氣體箔片軸承的發展

氣體箔片軸承由氣體潤滑，屬於滑動軸承。氣體箔片軸承具有適用轉速高、無需輔助設備、耐高溫、結構簡單、可靠性高、免維護等優點，被高速小功率旋轉機械選用。目前已廣泛應用於空氣循環機(ACM)、燃料電池空氣壓縮機、鼓風機、微型燃氣輪機、渦輪發電機等無油高速旋轉機械中。壹、氣體箔片軸承原理常見的氣體箔片軸承如圖1所示，主要由軸承套、波箔片和頂箔片組成。原理如圖2所示。由於旋轉軸和軸承之間的偏心，在旋轉軸和軸承頂部箔片的表面之間存在楔形空間。在轉軸旋轉運動過程中，轉軸表面不斷將周圍環境中的氣體驅入楔形槽內，從而在楔形槽內形成具有壹定壓力的動態氣膜。當氣膜壓力大到足以支撐載荷時，轉軸就會懸空，摩擦力就消失了。圖片1圖片2二、氣體箔片軸承的發展氣體箔片軸承的起源可以追溯到1906，Sundberg。箔片軸承的理論研究最早始於1953。Blok和Van Rossum[4]發表了壹篇關於油潤滑箔片軸承的論文，首次提出了“箔片軸承”這個術語。隨後Patel，Cameron[5]和Ma[6]發表論文對氣體箔片軸承進行了初步的理論研究，Licht[7-9]在1966和1969之間對氣體箔片軸承進行了大量的實驗研究。加勒特·艾爾塞西爾對氣體箔片軸承的研究做出了重要貢獻。20世紀60年代，建立了氣體箔片軸承試驗臺，制作了氣體軸承支承的旋轉機械樣機。1969年，氣體箔片軸承首次應用於空氣循環機。隨著氣體箔片軸承的應用環境越來越復雜和苛刻，其彈性支撐結構也在不斷發展。氣體箔片徑向軸承結構的發展歷程和主要形式如下:(1)拉力型氣體箔片軸承A.A.Pollock在20世紀20年代末提出拉力型軸承，隨後Jones等人改進了軸承結構如圖3所示[11]軸承的主要部件是拉力銷、導向銷、箔片、軸承套和調節螺栓。箔片由導向銷和張緊銷張緊。轉軸轉動時，轉軸與箔片之間會因偏心而產生動壓效應，使轉軸懸空。當時，這種類型的軸承廣泛用於錄音機。而拉伸徑向軸承的箔片長期處於拉伸狀態，箔片容易疲勞失效，導致軸承壽命短，承載能力不理想，制造難度大。後來逐漸被其他種類的箔片軸承取代[12]。照片圖3拉伸徑向軸承示意圖[11] (2)平箔片氣體箔片軸承1987這種箔片軸承是大阪產業大學提出的。平箔徑向軸承在軸承套筒中具有多層平箔，並具有封閉的軸承內表面[13]。許多銅線放置在平箔片之間，為軸承提供支撐剛度。實驗結果表明，由這種軸承支撐的轉子系統可以在89000 r/min [14]下穩定運行。(3)多葉氣體箔片軸承在美國國家航空航天局的支持下，多葉軸承被研制出來，如圖4所示。多葉軸承有許多葉狀的箔片，其壹端固定在軸承套上，另壹端掛在相鄰的箔片上。旋轉軸旋轉時，由於楔塊的存在產生動壓效應，翼型箔片會在氣壓的作用下徑向膨脹，從而在軸承內表面和旋轉軸之間形成穩定的氣膜[15]。圖4多葉氣體箔片軸承(4)波箔片氣體箔片軸承這種氣體箔片軸承是目前研究最多、應用最成功的軸承。波箔徑向軸承主要分為三部分:軸承套、波箔和頂箔。頂部箔片和波形箔片提供剛性和阻尼。這種軸承具有加工工藝簡單、使用壽命長、穩定性好、承載能力大等優點，廣泛應用於現代高速輕載旋轉機械中。根據軸承波紋箔片剛度分布，可分為三代[16-18]。20世紀60年代，美國研制出第壹級波紋箔片氣體箔片軸承[3]。這種波箔式氣體箔片軸承的頂箔片是壹個完整的箔片，波箔片上有許多圓形波紋，為軸承提供彈性支撐，如圖5所示。Gray等人[19]對第壹級波紋箔片徑向氣體箔片軸承進行了優化，在1981中提出了第二級箔片徑向軸承。這壹代軸承的波箔由三種波箔帶沿軸向組成，如圖6所示。通過改變這三種箔片的結構，使軸承不同部位的剛度不同，從而使軸承的氣膜分布更加合理。在此基礎上，Heshmat[20]提出了第三代波紋箔片徑向軸承，這種波紋箔片軸承的箔片向各個方向變化，如圖7所示。第三級波紋箔片徑向軸承由軸向和軸向的各種波紋箔條組成，軸承剛度分布更加合理，顯著提高了軸承的性能[21]。圖片圖5第壹代波紋箔片徑向軸承示意圖圖片圖6第二代波紋箔片徑向軸承示意圖圖片圖7第三代波紋箔片徑向軸承示意圖(5)絲網氣體箔片軸承Lee[22]在21世紀初公開了壹種絲網代替波紋箔片的氣體軸承，如圖8所示。這個箔片軸承的頂箔片和軸承套之間有壹個環形的金屬絲網，給軸承帶來剛性和阻尼。SanAndres和Chirathadam [23]對此類軸承進行了優化，後期的實驗表明，絲網氣體箔片軸承具有良好的阻尼，可以吸收軸承轉子系統的振動能量，顯著提高系統的穩定性[24-26]。照片圖8金屬絲網徑向氣體箔片軸承(6)氣泡氣體箔片軸承氣泡軸承的部件較少，其彈性支撐結構為帶有氣泡突起的箔片，如圖9所示。Kaneko[27]對鼓泡軸承進行了壹些實驗研究。馮和Kaneko等人[28-29]通過建立仿真模型對此軸承進行了系統的靜動態分析。圖9氣泡式氣體箔片軸承(7)彈簧式氣體箔片軸承Ju-hoSong[30]在2006年提出了以螺旋彈簧作為柔性支撐結構的箔片軸承。通過改變彈簧的鋼絲直徑、螺距和周向分布的數量，可以方便地改變軸承的結構剛度。金虎[31]通過將彈簧相互嵌入增加了軸承圓周彈簧的數量。實驗和理論結果證明，嵌入式彈簧箔片軸承具有良好的結構剛度和阻尼特性。圖10彈簧式氣體箔片軸承(8)多懸臂氣體箔片軸承馮和趙等人[32]在2014中提出了壹種多懸臂波箔片氣體箔片軸承，其結構如圖11所示。通過靜態和動態分析得出結論:啟動階段波紋箔片變形區剛度小，從而降低了軸承的啟動摩擦力矩；然而，在重載荷下，箔片的變形區域是堅硬的，這增加了承載能力。圖11多懸臂徑向氣體箔片軸承示意圖1995 Bosley[33]提出的懸臂箔片軸承，被Capstone公司廣泛應用於微型燃氣輪機設備中。2017年，胡曉強等人[34]研究了頂點懸臂箔片軸承的靜動態特性，如圖12所示，表明該軸承具有良好的剛度和阻尼特性。照片12懸臂式箔片軸承III。氣體箔片軸承技術構建了可壓縮流體-彈性結構和全維流固熱耦合模型，揭示了彈性結構變形條件下箔片動壓軸承的濕氣液兩相混合潤滑機理，提出了時變耦合主機性能和狀態的箔片動壓軸承-轉子系統動態匹配方法，從而形成了復雜多相工質潤滑下的箔片動壓軸承及其轉子匹配技術。詳見下圖示意圖:圖片13圖片14圖片15 (1)氣體浮壓軸承及高速轉子系統轉子動力學計算分析。氣體箔片軸承屬於動壓軸承，其剛度和阻尼分布對軸承轉子系統的性能起著至關重要的作用。通過優化箔片軸承的支撐結構，為軸承提供合適的剛度和阻尼分布，建立氣浮箔片軸承的動力學理論模型，計算軸承的動態剛度和阻尼特性，是軸承-轉子動態特性分析的基礎。具有不同剛度和阻尼特性的軸承適用於不同的軸承-轉子系統。結合各系列產品的結構特點，利用傳遞矩陣法和有限元法建立軸承-轉子的動力學模型，並進行如下分析:轉子的臨界轉速:質量偏心的轉子在臨界轉速運行時，會產生劇烈的振動。壹般當發電機組的轉速在起動和加速過程中上升到壹定值時，會引起發電機組產生強烈的振動，稱為臨界轉速，即轉子及其支承系統的固有振動頻率和此時轉速的激勵頻率。為了使轉子穩定安全運行，轉子的臨界轉速應遠離工作轉速15%~20%。不平衡響應:穩態不平衡響應的分析也可用於確定系統的臨界轉速，但其更重要的任務是求解轉子系統中可能存在不平衡時轉子-支承系統的穩態不平衡響應，分析研究如何采取措施限制最大不平衡響應，減小不平衡響應。瞬態響應:瞬態響應分析主要是指轉子系統不平衡量突然變化，作用在轉子系統上的外載荷突然變化，或轉子系統變速工作時，轉子系統的響應分析，包括轉子系統的位移和變形以及支承結構的傳遞載荷。起步加速是最常見的瞬態過程。模態分析:計算轉子系統在不同臨界轉速下的正反進動模態，評估轉子在不同正反進動模態和不同氣動交叉剛度下的對數耗散，保證系統運行的穩定性。穩定性分析:繪制臨界速度圖、坎貝爾圖等。，並介紹了轉子系統的陀螺效應和葉輪機械氣動交叉剛度的影響，結合API要求進行穩定性分析，確定空氣軸承-轉子系統的運行穩定性。(2)氣浮壓力軸承的運行耐久性和使用壽命控制技術氣浮壓力箔片軸承的耐久性和使用壽命決定了該軸承能否穩定應用於高速旋轉設備，軸承結構設計和制造技術是關鍵手段。通過壹系列軸承結構設計優化，保證了轉子軸承系統在熱平衡下的有效匹配，實現了機器轉子系統反復拆卸後運行的壹致性和重復性。通過制造工藝的改進，包括軸承材料的選擇和熱處理、箔片沖壓、箔片激光切割、表面耐磨和潤滑塗層的優化，保證了軸承剛度和阻尼的壹致性和重復性，提高了氣體軸承的耐久性和壽命。目前，氣體動力軸承(包括徑向軸承和推力軸承)已經在制冷離心壓縮機設備上完成了120000次重復啟停壽命試驗，模擬了最惡劣的工況。氣體動壓軸承的理論不間斷工作壽命可達20年以上。畫