波箔径向空气轴承最小气膜厚度测量分析

刘江，杜发荣

(北京航空航天大学 a.交通科学与工程学院；b.能源与动力工程学院 ，北京 100191)

波箔空气轴承是一种新型弹性支承表面动压空气轴承，与传统的刚性表面动压空气轴承相比有承载能力大、工作稳定性高等优点。波箔径向空气轴承自20世纪60年代末出现以来[1]，随着科学技术的进步，其承载能力和应用范围不断扩大，近年来在燃气轮发电机、微小型涡喷及空气循环机中都得到了应用[2-5]。

波箔径向空气轴承的气膜厚度是轴承的一项重要性能参数，它直接影响着轴承的承载能力和工作稳定性。由于轴承气膜厚度的精确测量比较困难，故对轴承气膜厚度的研究多集中在理论仿真领域[6]。

下文针对波箔径向空气轴承提出了一种气膜厚度测量方法，给出了各工况轴承气膜厚度的测试数据，并得出了转轴转速、轴承载荷与气膜厚度之间的关系。

1 波箔径向空气轴承

如图1所示，波箔径向空气试验轴承由轴承外壳、波形箔片、平箔片3部分组成。波形箔片和平箔片在同一端分别固定在轴承外壳上宽0.2 mm的槽内，箔片的另一端处于自由状态。

图1 波箔径向空气轴承

轴承的具体结构参数见表1，关于波形箔片的结构参数定义如图2所示。所有箔片均采用Inconel-X750制作，并通过热处理使材料在高温条件下仍具有较高的弹性模量。

表1 波箔径向空气轴承参数 mm

图2 波形箔片结构参数示意图

2 气膜厚度的测定

2.1 试验装置

试验装置[7]布置在800 mm×800 mm的铸铁平台上，转轴由电主轴驱动，最高转速可达60 000 r/min。试验台基于轴承在固定旋转转轴上悬浮工作的原理，可以对轴承的阻力矩、2个方向的位移、转速及温度等参数进行测量。同时对轴承施加不同的载荷，在测量和施加载荷的过程中，轴承始终处于自由悬浮状态，故轴承的工作特性不会受到影响。

波箔径向空气轴承气膜厚度是基于轴承位置精确测量得到的。试验台采用2个相互垂直安装的电涡流位移传感器对轴承位置进行测量，如图3所示。2个位移传感器所构成的直角坐标系与水平方向的夹角为45°，将位移传感器所构成的直角坐标系中的测量数据旋转45°，即可得到直角坐标系中的轴承位置数据。

图3 电涡流位移传感器安装示意图

2.2 测量方法

对轴承气膜厚度进行测量时，首先测量轴承静止状态不同载荷作用下垂直方向的初始位置。试验轴承静止状态垂直方向初始位置与载荷的关系如图4所示，图中数据为3次测量结果的平均值。

图4 垂直方向初始位置与载荷的关系

在得到轴承各载荷初始位置数据的基础上，对不同载荷及不同转速稳定工作时的轴心轨迹进行测量。对轴承某一工况的轴心轨迹y轴数据取最小值，该最小值与对应载荷轴承初始位置之间的差即为该工况轴承的气膜厚度。转速42 000 r/min，载荷72 N工况下轴承轴心轨迹、初始位置及气膜厚度之间的关系如图5所示。测得的气膜厚度为轴承在该工况下的最小气膜厚度，此方法可以判断转轴与箔片间是否存在摩擦，并可以在轴承承载能力测量过程中对轴承的工作状态进行判断。

图5 最小气膜厚度测量结果

3 试验结果分析

3.1 转速对气膜厚度的影响

不同载荷下气膜厚度随转速的变化曲线如图6所示。在所测量的24000～54000r/min转速范围内，当载荷超过32 N时，气膜厚度随转速升高而增大，并且随着转速的升高，气膜厚度的增大幅度有逐渐增大的趋势；当载荷不超过32 N时，转速大于30 000 r/min时，轴承气膜厚度非常不稳定，出现了大幅下降。分析认为：轴承在低载荷高转速工况下工作不稳定，轴心轨迹波动较大，故轴承工作时气膜厚度的最小值会大幅下降。

图6 转速对气膜厚度的影响

3.2 载荷对气膜厚度的影响

不同转速下气膜厚度随载荷的变化曲线如图7所示。在24 000 r/min和30 000 r/min工况下，轴承的气膜厚度与载荷近似成线性关系，随着载荷的增加，气膜厚度逐渐减小。

图7 轴承载荷对气膜厚度的影响

在36 000～54 000 r/min工况下，当载荷超过42 N时，气膜厚度与载荷近似成线性关系，当载荷小于42 N时，气膜厚度快速下降，这同样是由于轴承工作不稳定引起的。因此，若排除轴承工作不稳定的情况，可以认为波箔径向空气轴承气膜厚度与轴承载荷间成线性关系。

4 结论

(1)转速升高，气膜厚度随之增大，且增长幅度有逐渐增大的趋势。

(2)轴承气膜厚度与载荷成线性关系，随着载荷的增大，气膜厚度逐渐减小。

(3)相对于载荷，转速对轴承气膜厚度的影响较大。

(4)在特定的小载荷高转速工况下，轴承轴心轨迹波动较大，不能稳定工作。