波箔徑向空氣軸承起飛轉速試驗研究

劉江，杜發榮

(北京航空航天大學 a.交通科學與工程學院；b.能源與動力工程學院，北京 100191)

小型化、高速化是近年旋轉機械的發展趨勢之一[1]，隨著轉速不斷提高，對支承轉子的軸承提出了越來越高的要求。波箔空氣軸承是一種新型彈性支承動壓氣體軸承，可很好地滿足超高速旋轉機械的要求。波箔空氣軸承出現于20世紀60年代末[2-3]，隨著研究工作的深入，波箔徑向空氣軸承的性能不斷提高，應用范圍不斷擴大，在小型渦噴發動機、電腦硬盤、燃氣輪發電機和飛機空氣循環機中都能發現其身影[4-6]。

波箔徑向空氣軸承起飛轉速是一項重要性能參數。文獻[7]對多片式波箔徑向空氣軸承進行試驗研究，提出了起飛轉速的測定方法，但是試驗臺轉速較低，不能精確測量起飛轉速。文獻[8]對單片式波箔徑向空氣軸承阻力矩及起飛轉速進行試驗研究，給出了起飛轉速數據，但是測量范圍較窄，不能全面反映起飛轉速特性。并且上述研究都沒有給出軸承各參數與起飛轉速之間的關系。

下文在前人研究的基礎上，對一系列單片式波箔徑向空氣軸承進行試驗研究，提出了軸承進入完全懸浮狀態時起飛轉速的測定方法，并且明確了軸承各參數對起飛轉速的影響。

1 波箔徑向空氣軸承

波箔徑向空氣軸承結構如圖1所示,其主要由軸承外殼、波箔和平箔組成。波箔和平箔組成軸承的彈性支承結構，波箔與平箔在同一端固定在軸承外殼上，另一端處于自由狀態。

圖1 波箔徑向空氣軸承結構

為了試驗分析波箔徑向空氣軸承各結構參數對起飛轉速的影響，設計并制造了6套外形尺寸完全相同(直徑32 mm，寬度48 mm)，配置不同彈性支承結構的試驗軸承。所有試驗軸承的彈性支承結構由3種不同參數的波箔和2種厚度分別為0.1和0.12 mm的平箔組合而成。所有箔片均使用Inconel X750高溫合金鋼制作而成。為了使波箔和平箔在高溫下也能具有足夠的彈性，必須對箔片進行熱處理。采用的方法是將箔片在650 ℃恒溫爐中加熱4 h后在空氣中冷卻至室溫，此方法處理的箔片可在370 ℃內保持彈性。為了準確測量波箔徑向空氣軸承起飛轉速，所有試驗軸承與轉軸之間的名義半徑間隙控制在45 μm以內。

波箔結構參數的定義如圖2所示。3種波箔的具體結構參數見表1。最終制作完成的6套試驗軸承的箔片配置情況見表2。

圖2 波箔結構參數示意圖

表1 波箔參數

表2 試驗軸承箔片配置

2 波箔徑向空氣軸承試驗臺

2.1 試驗臺總體設計

波箔徑向空氣軸承試驗臺轉軸固定，軸承在轉軸上懸浮工作，如圖3所示。整個試驗裝置布置在一個800 mm×800 mm的鑄鐵平臺上，如圖4所示。試驗臺可在不影響軸承正常工作的情況下對軸承施加載荷并測量軸承阻力矩及位移。試驗臺由一臺120MD60Y6電主軸驅動，最高轉速為60 000 r/min。試驗臺的轉軸使用螺紋固定在電主軸的連接端。

圖3 波箔徑向空氣軸承試驗臺原理圖

圖4 波箔徑向空氣軸承試驗臺

關于波箔徑向空氣軸承試驗臺的詳細內容見文獻[9]。

2.2 試驗臺測量系統

波箔徑向空氣軸承試驗臺測量的與本研究相關的物理量包括轉軸轉速及軸承阻力矩。

試驗臺采用量程為0.5 mm的電渦流位移傳感器測量轉軸轉速。傳感器安裝在電主軸的輸出軸處，如圖5所示，由于輸出軸上有2個用于扳手擰緊的平臺，隨著轉軸的旋轉，傳感器與轉軸之間的距離發生周期性變化，數據采集系統測得周期信號的頻率后便可精確測量轉軸轉速。

圖5 轉速傳感器的安裝及轉速信號

試驗臺對軸承阻力矩的測量是通過一個固定在軸承座上的測量桿，將軸承阻力矩的測量轉化成拉力的測量得以實現的，如圖6所示。通過BK-2測力傳感器對測量鋼索中拉力的變化進行測量。將拉力數據與測量力臂長度相乘便可得到軸承阻力矩。

圖6 阻力矩測量機構

3 起飛轉速的測定方法

通過分析波箔徑向空氣軸承在啟動過程中的阻力矩確定其起飛轉速。為了準確測定起飛轉速，特在試驗過程中延長了加速時間。1#軸承啟動及停車過程轉速與阻力曲線如圖7所示。轉軸開始旋轉的瞬間阻力達到最大值，隨著轉速的上升，軸承阻力逐漸下降。當轉軸達到某一轉速后，軸承阻力達到穩定值，不隨轉速而變化。文中定義軸承阻力達到穩定值那一時刻的轉速為起飛轉速(使用同樣方法可同時測定停車接觸轉速)。此方法測定的起飛轉速為軸承形成穩定氣膜，完全進入穩定工作狀態的轉速，對波箔徑向空氣軸承的實際應用更具指導意義。

圖7 1#軸承啟動及停車過程轉速與阻力

4 試驗結果分析

4.1 軸承載荷對起飛轉速的影響

以5#軸承為例，軸承載荷與起飛轉速成線性關系，如圖8所示。軸承載荷每增加10 N，起飛轉速相應上升10%左右。軸承載荷與停車接觸轉速之間同樣符合線性規律，并且由于軸承停車時的溫度高于啟動時的溫度，軸承內的間隙由于轉軸的熱膨脹而減小，所以停車接觸轉速比同載荷的起飛轉速平均高出2 000 r/min左右。

圖8 5#軸承各載荷起飛轉速及停車接觸轉速

4.2 波箔凸起寬度對起飛轉速的影響

分別配置1#～3#波箔的1#～6#軸承各載荷起飛轉速如圖9所示。隨著波箔凸起寬度的增大，軸承彈性支承結構的剛度逐漸降低，造成起飛轉速逐漸升高。并且起飛轉速的增幅隨波箔凸起寬度的增大而增大，配置1#波箔的1#和4#軸承比配置2#波箔的2#和5#軸承各載荷起飛轉速提高了5 000 r/min左右，而配置3#波箔的3#和6#軸承比2#和5#軸承各載荷起飛轉速提高了10 000 r/min左右。

圖9 1#～6#軸承各載荷起飛轉速

4.3 平箔厚度對起飛轉速的影響

采用厚度為0.1 mm平箔的1#～3#軸承各載荷起飛轉速高于采用厚度為0.12 mm平箔的4#～6#軸承各載荷起飛轉速，如圖9所示。此結果與波箔凸起寬度對起飛轉速的影響分析相符合，即具有更高支承剛度的軸承在相同載荷條件下具有更低的起飛轉速。由圖9還可知，1#和4#軸承的起飛轉速比較接近，因此對于波箔凸起寬度較大的軸承，平箔厚度對起飛轉速的影響更大。

4.4 試驗誤差分析

由1#～6#軸承的試驗數據可知，1#，2#，4#和5#軸承各載荷起飛轉速呈較好的線性規律，而3#和6#軸承試驗數據波動較大。這是由于6套軸承采用單件試制造的方法制作，受制作條件所限且工藝經驗不足，從波箔的成形到軸承的組裝過程中的誤差控制有所欠缺，所以造成軸承試驗數據失真。然而試驗數據趨勢正確，仍可反映波箔徑向空氣軸承起飛轉速特性。

5 結論

(1)波箔徑向空氣軸承載荷與起飛轉速成線性關系，起飛轉速隨載荷的增大而升高。

(2)波箔徑向空氣軸承停車接觸轉速比同載荷的起飛轉速平均高出2 000 r/min左右。

(3)波箔徑向空氣軸承起飛轉速隨波箔凸起寬度的增大而升高，并且增幅逐漸變大。

(4)波箔徑向空氣軸承起飛轉速隨平箔厚度的增大而降低，并且波箔凸起寬度較大則起飛轉速降幅較大。