空气动压箔片轴承启停性能的实验研究.pdf

2 0 1 1年 7月 第 3 6卷 第 7期 润滑与密封 L UBRI CATI ON ENGI NEERI NG J u l y 2 01 1 Vo 】 ． 3 6 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4～ 0 1 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 1 3 空气 动压箔 片轴 承启停性 能的实验研 究 彭万欢郑越青徐刚 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳 6 2 1 9 0 0 摘要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 。 关键词箔片轴承；动压轴承；启停性能；起飞转速 中图分类号 T H 1 3 3 ． 3 5 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4～ 0 1 5 0 2 0 1 1 7 0 5 2 4 Ex pe r i me nt a l S t ud y o n t he S t a r t - s t o p Ch a r a c t e r i s t i c o f Fo i l Ai r Be a r i ng Pe n g Wan h u a n Zh e n g Yu e q i n g Xu Ga n g I n s t i t u t e o f M e c h a n i c a l M a n u f a c t u r i n g T e c h n i q u e ， C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e ri n g P h y s i c s ， Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 9 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a n a l y z e t he i n t rin s i c c h a r a c t e ris t i c s o f f o i l a i r b e a rin g d u rin g t h e s t a r t a n d s t o p p r o c e s s ， a t e s t r i g wa s b u i l t a n d e x p e r i me n t s wi t h t wo k i n d s o f e x p e rime n t mo d e， c o n t i n u o u s r o t a r y s p e e d s t a r t s t o p a n d s t e p p e d r o t a r y s p e e d s t a r t - s t o p we r e i mp l e me n t e d ． F r o m t h e e x p e r i me n t r e s u l t s t h e r e a l l a w o f f ric t i o n mo me n t o f f o i l a i r b e a rin g d u rin g t h e s t a rt a n d s t o p p r o c e s s wa s c o n c l u d e d， t h e l a w o f fri c t i o n mo me n t i n t h e f u l l s p e e d r a n g e wa s p r e d i c t e d i n t e g r a t i n g wi t h t h e t h e o r y o f g a s l u b r i c a t i o n， a n d a r e a s o n a b l e d e fi n i t i o n o f l i f t o ff s p e e d o f f o i l a i r b e a r i n g wa s g i v e n f r o m t h e s i g h t o f e n g i n e e rin g ． Th e e x p e rime n t s r e v e a l t h a t t h e t e s t e d mo me n t o f f o i l a i r b e a rin g i s c o mp o s e d o f c o n t a c t f ric t i o n mo me n t be t we e n s o l i d s a n d s h e a r f r i c t i o n mo me n t o f g a s fil m ， a n d t h e t e s t e d c o mp o s e d mo me n t o f f o i l a i r b e a rin g i n c r e a s e s wi t h t h e r o t a ry s p e e d i n t h e b e g i n n i n g b u t d e c r e a s e s l a t e r ． Fr o m t h e p o i n t o f e n g i n e e r i n g， wh e n f o i l a i r b e a r i n g i s s t a b l y r u n n i n g a t wo r k i n g s p e e d， a s l o n g a s t h e t e s t e d c o mp o s e d mo me n t d e c r e a s e s wi t h h i g h p e r c e n t c o mp a r i n g wi t h t h e ma x i mu m mo me n t wh e n s t a r t e d， a l i ft o ff c a n b e c o n s i d e r e d t o h a p p e n， wh i c h me a n s t h a t t h e f o i l a i r b e a rin g i n t h i s c o n d i t i o n i s c a p a b l e t o a f f o r d t h e c o r r e s p o nd i n g l o a d． Ke y wo r d s f o i l a i r b e a rin g； a e r o d y n a mi c b e a tin g； s t a rt s t o p c h a r a c t e r i s t i c； l i f t o ff s p e e d 空气动压箔片轴承是一种无油支承技术 ，它以空 气作为润滑剂，以弹性平箔作为支承表面，以弹性波 箔作为支承部件⋯。由于采用弹性支承，动压箔片轴 承具有很强的自适应性 、高容杂性和良好的抗冲击能 力 。由于空气动压箔片轴承工作时无需润滑油，支 承件之间无机械接触 ，完全消除了磨损，没有接触摩 擦 ，因而没有摩擦生热，从根本上避免了滚动支承的 润滑油 “ 高 温起 雾 ” 的难题 ，对工作 介 质和 环境 无 基金项 目中国工程物理研究院机械制造工艺研究所所长基 金项 目 K 5 8 7 0 9 一 J S ． 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 1 作者简介 彭万欢 1 9 8 1 一 ，男 ，硕士 ，工程师 ，研究方向为 气体润滑．E - m a i l w a n h a p p y s o h u ． t o m ． 污染，是无公害的支承技术，被认为是支承技术的一 场革命。这些优点使得空气动压箔片轴承在高速 、超 高速主轴系统中有着广泛的应用前景 ，是解决传统支 承限制转 速进一步提高的瓶颈的一个重要途径 。 空气动压箔片轴承的启停特性关系到箔片轴承运 行时的摩擦特性、温升特性、使用寿命等重要性能指 标，然而 目前国内外大多数研究学者对箔片轴承启停 过程中相关物理量的变化规律仍然莫衷一是，比如对 箔片轴承起飞转速的定义就有多个版本。本文作者通 过构建动压箔片轴承试验平台，对空气动压箔片轴承 的启停特性进行试验研究，分析了箔片轴承启停过程 的内在机制 ，获得了箔片轴承在全转速范围内的力矩 变化规律，揭示了当前对起飞转速的定义所存在的误 2 0 1 1 年第 7期 彭万欢等空气动压箔片轴承启停性能的实验研究 5 3 区，研究结果对于丰富箔片轴承理论基础和工程设计 经验具有一定的促进作用。 1 试验平 台结构 1 ． 1 试验平 台硬件结构 箔片轴承性能试验测试平 台系统采用倒置式结 构，如图 1 所示 ，即用轴承座 8 通过滚动轴承 9支撑 转子4旋转，电机 1 通过柔性联轴器 3驱动转子高速 旋转，转子高速旋转时将箔片轴承 5浮起。这种结构 非常便于对箔片轴承进行加载和扭矩测量，有利于箔 片轴承各项性能规律的测试。箔片轴承的负载由质量 块 1 1 通过滑轮装置 1 2竖直向上施加于箔片轴承中心 上 ，箔片轴承上 固定一根测杆 6 ，通过测量测杆施加 于力传感器 7上的作用力可以得到实验条件下箔片轴 承的摩擦力矩 ，作为描述箔片轴承启停特性的重要物 理量。系统驱 动 电机 选用 富士变频 电机 V F G 9 0 L ． 3 3 ． 3 - 1 ． 1 - 4 ，其最高转速为 8 0 0 0 r ／ m i n 。 l 2 3 4 5 6 7 8 1 ． 电机 2 ． 电机支架 3 ． 联轴器 4 ． 转子 5 ． 箔片轴承 6 ． 测杆 7 ． 力传感器 8 ． 轴承座 9 ． 滚动轴承 1 0 ． 轴承端盖l 1 ． 质量块 l 2 ． 滑轮 图 1 实验平台硬件系统结构 F i g 1 Ha r d wa r e s t r u c t u r e o f t e s t r i g 1 ． 2箔片轴承 结构 目前研究人员已开发了多种结构形式的径向箔片 轴 承 ，有 张 紧 型、悬 臂 型 、多 楔 型 、缠 绕 型 、波 箔 型，由于波箔型箔片轴承具有非常 良好 的阻尼特性， 且应用最成熟和广泛，因此箔片轴承的结构采用波箔 型结构形式 。 箔片轴承的结构采用全周式平箔加波箔的结构形 式，如图2 所示。波箔为平箔提供弹性支承，平箔与 波箔用固定销固定在轴瓦上。平箔与转子在初始状态 处于抱紧状态，随着转子转速的上升 ，由于气体的黏 性和楔形的作用 ，平箔与转子之间逐渐形成气膜压 力 ，使波箔产生变形，从而将平箔推开，使平箔与转 子处于无接触工作状态 。 图 2 径向箔片轴承结构 F i g 2 S t r u c t u r e o f j o u ma l f o i l a i r b e a r i n g 轴瓦的结构采用上下两瓣的结构形式 ，上轴瓦和 下轴瓦装配 固定后再精磨内孑 L 即可保证 内孔形位误 差。这种结构非常便于箔片轴承的装拆 、箔片的更换 及其他实验条件的改变，而无需拆解试验平台其他基 础部件和重新装配，减少了更改实验条件时主轴与电 机转子之间重复繁琐的对中调整工作，有利于保证实 验状态的一致性 。 2 试验研 究及分析 2 ． 1 启停试验 给箔片轴承施加一定的负载，设定电机转速至目 标转速，启动电机，待转速稳定后保持稳定转速运行 一 段时间，之后停止电机，直至电机完全停止，记录 整个过程中力传感器的响应 ，得到图3所示的箔片轴 承启停过程特征曲线。其中，A B段为电机启动前的 状态 ，B D段为 电机转 速从 0增加至设定转速 的状态 ， D E段为电机保持设定转速 的状态 ，E H段为停机过 程。该曲线与 国 内外研究 人员得 到的 曲线 完全一 致 ，很多学者试图从这条特征 曲线中获得箔片轴 承起 飞转速 的严格定义 ，不过都经不起严格 推敲。 Cha n n e l 1 Gr a ph 2 I Unt i t l e d I／ - I 3O。 2 5 ‘ 、 厂 I 名 2 0 J 、 1 昌 1 5 f 、 一 l 0 。 』 l 5 ‘ C 中s r 1 | 0 ‘ I 1 _ 一5 I1 0 0 0 2 O 0 0 0 3 0 b o o 4 0 0’0 0 5 0 0。 0 0 6 0 6 0 7 0 0 0 0 8 0 0 0 I T im e ／ s I I A B C D E F GH 图 3 箔片轴承启停过程特征曲线 F i g 3 Ty p i c a l wa v e f o r m o f f o i l a i r be a r i n g d u rin g s t a r t a nd s t o p 润滑与密封 第 3 6卷 从图 3可看到，电机启动后，箔片轴承的摩擦力 矩先增大至某一个极大值，随后开始下降，直至转速 稳定。部分研究人员对 曲线 的解释为 ，在启动过程 中，轴承与转子表面的摩擦力随转速升高而迅速增 大 ，气膜逐渐产生之后，力矩开始下降 。 ，并认为 力矩最大点 c点的转速就是箔片轴承的起飞转速 。 经过分析作者认为这种解释并不完全正确，从摩 擦学角度看 ，电机转速从 0开始上升时，轴承与转子 表面的接触摩擦力由静摩擦转变为动摩擦，而静摩擦 力通常比动摩擦力要大 ，因而 点的摩擦力矩应该 最大，即 点应该是一个 阶跃信号，随着转子转速 的逐渐升高，气膜逐渐形成 ，接触点和接触压力逐渐 减小 ，摩擦力矩也逐渐减小。 在有些学者的试验结果中，启停 曲线的 C D段和 E F段中间会出现力矩的波动或跳跃 ，并定义在力矩 波动或跳跃点对应 的转速 就是起飞 转速 。从作者 的试验结果来看 ，启停曲线中经常也会存在这种力矩 的波动或跳跃，但这种现象并不是必然的 ，与试验时 电机的加减速特性、负载等很多不确定因素有关 ，因 此，这种起飞转速的定义方式也是不科学的。 2 ． 2阶梯转速启停试验 为了验证上述摩擦力矩变化规律的推测，对箔片 轴承进行了阶梯转速启停试验。阶梯转速启停试验的 试验模式为设定转速由1 0 0 r ／ m i n开始逐步提高直 至 7 0 0 0 r ／ m i n 当设定转速在 1 0 0～1 0 0 0 r ／ m i n内 时 ，以 1 0 0 r ／ m i n为 单位 递 增，而 当设 定 转 速 在 1 0 0 0～ 7 0 0 0 r ／ ra i n内时，以5 0 0 r ／ m i n为单位递增 。 每个设定转速下进行一次启停，试验之前 ，设定电机 的启动时间为 1 0 s ，停止时间为 1 5 S ，在设定转速下 运行时间为2 O s 。记录每次启停试验转速上升至设定 转速后稳定运行时的稳定力矩，结果如图4 所示。 盲 。 ● 圣 ． 1 ． 嚣 0． 图4 阶梯转速稳定力矩试验结果 F i g 4 Mo me n t t e s t r e s u l t s wi t h s t e p pe d s pe e d 图4所示的稳定力矩随转速的变化规律实际上是 图3启停连续曲线 B D段的离散化表现形式，二者应 表现出相同的变化规律。剔除试验中偶然因素造成的 奇点 ，从图4中可以看出，转速从 0开始上升后，摩 擦力矩随 即 阶跃上 升 至最 大值 ，并且 随着 转 速 的上 升，摩擦力矩逐步下降，因此定义转子升速过程中任 一 点的转速作为起飞转速都是不恰当的。图4离散化 的曲线与图 3的连续曲线之间升降速段的变化规律差 异主要是由于在对连续启停原始数据进行处理时对阶 跃信号进行了低通滤波造成的。 2 ． 3试验结果分析 由于系统振动等偶然因素的影响，连续测量时信 号中必然存在噪声 ，为了便于对测量信号的观察与分 析，在对原始信号进行后处理时必然先进行低通滤 波。从数字信号处理 的角度看，阶跃信号是由 0～ ∞频率的信号叠加而成。对阶跃信号进行低通滤 波 ，滤掉了信号中的高频成分 ，使信号在阶跃点形成 一 个过渡带 ，从而将阶跃信号变成连续信号，如图5 所示 。 图5 阶跃信号低通滤波处理结果 F i g 5 L o w p a s s fi l t e r e d wa v e f o r t B wi t h s t e p s i g n a l 结合图 3～ 5可以看出，图3中启停特征曲线 B C 段和 朋 段力矩与转速的单调递增关系并没有真正揭 示箔片轴承摩擦力矩与转速的关系，而箔片轴承摩擦 力矩与转速的真实内在关系是，在一定转速范围内， 转子转速由0开始启动时，摩擦力矩迅速阶跃上升至 最大值 ，随着转速的提高，摩擦力矩单调下降。由于 对测量信号进行数据处理时滤掉了阶跃信号的高频成 分 ，从而使阶跃信号产生一个过渡带，且在过渡带内 单调 ，正因为如此 ，造成 了学者对 于摩擦力矩变化规 律的误解。不同实验模式和数据处理方式的不同很好 地解释了启停特征曲线与阶梯转速启停实验所获得的 力矩规律之间的差异 ，也揭示了箔片轴承摩擦力矩随 转速变化的内在规律。 3 起飞转速定义讨论 由测量装置 的测量原理可 以看 出 ，测量得到 的力 矩主要由轴承和转子表面的接触摩擦力矩和气膜的剪 切摩擦力矩构成。由气体润滑的理论可知，气膜之间 的周向剪切摩擦力矩 为 f 一旦 业1 c L 4 1 3 n．1、h 2 a x 2 0 1 1 年第 7 期 彭万欢等空气动压箔片轴承启停性能的实验研究 5 5 式中 为气膜周向剪切摩擦力矩 ；R为箔片轴承转 子半径 ； 肛为气体动力黏度 ；U为工作面相对运动速 度；h为气膜问隙；P为气膜压力 ； 为相对运动方 向坐标 ； 为箔片轴承气膜工作区域。 由式 1 定性分析可知，在负载保持不变时 ， 气膜剪切摩擦力矩随转速的升高而增大。由前面的试 验分析结果可知 ，箔片轴承固体摩擦力矩随转速的升 高而降低。在低转速阶段，固体摩擦力矩是主要成 分 ，因而测量合成摩擦力矩单调下降；待转速升高到 某一值后 ，固体摩擦力矩已经降到很低的水平，转而 气膜剪切摩擦力矩变成主要成分，则此后力矩随转速 升高开始增大。因此可以推测 ，在全转速范围 0一 。 。 内 ，测 量合 成力 矩 在低 转 速段 随转 速 的升 高 而降低，超过某一临界转速后，随着转速的升高而增 大 ，如图 6所示 。 目 Z 转速 ∞ ， 1 0 r ． mi n ‘ ‘ 图6 全转速范围力矩变化规律预测 Fi g 6 Pr e d i c t i o n o f mo me n t l a w i n f u l l s pe e d r a n g e 可以看出，即便是在合成摩擦力矩的极小点 ，接 触摩擦力矩也还没减小到 0 ，即箔片轴承的平箔与转 子仍然没有完全脱开。从作者的试验结果和其他学者 高速实验研究结果及箔片轴承工程应用资料来看 ，即 便箔片轴承在足够高的转速下运行 ，平箔与转子之间 的接触摩擦仍不可能完全消除，箔片轴承工作表面始 终存在磨损 ⋯。 从工程实际的角度看，在转子高速旋转时，转子 与箔片之间必然存在各种冲击，这种冲击也必然导致 箔片与转子的接触摩擦。因此，从工程角度讲 ，不存 在所谓的起飞转速可以表征平箔与转子完全脱开，这 个概念只为学术上表述问题的方便而诞生，实际上没 有很严格的定义 ，而且对于工程设计的意义不大。此 外 ，从工程测试的角度看 ，由于系统运行时始终存在 各种干扰信号 ，因而也很难准确捕捉到测试信号的特 征点作为起飞转速的判据。 基于上述考虑和经过对箔片轴承的循环启停寿命 的实验研究，作者认为当箔片轴承在设定转速下运转 时，只要测量合成摩擦力矩相对于启动时最大力矩下 降了很大的幅度，即便此时仍然存在很小 的接触摩 擦，只要不影响箔片轴承的寿命 ，可以认为此时的箔 片轴承已经起飞，即当前的状态完全具备承受相应负 载的承载能力。 4结论 1 箔片轴承的测量合成力矩 由固体接触摩擦 力矩和气膜剪切摩擦力矩组成 ，当转子转速从 O开始 上升时，箔片轴承的测量合成力矩即阶跃上升至极大 值；在全转速范围内，箔片轴承的测量合成力矩随着 转速的升高先降低后升高。 2 从工程角度看，在转 子高速旋转时，由于 各种冲击的存在，箔片与转子之间始终存在接触摩 擦 ，因此不存在所谓的起飞转速可以表征平箔与转子 完全脱开。当箔片轴承在设定转速下运转时，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 ，即便此时仍然存在很小的接触摩擦 ，只要不影响 箔片轴承的寿命 ，可以认为此时的箔片轴承 已经起 飞，即当前的状态完全具备承受相应负载的承载能力。 参考文献 【 1 】R u b i o D， S a n A n d r e s L ． B u m p t y p e f o i l b e a ri n g s t r u c t u r a l s t i f f - 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