大力矩下降了很大的幅度,可以认为此时的箔片轴承已经起飞,即当前状态的箔片轴承具备承受相应负载的承载能力。     

无油涡轮增压器的设计及其试验研究

对采用空气箔片轴承支承的无油涡轮增压器进行了设计和试验性研究。详细阐述了无油涡轮增压器以及所采用的空气箔片轴承的设计过程。通过静态加载试验预估了空气箔片轴承的名义间隙,采用Link-Spring模型预测了空气箔片轴承支承结构的刚度,结合Link-Spring模型和雷诺方程,采用扰动法对轴承的动态刚度和阻尼系数进行了有效预测。线性转子动力学分析表明设计的无油涡轮增压器转子的前两阶刚体模态临界转速均在所用空气箔片轴承的起飞转速之下,转子的正常运行转速在一阶弯曲模态临界转速之下并具有足够的安全裕度。对整个转子系统进行了转子动力学分析与计算之后,在此基础上搭建了无油涡轮增压器试验台,初步的升降速试验结果表明：转子在20 kr/min~60 kr/min出现较大的次同步振动,但是转子在68 kr/min时次同步振动显著减小,转子在68 kr/min稳速时的轨迹以及FFT分析表明转子在该转速下的主要振动来自同步振动,这表明增压器可以在68 kr/min稳定运行。同时,实时测量了推力轴承和径向轴承的温度,在68 kr/min稳速期间,推力轴承和径向轴承温度分别在52℃和32℃处小幅波动,说明了该转子-轴承系统的相对稳定性。     

弹性箔片轴承的研究进展*

近年来,弹性箔片轴承在高速透平机械的应用中展现出巨大的潜力。为获取轴承高承载力、减少轴承启停过程的摩擦与磨损、提高轴承的高速稳定性,研究人员开展了大量的理论、实验与应用研究。从弹性箔片轴承的结构特性、涂层特性和建模方法3个方面对气体弹性箔片轴承的研究进展进行综述。首先从轴承结构优化的角度,介绍箔片轴承结构改进的发展历程,以及具有新颖结构设计的多叶搭接式弹性动压箔片轴承及其优点;然后从减少轴承启、停阶段摩擦力,提高弹性箔片轴承使用寿命的角度出发,比较分析了应用广泛的多种涂层,总结国内外新型润滑剂的适用条件及减摩效果;最后从轴承建模角度,介绍经典的简单弹性模型、考虑箔间摩擦力与分离等影响因素的系列复杂模型,为后续模型构建与性能分析提供依据。展望弹性箔片轴承在高精尖等领域的前景,并对弹性箔片轴承的研究方向提出了建议。     

航空发动机弹性箔片气体动压轴承技术研究及性能评价综述

弹性箔片气体动压轴承广泛应用于航空发动机中,在减少航空发动机功率损失、提高发动机可靠性方面具有重要作用。综述了国内外箔片气动轴承的研究现状,介绍了航空发动机箔片气动轴承结构的发展和应用特点,重点讨论了箔片止推轴承的理论研究现状,比较了不同箔片气动轴承润滑建模方法、润滑求解方法、收敛控制方法,指出了弹性箔片气体动压轴承在航空发动机旋转机械中的巨大应用潜力,提出了气动轴承技术今后需要重点开展的研究发展方向,主要包括箔片动压气体轴承理论建模及其模型求解、箔片气动轴承的实验研究及试验台架的搭建测试、箔片动压气体轴承设计及加工制造、轴承表面涂层技术的研究以及箔片动压气体轴承技术的应用等。     

两类多油楔浮环轴承性能比较

高速轻载机械常使用多油楔轴承,通过对三油楔浮环轴承和油楔个数是其两倍的六油楔浮环轴承动压油膜流体动力特性的计算和比较,判断出多油楔浮环轴承油楔个数及浮环对轴承性能的影响.多油楔浮环轴承不但边界复杂而且是多域问题,由于边界元方法不需要域内网格划分,只需边界离散,因而在处理复杂边界问题、多域问题时有其独特的优越性,计算工作量小,精度高.利用边界元方法计算了三油楔、六油楔两类浮环轴承的外油膜流场分布、轴承及浮环表面压力分布、e =0.03时轴承表面压力分布直观图、有无浮环时内摩擦损耗,并且对两类轴承的稳定性、承载能力及内摩擦损耗作了比较.通过对计算结果的分析和比较判断出在相同的偏心率下油楔个数的增加可以提高轴承的稳定性和承载力,加入浮环后可以减小轴承的内摩擦损耗.     

气体动压箔片径向轴承工程应用试验研究

通过构建正置式的动压轴承性能验证平台,对设计制造的动压轴承进行了启停寿命、运行稳定性、温升特性、轴承互换性、与传统滚动轴承的比较等工程试验研究,结果表明:研制的动压轴承启停寿命大于104次;运行时的轴心轨迹在±0.03 mm以内,运行稳定;温升稳定在可接受的范围内;轴承能满足工程互换性要求;动压轴承具有良好的减振、降噪、长寿命的特性,取得了较好的工程应用效果。     

考虑不同加速工况的滑动轴承的启停性能分析*

滑动轴承的摩擦磨损主要发生在启停阶段。为了研究启停工况下的滑动轴承的摩擦学性能,建立一种面向径向滑动轴承的混合润滑数值分析模型。采用质量守恒边界条件的雷诺方程求解流体压力,采用Greenwood和Tripp接触模型预测固体表面接触,而通过Johnson载荷分配概念将润滑模型和接触模型联系起来,从而实现对滑动轴承在启停工况下从混合润滑过渡到动压润滑的摩擦学行为分析。利用该模型,研究轴承系统在启停阶段从边界润滑、混合润滑到动压润滑演化过程中的摩擦学性能;以径向滑动轴承系统为例,结合不同的轴承转速变化函数,分析轴承加速对轴承启停性能的影响;同时研究工作工况、润滑油温度、轴承的结构参数对轴承启停性能的影响。结果表明：轴承启动加速度在合理范围内越大越好,能使轴承更快进入动压润滑;较高的转速、较低的润滑油温度和较大的径向轴承间隙能使轴承拥有更好的启停性能。     

微小型高速透平径向箔片动压气体轴承的研究

微小型高速透平膨胀机的发展对微小型动压气体轴承的开发提出迫切的要求,研制微小型动压气体轴承十分必要。在一台微小型高速透平膨胀机上对平箔型、弹性片支承型、鼓泡型3种不同的径向箔片气体轴承分别进行了研究。试验结果表明3种箔片轴承均能满足运行要求,通过比较发现,鼓泡型径向箔片气体轴承具有加工简单,运转稳定的特点。配合鼓泡型动压止推轴承,对全鼓泡型箔片轴承全动压透平膨胀机进行研究。初步试验最高转速可达22万r/min。     

大承载波箔型空气动压轴承性能的工程实验研究

通过工程实验的方法,研究大承载波箔型空气动压轴承的性能。通过构建倒置式的动压轴承实验系统,对设计的用于132 kW风机的动压轴承进行起飞特性、承载能力、涂层效果、轴承间隙、启停寿命等工程实验研究。提出一种采用动力学方法来确定空气动压轴承起飞转速的方法,使起飞转速的判断更准确。对实际制造的轴承的工程实验表明,该轴承能在5 000 r/min左右起飞,承载能力大于154 N;涂层的减磨耐磨效果良好,能满足10 000次的启停要求;轴承的实际使用性能在间隙在0.3 mm左右时最佳。     

空气悬浮鼓风机波箔轴承和高速永磁电机的关键技术研究

空气动压箔片轴承是一种无油支承技术,没有接触摩擦,从根本上避免了滚动支承的润滑油"高温起雾"的难题,被认为是支承技术的一场革命。本文针对某离心风机对空气动压箔片轴承的需求,重点研究了轴承的设计、仿真计算、制造、表面涂层等技术,研制出了承载能力12.5kg的高速空气动压轴承,并对轴承性能进行了测试;同时,对高速大功率永磁电机及其控制技术进行了研究与开发,研制出了不同功率的多套样机;最后,将空气动压轴承、高速电机、风机叶轮等结合起来,设计制造了动压风机原理样机。     

浮环轴向长度对高速轻载涡轮增压器转子系统振动特性影响研究

浮环轴承内外轴向长度结构参数会影响油膜压力分布与偏心率,产生显著分频振动而引发高速轻载涡轮增压器转子非线性振动故障。基于流体润滑理论和浮环力矩平衡方程,推导了含浮环轴承的涡轮增压器转子系统动力学方程,揭示浮环轴承轴向长度与转子系统振动响应之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器转子系统为例,分析浮环内、外轴向长度对轴承油膜压力、偏心率等动力特性的影响,构建转子系统动力学有限元模型,通过三维振动瀑布图研究不同浮环轴向长度下转子系统频域瞬态振动响应,结果表明：浮环内轴向长度从2.6增加到4.6 mm,导致浮环转速升高,最大内油膜压力减小,轴颈偏心率降低,分频幅值增加且出现分频的轴颈转速由142 kr/min降至76 kr/min,更易产生明显的非线性涡动现象;浮环外轴向长度从3.6增加到6.15 mm,使浮环转速降低,最大外油膜压力变小,浮环偏心率及轴颈相对浮环的偏心率减小,低转速下分频幅值减少且出现分频的轴颈转速由10 kr/min升至22 kr/min,可抑制转子系统过早发生非线性涡动,为浮环轴承结构参数设计与试验提供理论支撑。     

基于热气弹耦合的悬臂式箔片气体动压轴承动态特性分析

在考虑气膜与弹性箔片的耦合作用,以及可压缩动压流体热效应和热传导影响的基础上,建立了悬臂式箔片气体动压轴承热气弹耦合性能计算模型,并据此分析了箔片数目、长径比和偏心率对轴承动态特性的影响。研究结果表明:随着箔片数目的增加和长径比的增大,轴承刚度系数和阻尼系数逐渐增加;在大偏心率下,箔片会产生较大变形并调整气膜厚度,故轴承刚度系数有所下降。因此,对于悬臂式箔片气体动压轴承支承的转子系统而言,可通过优化轴承箔片数目、厚度、长径比等结构参数提升系统动态性能及稳定性。     

透平膨胀机动压气体止推轴承的试验研究

将自行设计的复合式螺旋槽动压止推轴承应用在高速透平膨胀机上，对其在动压下的振动特性进行了试验研究。试验结果表明：在高速透平膨胀机上采用复合式动压螺旋槽止推轴承，转子运行平稳、振动特性良好，轴承与系统体现出较好的配合性能；一定压力下的辅助供气是全动气体止推轴承具有良好的起停性能的重要保证，对于透平膨胀机采用的全动压气体止推轴承，供气压力在0．1-0．2MPa之间。止推轴承的径向承载力不够是最终失稳的主要原因，可通过提高轴承的设计承载能力和合理选择叶轮及工作轮参数将轴向力控制在很小的范围内来提高轴承稳定性。     

透平膨胀机组动静压浮环轴承性能研究

首次提出了一种新型结构的动静压轴承——推力 -径向联合浮环动静压轴承 ,并对该轴承进行了系统的理论分析与实验研究。结果表明该轴承兼备动压、静压及浮环轴承的优点 ,具有优良的工作性能 ,完全可以取代目前高速旋转机械中广泛使用的五瓦可倾瓦轴承     

圆锥浮环动静压轴承有限元解和试验研究

将静压支承原理和圆锥动压浮球轴承结合起来,提出了一种新型结构的滑动轴承—圆锥浮环动静压轴承,并对此进行了理论分析,有限元计算和试验研究。导出了基本微分,积分方程组,提出了保证浮环启动的设计准则,较好地解决了数值计算中的多重迭代和快速收敛问题,讨论了不同条件下的轴承性能,提示了轴心,环心,环轴速比等的变化规律。理论计算和试验取得了较好的一致,并表明,该轴承兼具加圆锥,动压,静压,浮环滑动轴承之优点,在高速旋转机械领域将有广阔的应用前景。     

弹性支承箔片动压气体径向轴承的实验研究

对新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承进行试验研究,在高速透平膨胀机(主轴轴径D=25.0mm、转子总长l=250.5mm、转子质量Gm=891g、额定工作转速10.64×104r/min)上达到了转子转速14.8×104r/min、超速40%的良好试验效果。对这种弹性支承箔片动压气体径向轴承的振动特性和稳定性进行试验研究。结果表明,该轴承具有优良的动态特性与稳定性,能有效抑制高速自激涡动的发展,在正确选择结构参数和表面处理方法后,有望替代目前在高速透平机械中广泛应用的静压气体轴承。