气体箔片轴承的发展

气体箔片轴承采用气体润滑，属于滑动轴承。气体箔片轴承凭借其适用转速高、无需辅机设备、耐高温、结构简单、高可靠性、免维护等优势被高速、小功率旋转机械的选用。目前在空气循环机（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已大量应用。

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、波箔和顶箔三大部件组成。原理如图2所示，由于力的作用转轴与轴承偏心，转轴与轴承顶箔的表面存在一个楔形空间，转轴旋转运动过程中，其表面不断地带动周围环境中气体进入楔形槽内，使得楔形槽内形成具有一定压力的动压气膜，当气膜压力足够大以至于能够支承起负载时，转轴便会悬浮，使摩擦力消失。

图1

图2

二、

气体箔片轴承发展

气体箔片轴承的起源可以追溯到1906年，Sundberg[1]公开了第一个类似的专利。Hoyt和Wikander分别于1912年和1921年申请了柔性表面轴承的专利[2,3]。有关箔片轴承的理论研究最早始于1953年，Blok和Van Rossum[4]发表针对油润滑箔片轴承的论 并首次提出了“Foil Bearing”这一专业词汇。随后，Patel和Cameron[5]、 Ma[6]等发表了论 对气体箔片轴承进行了初步的理论研究，Licht[7-9]在1966年和1969年之间对气体箔片轴承进行了大量的实验研究。Garrett AiResearch对于气体箔片轴承的研究具有重要贡献，在20世纪60年代便已搭建气体箔片轴承测试实验台和制作利用气体轴承支承的旋转机械样机，并于1969年首次将气体箔片轴承应用于空气循环机（ACM）[10]。随着气体箔片轴承的应用环境越来越复杂和苛刻，其弹性支承结构也在不断发展，气体箔片径向轴承结构的发展历程及其主要形式如下：

（1）张紧型气体箔片轴承

A.A.Pollock在20世纪20年代末提出了张紧型轴承，后来Jones等人在此基础上改进出如图3所示的轴承结构[11]。该轴承主要部件为张紧销、导向销、箔片、轴承套和调整螺栓。通过导向销和张紧销来拉紧箔片。当转轴旋转时，由于偏心的原因转轴与箔片之间会产生动压效应，使转轴悬浮。在当时，该类型轴承被大量应用在磁带记录器中。但张紧型径向轴承的箔片长期处于张紧状态，箔片很容易疲劳失效，导致轴承寿命较短，且轴承承载能力不太理想、制造难度也较大，后来逐渐被其他种类的箔片轴承取代[12]。

图3 张紧型径向轴承示意图[11]

（2）平箔型气体箔片轴承

1987年日本大阪产业大学提出该种箔片轴承。平箔型径向轴承的轴承套内具有多层平箔片，并具有封闭的轴承内表面[13]。在平箔片之间放置许多铜丝为轴承提供支撑刚度。实验结果表明，该类型轴承支撑的转子系统可以在89000 r/min下稳定运行[14]。

（3）多叶型气体箔片轴承

在NASA的支持下，多叶型轴承被开发出来，如图4所示。多叶型轴承具有许多个叶型箔片，这些箔片的一端固定在轴承套上，另一端耷拉在相邻的箔片上。当转轴旋转时，由于楔形的存在而产生动压效应，叶型箔片在气压的作用下会朝着径向膨胀，从而在轴承内表面与转轴之间形成稳定的气膜[15]。

图4 多叶型气体箔片轴承

（4）波箔型气体箔片轴承

该种气体箔片轴承是目前研究最多、应用最成功的轴承。波箔型径向轴承主要分为：轴承套、波箔和顶箔三大组成部件。顶箔和波箔提供了刚度和阻尼。该类型轴承具有加工工艺简单、寿命长、稳定性好和承载能力大等优点，在现代高速轻载旋转机械中应用广泛。根据轴承波箔刚度的分布可将其划分为三代[16-18]。在20世纪60年代，美国开发出第一阶段的波箔型气体箔片轴承[3]。该代波箔型气体箔片轴承的顶箔是一个完整的箔片，波箔上具有许多圆形波纹从而给轴承提供弹性支撑，如图5所示。Gray等人[19]针对第一阶段的波箔型径向气体箔片轴承所存在的不足进行了优化，并在1981年提出了第二阶段的箔片型径向轴承。该代轴承的波箔沿着轴向由三种波箔带组成，如图6所示。通过改变这三种箔片的结构，使得轴承不同部位的刚度不一样，从而让轴承气膜分布更加合理。Heshmat[20]在此基础上提出第三代波箔型径向轴承，该种波箔型轴承的箔片在各方向上均发生变化，如图7所示。第三阶段的波箔型径向轴承在轴向和轴向上均由多种波箔带组成，轴承刚度分布更加合理，从而显著改善了轴承的性能[21]。

图5 第一代波箔型径向轴承示意图

图6 第二代波箔型径向轴承示意图

图7 第三代波箔型径向轴承示意图

（5）金属丝 型气体箔片轴承

Lee[22]在二十一世纪初期公开了一种将波箔换成金属丝 的气体轴承，如图8所示。该种箔片轴承的顶箔与轴承套之间具有一层环形金属丝 ，从而给轴承带来了刚度和阻尼。SanAndres和Chirathadam等[23]对该类型轴承进行了优化，后期实验表明金属丝 气体箔片轴承具有较好的阻尼，能够吸收轴承转子系统的振动能量，显著提高系统稳定性[24-26]。

图8 金属丝 型径向气体箔片轴承

（6）鼓泡型气体箔片轴承

鼓泡型轴承的组成部件较少，其弹性支撑结构为一条带有鼓泡凸起的箔片，如图9所示。Kaneko[27]对鼓泡型轴承进行了一定的试验研究。Feng和Kaneko等[28-29]通过建立仿真模型对该种轴承进行了系统的静、动态分析。

图9 鼓泡型气体箔片轴承

（7）弹簧型气体箔片轴承

Ju-hoSong[30]于2006年提出了一种以螺旋弹簧作为柔性支承结构的箔片轴承。通过改变弹簧的丝径、螺距和周向分布的个数，可以方便的改变轴承的结构刚度。胡锦[31]利用弹簧互相嵌入的方法使轴承周向弹簧个数增加，试验和理论结果证明嵌入弹簧型箔片轴承具有较好的结构刚度和阻尼特性。

图10 弹簧型气体箔片轴承

（8）多悬臂型气体箔片轴承

Feng和Zhao等[32]在2014年提出了一种具有多悬臂波箔的气体箔片轴承，其结构如图11所示。通过静、动态分析得出，该种轴承在启动阶段波箔变形区域刚度较小，从而降低了轴承启动摩擦力矩；而在承受大载荷时，箔片变形区域刚度较大，从而增大了轴承承载能力。

图11 多悬臂型径向气体箔片轴承示意图

1995年Bosley[33]提出悬臂型箔片轴承，Capstone公司广泛应用于微型燃气轮机设备。2017年胡小强等[34]研究了Capstone 悬臂型箔片轴承的静动态特性，如图12所示，表明该轴承拥有良好的刚度和阻尼特性。

图12 悬臂型箔片轴承

三、

气体箔片轴承技术

构建可压缩流体-弹性结构，全维度流-固-热耦合模型，揭示弹性结构变形条件下箔片动压轴承含湿气液两相混合润滑机理，提出耦合主机性能及状态时变的箔片动压轴承-转子系统动力学匹配方法，形成复杂多相工质润滑下箔片动压轴承及其转子匹配技术。

详见下列示意图：

图13

图14

图15

（1）气浮动压轴承和高速转子系统的转子动力学计算分析

气体箔片轴承属于动压轴承，其刚度、阻尼分布对轴承转子系统的性能有至关重要的作用，通过对箔片轴承支撑结构的优化，为轴承提供合适的刚度和阻尼分布，同时建立气浮动压箔片轴承动态理论模型，计算轴承的动态刚度、阻尼特性是轴承-转子动力学特性分析的基础，不同刚度、阻尼特性的轴承适用于不同轴承-转子系统。

结合每个系列型号产品的结构特点，运用传递矩阵发和有限元法建立轴承-转子动力学模型，并进行以下分析：

转子临界转速：具有质量偏心的转子，当其在临界转速下运行时，将会发生剧烈振动。一般发电机组在起动升速过程中，当转速升至某数值时，激起机组产生强烈振动，此转速称为临界转速，即此时转子及其支承系统的固有振动频率与转速的激振频率共振。为使转子能稳定安全运行，设计转子时应使其临界转速避开工作转速15%~20%以上。

不平衡响应：稳态不平衡响应分析也可以用来确定系统的临界转速，但它更重要的任务是用来求解在转子系统中可能存在的不平衡量作用下，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及减小不平衡响应。

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在变转速下工作等情况下，转子系统的响应分析，包括转子系统的位移、变形以及支承结构的传递载荷分析，起动加速是最常见的瞬态过程。

模态分析：计算不同临界转速下转子系统的各阶正进动和反进动模态，并评估不同正进动模态、不同气动交叉刚度下的转子对数耗散，确保系统运行的稳定性。

稳定性分析：绘制临界速度图、坎贝尔图等，并引入转子系统的陀螺效应、叶轮机械的气动交叉刚度的影响，结合API要求进行稳定性分析，确定气浮轴承-转子系统的运行稳定性。

（2）气浮动压轴承运行耐久性和寿命控制技术

气浮动压箔片轴承的耐久性和寿命决定了轴承能否稳定应用于高速旋转设备，而轴承结构设计和制造工艺是关键手段。通过一系列轴承结构设计优化，确保转子轴承系统热平衡下的有效匹配，并实现多次拆装后机器转子系统运行的一致性及重复性；通过制造加工工艺改进，包括轴承材料的选型及热处理优化、箔片冲压成型、箔片激光切割、表面耐磨特性和润滑特性镀膜等先进工艺，确保轴承刚度和阻尼的一致性重复性，同时提升气体轴承的耐久性和寿命。

目前气体动压轴承（包括径向轴承和止推轴承）已在制冷离心压缩机设备上完了120000次重复启停的寿命试验，并模拟了最恶劣的运行工况环境，气体动压轴承不间断运行寿命理论可达20年以上。